泥質(zhì)灰?guī)r高邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及影響因素研究

朱云升 左建軒 李金鋒 楊 健 歐湘萍

(武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院1) 武漢 430063) (四川川交路橋有限責(zé)任公司2) 廣漢 618300)

0 引 言

泥質(zhì)灰?guī)r在自然條件下，會(huì)發(fā)生巖溶和風(fēng)化，從而改變巖體的巖性和結(jié)構(gòu)，降低巖石的力學(xué)強(qiáng)度，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響.

石林[1]采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、監(jiān)測(cè)分析及數(shù)值模擬等方法，從坡巖體結(jié)構(gòu)、破壞模式、變形破壞機(jī)制及庫(kù)水作用機(jī)理等角度，開(kāi)展了泥質(zhì)灰?guī)r邊坡的變形機(jī)制研究.顧東明[2]采用工程地質(zhì)調(diào)查分析以及巖石力學(xué)試驗(yàn)等方法，基于泥質(zhì)灰?guī)r邊坡巖體結(jié)構(gòu)特征、巖體質(zhì)量及參數(shù)特征，建立了考慮水-巖相互作用的強(qiáng)度時(shí)效劣化離散單元法，并分析了庫(kù)岸反傾邊坡時(shí)效變形失穩(wěn)的庫(kù)水侵蝕-軟化-滲流耦合作用機(jī)理.鄒德玉[3]基于非飽和土土水特征曲線模型及非飽和強(qiáng)度理論,以某黃土邊坡為例,采用GeoStudio軟件建模模擬降雨入滲條件下土體水力特性參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明，α值越大，相同降雨強(qiáng)度下，邊坡的穩(wěn)定性越低；n值越大，相同降雨強(qiáng)度下，降雨入滲深度變小，邊坡的穩(wěn)定性變化不明顯.吳林等[4]針對(duì)強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r地層的滑坡處治施工技術(shù)，在優(yōu)先確保施工質(zhì)量和安全的前提下，基于工程地質(zhì)勘察、水系發(fā)育調(diào)查和滑坡體生產(chǎn)機(jī)理，優(yōu)化了技術(shù)方案.張黔飛[5]依托工程實(shí)例，研究薄層泥質(zhì)灰?guī)r順向巖質(zhì)邊坡，通過(guò)優(yōu)選計(jì)算參數(shù)，對(duì)邊坡進(jìn)行了針對(duì)性的治理設(shè)計(jì).

文中以四川某高速公路ZK187+635泥質(zhì)灰?guī)r高邊坡為研究對(duì)象，考慮強(qiáng)度折減法在邊坡穩(wěn)定性研究中的優(yōu)越性，利用FLAC3D軟件對(duì)泥質(zhì)灰?guī)r高邊坡進(jìn)行模擬研究，分析開(kāi)挖過(guò)程中的邊坡穩(wěn)定性不同影響因素，考慮當(dāng)?shù)亟涤陾l件影響，從邊坡變形、剪應(yīng)力、剪應(yīng)變、塑性區(qū)等方面進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性.

1 工程概況

ZK187+635泥質(zhì)灰?guī)r高邊坡巖層主要分為碎石、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r、中風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r及板巖.屬構(gòu)造侵蝕剝蝕中山地貌，場(chǎng)區(qū)山嶺海拔標(biāo)高1 342～1 550 m，平通河于場(chǎng)區(qū)西側(cè)整體由北向南蜿蜒通過(guò)，河床標(biāo)高644～661 m，河床寬25～58 m，河谷呈寬緩“U”形.植被以青杠樹(shù)、雜樹(shù)林及荒草、灌木為主.泥質(zhì)灰?guī)r高邊坡巖層分布及巖層產(chǎn)狀見(jiàn)圖1.并且當(dāng)?shù)亟K年濕潤(rùn)，雨量充沛，多年平均降水量為866.5 mm，75%的降雨量集中在6—9月.通過(guò)2021年7—8月期間對(duì)降雨的監(jiān)測(cè)，降雨天數(shù)為20 d，監(jiān)測(cè)期間內(nèi)總降雨量為682.14 mm，降雨平均強(qiáng)度為34.11 mm/d，最大降雨強(qiáng)度為126.34 mm/d.

