前緣鎖固型峽谷邊坡失穩(wěn)源辨識(shí)與演化過(guò)程模擬

胡惠華 ，魯光銀，陳怡帆，尹湘杰，張鵬，林杭，陳昌富

(1. 湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙，410200；2. 中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083；3. 中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083；4. 湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410082)

近年來(lái)，為落實(shí)“十四五”綜合交通運(yùn)輸發(fā)展規(guī)劃，我國(guó)高速公路建設(shè)不斷向山區(qū)推進(jìn)。山區(qū)峽谷公路工程邊坡存在大量地質(zhì)災(zāi)害隱患，雖然可以利用公路的線型工程特點(diǎn)，通過(guò)靈活設(shè)計(jì)，盡力避免“深挖高填”，但在山區(qū)峽谷公路中，工程邊坡的數(shù)量和規(guī)模仍然較大。公路工程邊坡是指對(duì)公路沿線構(gòu)筑物的安全具有直接或間接影響的各類(lèi)人工邊坡或天然山體邊坡，包括經(jīng)過(guò)挖填改造的路基邊坡設(shè)置橋梁基礎(chǔ)的山體邊坡以及隧道進(jìn)出口段邊坡。峽谷邊坡的形成是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，其演化全過(guò)程包括表生改造、時(shí)效變形和破壞發(fā)展3個(gè)階段。在自重應(yīng)力場(chǎng)作用下，峽谷邊坡的淺表部位一般處于平衡狀態(tài)或時(shí)效變形過(guò)程中[1]。公路建造對(duì)峽谷邊坡的挖填或擾動(dòng)會(huì)加快邊坡滑動(dòng)面的孕育和演化過(guò)程，誘發(fā)邊坡快速變形進(jìn)入破壞階段，導(dǎo)致峽谷邊坡大范圍變形與破壞，形成滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害[2-3]。其中，滑坡是最危險(xiǎn)的地質(zhì)災(zāi)害之一，在世界范圍內(nèi)造成了重大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失[4-5]。山區(qū)峽谷高速公路在營(yíng)運(yùn)期間發(fā)生滑坡，不僅會(huì)造成交通中斷和維護(hù)困難，而且將嚴(yán)重降低高速公路的運(yùn)行效率。對(duì)公路工程邊坡開(kāi)展穩(wěn)定性和變形失穩(wěn)分析，可以了解其破壞過(guò)程的失穩(wěn)機(jī)理[6]。前人建立的人工邊坡穩(wěn)定性分析方法可用于公路工程邊坡穩(wěn)定性分析。目前，對(duì)于邊坡穩(wěn)定性的分析方法主要包括定量分析和定性分析，如工程類(lèi)比法、圖解法[7-8]等屬于定性分析方法，而剛體極限平衡法[9-11]、塑性極限分析法[12-13]及數(shù)值分析法[14-16]等屬于定量分析方法。1937 年，TAYLOR 提出了基于摩擦圓法的土坡穩(wěn)定圖表，之后，SARKAR 等[17-19]對(duì)相關(guān)的邊坡穩(wěn)定性圖表進(jìn)行了研究。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果和巖土體介質(zhì)特征，殷躍平[20]將三峽庫(kù)區(qū)邊坡結(jié)構(gòu)劃分為順層邊坡、平緩軟硬巖層互層邊坡、滑崩堆積體邊坡、溶塌角礫巖邊坡、層狀碎裂巖體邊坡等，并分析了相應(yīng)的破壞模式。AZARAFZA等[21]綜述了用于不同破壞機(jī)制下天然邊坡和人工切割邊坡穩(wěn)定性分析的極限平衡方法。DENG等[22]考慮邊坡外部荷載作用條件，采用多種極限平衡法對(duì)比了它們?cè)谟?jì)算邊坡穩(wěn)定性上的差異。此外，在極限平衡框架下，DENG等[23-24]提出了一種利用任意曲線滑動(dòng)面的線性Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則和非線性Hoek-Brown 強(qiáng)度準(zhǔn)則分析巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性。雷遠(yuǎn)見(jiàn)等[25]對(duì)多結(jié)構(gòu)面巖質(zhì)邊坡巖塊和結(jié)構(gòu)面參數(shù)進(jìn)行折減，開(kāi)展了穩(wěn)定性分析計(jì)算。趙尚毅等[26]采用非線性有限元強(qiáng)度折減法分析了節(jié)理巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性。曹平等[27]基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和赤平投影方法分析了湖南省竹城(竹市—城奇)公路K81—K83 段層狀巖質(zhì)邊坡潛在變形滑動(dòng)機(jī)理，并結(jié)合UDEC軟件開(kāi)展了邊坡穩(wěn)定性計(jì)算，根據(jù)邊坡位移變化規(guī)律提出了相應(yīng)的防治措施設(shè)計(jì)。羅根傳等[28]采用FLAC3D軟件建立了泉南(泉州—南寧)高速南寧段改擴(kuò)建工程K1369+400 右側(cè)高邊坡三維數(shù)值模型，分析了抗滑樁對(duì)邊坡穩(wěn)定性的加固效果?？梢?jiàn)，前人對(duì)人工邊坡或工程邊坡穩(wěn)定性和滑移機(jī)理進(jìn)行了研究，對(duì)于人工邊坡與工程邊坡的防災(zāi)減災(zāi)具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義，但對(duì)邊坡失穩(wěn)源辨識(shí)的研究較少。張鵬等[29-30]提出了邊坡失穩(wěn)源的概念并對(duì)工程邊坡的失穩(wěn)源進(jìn)行了初判，但未對(duì)邊坡失穩(wěn)源及辨識(shí)方法進(jìn)行深入闡述，同時(shí)，研究的坡體模型也是簡(jiǎn)化后的規(guī)則模型，這不利于準(zhǔn)確評(píng)估人工邊坡或工程邊坡穩(wěn)定性以及深入探究其內(nèi)在的失穩(wěn)機(jī)制。

本文以典型的硬質(zhì)巖峽谷區(qū)前緣鎖固型高陡邊坡——湖南省汝郴(汝城—郴州)高速公路K65+400—K65+690 段吊坎壟峽谷隧道與橋梁搭接處邊坡為研究對(duì)象，基于該邊坡在天然條件下的穩(wěn)定性和開(kāi)挖擾動(dòng)引起的坡體變形情況，識(shí)別該峽谷邊坡在不同工況下的失穩(wěn)源，并運(yùn)用有限差分軟件開(kāi)展邊坡穩(wěn)定性演化全過(guò)程模擬，結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)一步討論該邊坡的失穩(wěn)機(jī)理。本文研究成果可以為其他類(lèi)似邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及邊坡工程的設(shè)計(jì)與施工等提供參考。

1 工程概況

吊坎壟前緣鎖固型峽谷邊坡(以下簡(jiǎn)稱(chēng)吊坎壟邊坡)為湖南省汝郴高速K65+400—K65+690 段峽谷型山體邊坡，屬于構(gòu)造剝蝕地貌，地形陡峻，坡面巖石裸露，在其上布置五一村大橋的3 號(hào)橋墩、4號(hào)橋臺(tái)以及吊坎壟隧道進(jìn)口段，見(jiàn)圖1。

圖1 吊坎壟邊坡地貌及公路線位圖Fig.1 Landforms and road lines at Diaokanlang slope

與橋梁和隧道安全緊密相關(guān)的邊坡寬約180 m，總高度約300 m，離坡底180 m 高處有1 個(gè)80～100 m寬的平面，邊坡坡面傾向約為130°，坡角為35°～55°。邊坡地質(zhì)斷面(右幅橋位)如圖2所示。