圖1 泥質(zhì)灰?guī)r高邊坡地質(zhì)剖面

2 泥質(zhì)灰?guī)r參數(shù)確定

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、地質(zhì)勘探和相關(guān)資料，泥質(zhì)灰?guī)r見(jiàn)圖2.通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)高邊坡巖土體取樣進(jìn)行體物理力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘探資料[6-7]，得到現(xiàn)場(chǎng)高邊坡巖土體力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1.

圖2 泥質(zhì)灰?guī)r

表1 泥質(zhì)灰?guī)r物理力學(xué)參數(shù)表

3 泥質(zhì)灰?guī)r高邊坡數(shù)值分析

3.1 有限元強(qiáng)度折減法理論

有限元強(qiáng)度折減法，是利用理想彈塑性有限元計(jì)算，然后降低邊坡巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)，直到邊坡達(dá)到破壞狀態(tài)為止，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，得到邊坡破壞滑動(dòng)面和安全系數(shù)[8-9].

有限元計(jì)算時(shí)，施加外荷載，用假定的抗剪強(qiáng)度參數(shù)c*和φ*為

(1)

(2)

邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)在有限元的定義為

(3)

兩邊同時(shí)除以F，得：

(4)

對(duì)F進(jìn)行折減后，左邊等于1，式(4)表示邊坡達(dá)到極限平衡狀態(tài)，有限元利用這種方式進(jìn)行折減計(jì)算，求得邊坡的安全系數(shù).

3.2 飽和-非飽和滲流計(jì)算原理

降雨入滲條件下邊坡內(nèi)部水分的遷移過(guò)程屬于典型的飽和-非飽和滲流過(guò)程，邊坡中非飽和區(qū)的滲流與飽和區(qū)的滲流一樣，總是從水勢(shì)高處想水勢(shì)低處流動(dòng)，滿足達(dá)西定律及其連續(xù)性方程[10].

v=-k(s)H

(5)

(6)

式中：v為滲流速度；k(s)土體水利滲透系數(shù)；s=(θ-θr)/(θs-θr)，為土體飽和度，θ為土體體積含水率，θr為土體殘余體積含水率，θs為土體飽和體積含水率；H=h+Y為總水頭，h=uw/γw為壓力水頭，uw為孔隙水壓力，γw為水的重度，Y為位置水頭；ω為源匯項(xiàng)；C(H)為容水度，C(H)=?θ/?H；t為時(shí)間.

飽和-非飽和滲流定解條件.

1) 初始條件

h(X,Y,t)|t=0=h0(X,Y),(X,Y)∈Ω

(7)

2) 邊界條件

h(X,Y,t)|Γ1=h0(X,Y,t),(X,Y)∈Γ1

(8)

Rn(t)|Γ2=-k(s)Hn,(X,Y)∈Γ2

(9)

qn(t)|Γ3=-ε(t)n,(X,Y)∈Γ3

(10)

(11)

式中：h0(X,Y)為全部域Ω對(duì)應(yīng)的初始?jí)毫λ^；h0(X,Y,t)為水頭邊界Γ1對(duì)應(yīng)的壓力水頭；Rn(t)為流量邊界Γ2對(duì)應(yīng)的入滲能力；ε(t)為降雨強(qiáng)度；n為邊界外法線單位向量；qn(t)為降雨入滲邊界Γ3對(duì)應(yīng)的降雨入滲強(qiáng)度；Rs(t)為降雨入滲邊界Γ3對(duì)應(yīng)的實(shí)際降雨入滲量.