圖2 吊坎壟邊坡工程地質(zhì)斷面圖Fig. 2 Engineering geological section of Diaokanlang slope

坡體由硬質(zhì)石英砂巖夾紫紅砂巖組成，巖層反傾，傾向約為272°，傾角約為35°；順坡向的逆斷層F13是邊坡深層穩(wěn)定性的主控結(jié)構(gòu)面，其產(chǎn)狀為150°∠40°～44°，最大埋深約為100 m，與邊坡坡面基本平行，但被其他斷層F11和F15錯(cuò)斷，逆斷層F13 上下錯(cuò)斷距離約30 m。坡腳還發(fā)育有陡傾角平移斷層F11 及與其平行的斷層F14 和F15，這組平移斷層總體傾向約為146°，總體傾角約為77°。邊坡體內(nèi)發(fā)育4 組主要節(jié)理，其產(chǎn)狀分別為171°∠66°、117°∠66°、33°∠83°和236°∠71°，均為陡傾節(jié)理，不是邊坡變形失穩(wěn)的控制結(jié)構(gòu)面，但對(duì)坡體起到了切割作用，其密集分布大大削弱了巖體強(qiáng)度。逆斷層F13之上影響橋梁和隧道工程安全的坡體體積約為320 萬(wàn)m3。其右側(cè)相鄰的邊坡塊體因坡體完整性較差且處于河谷直角轉(zhuǎn)彎處，受洪水侵蝕沖刷作用更加強(qiáng)烈，已有約200 萬(wàn)m3巖體失穩(wěn)滑落而留下滑腔(見(jiàn)圖1)。

2 邊坡失穩(wěn)源辨識(shí)

2.1 邊坡失穩(wěn)源定義及工程意義

邊坡失穩(wěn)破壞要經(jīng)歷一個(gè)復(fù)雜的變形演化過(guò)程，一般是邊坡在自重應(yīng)力場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下，因時(shí)效變形持續(xù)發(fā)展，或因可變因素觸發(fā)，邊坡某個(gè)部位首先孕育產(chǎn)生剪切變形，進(jìn)而出現(xiàn)累進(jìn)性變形破裂，直至潛在滑動(dòng)面貫通形成最終破壞的過(guò)程。因此，可將邊坡中因剪切作用形成的塑性變形起始區(qū)定義為邊坡失穩(wěn)源[29]。本研究中，失穩(wěn)源定義強(qiáng)調(diào)的是邊坡巖體最開(kāi)始出現(xiàn)的剪切變形區(qū)，體現(xiàn)了邊坡在外在因素影響下的損傷積累與漸進(jìn)失穩(wěn)過(guò)程。其工程意義在于：可以根據(jù)邊坡失穩(wěn)源辨識(shí)結(jié)果進(jìn)行較大尺度的工程地質(zhì)分區(qū)研究，從而針對(duì)可能存在邊坡失穩(wěn)源的區(qū)域進(jìn)行地表和深部位移監(jiān)測(cè)，推演邊坡的位移場(chǎng)演化與時(shí)效變形規(guī)律；通過(guò)人工智能方法可進(jìn)一步確定坡體潛在滑動(dòng)面位置；最后，結(jié)合反演分析定量確定邊坡的巖土體參數(shù)和穩(wěn)定狀態(tài)，有利于對(duì)穩(wěn)定性較差的邊坡進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)警和快速控制?？梢?jiàn)，開(kāi)展邊坡失穩(wěn)源辨識(shí)研究是工程邊坡智慧診斷與防控的基礎(chǔ)，能夠在有效控制邊坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，大大節(jié)省工程投入。

2.2 吊坎壟邊坡失穩(wěn)源初判

吊坎壟邊坡結(jié)構(gòu)復(fù)雜，坡體由硬質(zhì)石英砂巖夾紫紅砂巖組成，斷層及卸荷裂隙發(fā)育，包括順坡向的中等傾角逆斷層F13、順坡向的陡傾角平移斷層F11 及斷層F14 和F15，且自然風(fēng)化、強(qiáng)降雨作用強(qiáng)烈。2011 年在坡腳抗滑樁施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)已貫通的公路隧道離洞口60～80 m處，鋼筋混凝土襯砌出現(xiàn)多道環(huán)形裂縫。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，該邊坡在高速公路修建過(guò)程中產(chǎn)生了蠕滑變形，具有變形不斷擴(kuò)大甚至失穩(wěn)破壞的趨勢(shì)。其變形演化過(guò)程與失穩(wěn)機(jī)理較復(fù)雜。相應(yīng)地，基于不同的演化過(guò)程與失穩(wěn)機(jī)理，吊坎壟邊坡將形成不同的失穩(wěn)源。

1) 與邊坡坡面近似平行的深部斷層F13抗剪強(qiáng)度低，但未在坡腳處臨空出露，坡腳巖體結(jié)構(gòu)起到了鎖固作用。因此，吊坎壟邊坡深層的變形失穩(wěn)機(jī)理為滑移—拉裂—剪斷“三段”式破壞，即中部沿逆斷層F13蠕滑、后緣拉裂、下部剪斷。在自重應(yīng)力場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，斷層F13的中部可能首先產(chǎn)生剪切變形，成為吊坎壟邊坡深層變形破壞的失穩(wěn)源。

2) 吊坎壟邊坡淺層的變形失穩(wěn)機(jī)理為蠕滑—拉裂破壞，即前部破碎巖體蠕滑、后緣沿節(jié)理拉裂。邊坡前部臨近坡面的破碎巖體，因應(yīng)力集中可能首先出現(xiàn)剪切變形和損傷破壞，是吊坎壟邊坡淺層變形破壞的失穩(wěn)源。

3 吊坎壟邊坡數(shù)值模型構(gòu)建

邊坡失穩(wěn)源的力學(xué)行為本質(zhì)上依舊屬于剪切變形，故可通過(guò)開(kāi)展邊坡變形失穩(wěn)機(jī)理分析，對(duì)其進(jìn)行識(shí)別與判斷。考慮到吊坎壟邊坡地質(zhì)模型復(fù)雜，影響因素眾多，已有研究中的理論解析方法難以直接應(yīng)用，本文利用有限差分?jǐn)?shù)值軟件FLAC3D模擬該邊坡失穩(wěn)全過(guò)程中的變形破壞及演變規(guī)律。有限差分法是將問(wèn)題的基本方程和邊界條件以簡(jiǎn)單、直觀的差分方式來(lái)表述，使得其更易于在工程實(shí)際中應(yīng)用。近年來(lái)，有限差分法在巖石力學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

按照吊坎壟邊坡的地質(zhì)模型，建立如圖3所示數(shù)值模型。模型水平和垂直方向的計(jì)算長(zhǎng)度分別取555 m 和335 m。模型邊界條件為：在側(cè)面設(shè)置外法向的滑動(dòng)支座即水平方向上位移被約束、在底部設(shè)置固定支座即水平和豎向位移均被約束；頂面為自由邊界。網(wǎng)格單元采用Mohr-Coulomb elastoplastic 模型，邊坡模型中的結(jié)構(gòu)面及斷層則采用interface接觸單元進(jìn)行模擬。

圖3 吊坎壟邊坡數(shù)值模型Fig. 3 Numerical model of Diaokanlang slope

根據(jù)吊坎壟邊坡地質(zhì)調(diào)查報(bào)告，坡體主要由石英砂巖構(gòu)成，坡腳局部地區(qū)存在歷史失穩(wěn)現(xiàn)象，形成了松散堆積體，厚度不超過(guò)10 m。因此，邊坡模型在數(shù)值計(jì)算中的物理力學(xué)參數(shù)設(shè)置為：斷層F13以上單元賦予破碎石英砂巖參數(shù)值，坡體模型其余部分則賦予較破碎石英砂巖參數(shù)值，松散堆積體參數(shù)根據(jù)堆積坡體穩(wěn)定性反演結(jié)果確定。具體的力學(xué)參數(shù)分別如表1和表2所示。

表1 邊坡巖體力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)Table 1 Mechanical strength indexes of slope rock mass

表2 結(jié)構(gòu)面力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)Table 2 Mechanical strength indexes of structural surfaces

Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則的一般表達(dá)式為

式中：τ為剪切強(qiáng)度，MPa；c為黏聚力，MPa；σn為法向應(yīng)力，MPa；φ為內(nèi)摩擦角，(°)。

經(jīng)典邊坡安全系數(shù)Ks被定義為潛在滑動(dòng)面上的抗剪力與下滑力的比值。當(dāng)采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則描述巖體破壞時(shí)，Ks的計(jì)算式為