在非飽和滲流計(jì)算中，土體飽和度與基質(zhì)吸力、水力滲透系數(shù)之間的關(guān)系采用van Genuchten模型進(jìn)行擬合.

(12)

(13)

式中：Ψ=ua-uw為基質(zhì)吸力，ua為孔隙氣壓力；m，n，α為模型擬合參數(shù)，m=1-1/n；ks為土體飽和水力滲透系數(shù).

3.3 泥質(zhì)巖高邊坡三維模型構(gòu)建

根據(jù)泥質(zhì)灰?guī)r高邊坡初步設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖3.構(gòu)建邊坡的三維模型[11]，泥質(zhì)灰?guī)r高邊坡三維模型見(jiàn)圖4.自上而下分別為碎石層、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r、中風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r以及板巖，模型在x方向長(zhǎng)度為264 m，y方向長(zhǎng)度為52 m，z方向邊坡最大高度為170 m，頂部為邊坡表面，四邊形單元共計(jì)312 343個(gè)，單元節(jié)點(diǎn)共計(jì)56 641個(gè)，對(duì)模型側(cè)面(x=0,x=264.00,y=0,y=52.00)施加法向位移約束，底部(z=0)設(shè)為固定約束邊界，采用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型進(jìn)行分析計(jì)算，見(jiàn)圖5.在考慮降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響時(shí)，取模型底面作為參考基準(zhǔn)面，底部為板巖，透水性差，設(shè)為不透水邊界，模型兩側(cè)邊界，地下水位線以上設(shè)為零流量邊界，水位線設(shè)為定水頭邊界，模型上表面為降雨入滲邊界，設(shè)為流量邊界.

圖3 泥質(zhì)灰?guī)r高邊坡初步設(shè)計(jì)

4 泥質(zhì)灰?guī)r高邊坡穩(wěn)定性研究

4.1 降雨強(qiáng)度對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響研究

降雨強(qiáng)度分別采用34.11，60.00，80.00，100.00和126.34 mm/d，降雨時(shí)間為24 h，工況設(shè)置情況見(jiàn)表2.

圖4 泥質(zhì)灰?guī)r自然邊坡三維模型

圖5 模型邊界條件

表2 不同降雨強(qiáng)度對(duì)應(yīng)工況設(shè)置表

利用FLAC3D軟件研究降雨入滲對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，不同工況下降雨入滲引起泥質(zhì)灰?guī)r高邊坡內(nèi)部孔隙水壓力變化見(jiàn)圖6.

圖6 不同工況孔隙水壓力變化云圖

在5種不同降雨強(qiáng)度下，歷經(jīng)24 h后泥質(zhì)灰?guī)r高邊坡內(nèi)部孔隙水壓力變化見(jiàn)表3.由表3可知：降雨強(qiáng)度對(duì)邊坡內(nèi)部孔隙水壓力的分布產(chǎn)生可明顯的影響，隨著降雨強(qiáng)度的提高，坡體表面的雨水逐漸增加，其含水量也逐漸增加，表層的孔隙水壓力呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，當(dāng)降雨強(qiáng)度增大到一定程度時(shí)，巖土體達(dá)到暫態(tài)飽和狀態(tài)，邊坡內(nèi)部孔隙水壓力的變化較小，基質(zhì)吸力大幅減小.

表3 不同工況孔隙水壓力變化情況匯總 單位：kPa

圖7為不同工況下塑性區(qū)云圖，不同降雨強(qiáng)度下坡頂水平位移變化及邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖8和表4.

圖7 不同工況下塑性區(qū)云圖

圖8 不同降雨強(qiáng)度下坡頂水平位移變化

表4 不同降雨強(qiáng)度下邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果匯總

由表4可知：隨著降雨強(qiáng)度的增大，泥質(zhì)灰?guī)r高邊坡的位移變化、剪應(yīng)力剪應(yīng)變等都呈逐漸增大趨勢(shì)，但是安全系數(shù)呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，邊坡的穩(wěn)定性逐漸降低，工況一～四下邊坡能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)，但工況五下邊坡已發(fā)生失穩(wěn).由圖8可知：工況一～四下邊坡坡頂處水平位移在計(jì)算過(guò)程中上下波動(dòng)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后能夠保持穩(wěn)定，表明邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，但工況五下邊坡坡頂處的水平位移無(wú)限增大，表明滑動(dòng)體脫離邊坡向遠(yuǎn)處一直運(yùn)動(dòng)，邊坡已發(fā)生失穩(wěn).根據(jù)工況五下泥質(zhì)灰?guī)r高邊坡塑性區(qū)云圖可知，邊坡在坡腳處發(fā)生剪切破壞，坡腳為邊坡發(fā)生失穩(wěn)的剪出口.

4.2 降雨時(shí)間對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響研究

為了研究降雨時(shí)間對(duì)泥質(zhì)灰?guī)r高邊坡穩(wěn)定性的影響，保持降雨強(qiáng)度34.11 mm/d，設(shè)置不同降雨時(shí)間12，24，36，48和60 h，研究降雨時(shí)間對(duì)泥質(zhì)灰?guī)r高邊坡穩(wěn)定性的作用.不同降雨時(shí)間對(duì)應(yīng)工況見(jiàn)表5.

表5 不同降雨時(shí)間對(duì)應(yīng)工況設(shè)置表

通過(guò)FLAC3D進(jìn)行計(jì)算，不同工況孔隙水壓力變化情況匯總見(jiàn)表6.

表6 不同工況孔隙水壓力變化情況匯總 單位：kPa

由表6可知：隨著降雨時(shí)間的延長(zhǎng)，滲入邊坡內(nèi)部的雨水增多，使邊坡含水率增大，由于孔隙水壓力隨著含水率的增大而減小，所以邊坡內(nèi)部負(fù)孔隙水壓力隨著降雨時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，并且負(fù)孔隙水壓力區(qū)域逐漸向邊坡內(nèi)部發(fā)展，基質(zhì)吸力逐漸降低，邊坡內(nèi)部巖土體逐漸達(dá)到飽和狀態(tài)，增大了巖土體的容重，從而對(duì)泥質(zhì)灰?guī)r高邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響.

不同工況下坡頂水平位移變化和不同降雨強(qiáng)度下邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果匯總見(jiàn)圖9和表7.

圖9 不同工況下坡頂水平位移變化

由表7可知：隨著降雨時(shí)間的延長(zhǎng)，泥質(zhì)灰?guī)r高邊坡的位移以及剪應(yīng)力剪應(yīng)變等都呈逐漸增大的趨勢(shì)，安全系數(shù)逐漸變小，邊坡的穩(wěn)定性逐漸降低.結(jié)合圖9可知：從工況一～四，邊坡坡頂水平位移上下波動(dòng)后保持水平，表示邊坡模型能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)，但工況五下邊坡坡頂?shù)乃轿灰茻o(wú)限增大，滑動(dòng)體向遠(yuǎn)處無(wú)限運(yùn)動(dòng)，邊坡模型已經(jīng)發(fā)生破壞，邊坡已經(jīng)處于失穩(wěn)狀態(tài).

表7 不同降雨強(qiáng)度下邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果匯總

根據(jù)塑性區(qū)云圖變化，在邊坡坡腳處，剪切屈服單元較為集中，可能會(huì)發(fā)生破壞，影響邊坡穩(wěn)定性，因此需要采取措施進(jìn)行防護(hù).通過(guò)模擬研究降雨時(shí)間對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響可以得出，在降雨入滲過(guò)程中，非飽和區(qū)逐漸變成暫態(tài)飽和區(qū)，并且不斷擴(kuò)大并延伸，水壓力不斷擴(kuò)大，基質(zhì)吸力不斷減小，在滲透力影響下，平衡狀態(tài)被打破，最終導(dǎo)致邊坡失穩(wěn).

4.3 邊坡開(kāi)挖對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響研究

由于泥質(zhì)灰?guī)r邊坡開(kāi)挖會(huì)導(dǎo)致邊坡臨空面變化和增大，從而增加高邊坡開(kāi)挖施工階段失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，因此需要研究邊坡開(kāi)挖對(duì)其穩(wěn)定性的影響，為邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù).泥質(zhì)灰?guī)r高邊坡分級(jí)開(kāi)挖見(jiàn)圖10.考慮邊坡開(kāi)挖過(guò)程的最不利狀態(tài)，本節(jié)數(shù)值模擬計(jì)算取取降雨強(qiáng)度126.34 mm/d，降雨時(shí)間為60 h，開(kāi)挖過(guò)程中不進(jìn)行支護(hù).

圖10 泥質(zhì)灰?guī)r高邊坡分級(jí)開(kāi)挖示意圖

不同開(kāi)挖階段下塑性區(qū)以及坡頂水平位移變化見(jiàn)圖11.表8為泥質(zhì)灰?guī)r高邊坡無(wú)支護(hù)開(kāi)挖不同階段計(jì)算結(jié)果匯總.

由表8可知：第五次開(kāi)挖后，塑性區(qū)已基本貫通，邊坡已發(fā)生失穩(wěn).通過(guò)計(jì)算結(jié)果可以判斷，泥質(zhì)灰?guī)r在無(wú)支護(hù)狀態(tài)下進(jìn)行開(kāi)挖，在巖土體的回彈作用下，邊坡內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變發(fā)生變化，在達(dá)到重新平衡的過(guò)程中，邊坡發(fā)生變形，降低了邊坡的穩(wěn)定性，并且根據(jù)邊坡開(kāi)挖過(guò)程中塑性區(qū)云圖變化，可以確定邊坡坡腳是危險(xiǎn)點(diǎn)，屈服單元較為集中，需要進(jìn)行支護(hù)加固，增強(qiáng)泥質(zhì)灰?guī)r高邊坡的穩(wěn)定性，防止邊坡失穩(wěn).

圖11 不同開(kāi)挖階段坡頂水平位移變化

表8 泥質(zhì)灰?guī)r高邊坡無(wú)支護(hù)開(kāi)挖不同階段計(jì)算結(jié)果匯總

5 結(jié) 論

1) 降雨強(qiáng)度對(duì)泥質(zhì)灰?guī)r高邊坡影響較大，不同工況下邊坡的安全系數(shù)分別為1.138、1.124、1.109、1.083和0.961，當(dāng)降雨強(qiáng)度為126.34 mm/d時(shí)，安全系數(shù)小于1，在邊坡坡腳處發(fā)生剪切破壞.

2) 不同降雨時(shí)間對(duì)泥質(zhì)灰?guī)r高邊坡的影響程度不同，不同工況下邊坡的安全系數(shù)分別為1.109、1.097、1.067、1.034和0.917，當(dāng)降雨時(shí)間為60 h時(shí)，邊坡的穩(wěn)定性不足，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以判斷在邊坡坡腳發(fā)生剪切破壞，因此不僅需要做好邊坡排水，還應(yīng)采取支護(hù)措施進(jìn)行加固，防止邊坡在暴雨天氣下發(fā)生失穩(wěn).

3) 對(duì)泥質(zhì)灰?guī)r高邊坡在開(kāi)挖過(guò)程中的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，不同開(kāi)挖階段安全系數(shù)分別為1.173、1.148、1.126、1.064和0.962，邊坡開(kāi)挖對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響較大.并且分析邊坡開(kāi)挖過(guò)程中塑性區(qū)云圖可以發(fā)現(xiàn)，在邊坡坡腳處，屈服單元較為集中，是邊坡的危險(xiǎn)點(diǎn)，因此需要對(duì)其進(jìn)行支護(hù)，從而增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性.