式中：τg為由重力引起的下滑應(yīng)力，MPa；l為潛在滑動(dòng)面長(zhǎng)度，m。

對(duì)式(2)兩邊同時(shí)除以系數(shù)Ks可得

式(3)表明，當(dāng)邊坡巖體強(qiáng)度參數(shù)折減Ks后，坡體達(dá)到臨界穩(wěn)定狀態(tài)，如式(4)和(5)所示。

式中：ccr和φcr分別為邊坡臨界狀態(tài)時(shí)的黏聚力和內(nèi)摩擦角。由于強(qiáng)度折減法能夠避免事先假定潛在滑動(dòng)面的形狀和位置，且適用于各種地形條件，故在巖土工程領(lǐng)域尤其是邊坡穩(wěn)定性分析領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。

吊坎壟邊坡失穩(wěn)過(guò)程模擬也主要通過(guò)強(qiáng)度折減法實(shí)現(xiàn)，主要包括模擬天然工況下邊坡的淺層和中層穩(wěn)定性、隧道開(kāi)挖作用下邊坡深層穩(wěn)定性、鎖固巖體損傷導(dǎo)致邊坡深層變形破壞和堆載反壓后邊坡穩(wěn)定性的變化以及分析邊坡不同部位失穩(wěn)源的形成機(jī)理。

4 吊坎壟邊坡演化過(guò)程模擬與失穩(wěn)源辨識(shí)

4.1 天然邊坡淺層和中層失穩(wěn)源與穩(wěn)定性分析

吊坎壟邊坡在天然狀態(tài)下處于時(shí)效變形階段。邊坡巖層受到多條斷層交叉切割，且因卸荷改造，張性卸荷裂隙發(fā)育。在自重應(yīng)力場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下，邊坡深部雖然存在沿F13斷層產(chǎn)生深層滑移的趨勢(shì)，但由于F13斷層埋藏較深，邊坡前部斷層F11與斷層F15 之間巖體的鎖固效應(yīng)明顯，F(xiàn)13 斷層未形成塑性變形區(qū)。天然邊坡塑性區(qū)分布如圖4所示。在平衡狀態(tài)下，位于邊坡前部的破碎巖體因應(yīng)力集中發(fā)生剪切破裂，形成塑性變形起始區(qū)，屬于邊坡淺層變形破壞的失穩(wěn)源。但塑性變形區(qū)向上擴(kuò)展至邊坡中段后處于平衡狀態(tài)，滑動(dòng)面未完全貫通。

圖4 天然邊坡塑性區(qū)分布Fig. 4 Distribution of plastic zones of natural slope

總體而言，該邊坡在天然狀態(tài)下，淺層和中層潛在滑動(dòng)面稍成型但未完全貫通；深層潛在滑動(dòng)面由于受到前緣鎖固段的控制作用，處于穩(wěn)定狀態(tài)。于邊坡滑體被結(jié)構(gòu)面切割形成的3部分各表面設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用位移突變法記錄邊坡表面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨強(qiáng)度折減系數(shù)變化的水平位移。天然邊坡各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移突變規(guī)律如圖5所示。從圖5可見(jiàn)當(dāng)Ks=1.04 時(shí)，曲線發(fā)生突變，因此，該邊坡在天然無(wú)擾動(dòng)條件下的穩(wěn)定系數(shù)為1.04，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2 隧道開(kāi)挖誘發(fā)邊坡深層失穩(wěn)源形成原因

隧道開(kāi)挖后，一方面，巖體開(kāi)挖對(duì)工程邊坡起到了一定程度的減重作用，降低了工程邊坡的下滑力；另一方面，受施工荷載影響，結(jié)構(gòu)面發(fā)生損傷積累以及抗剪強(qiáng)度降低，在兩者共同作用下，坡體內(nèi)部發(fā)生應(yīng)力重新分布，同時(shí)伴隨著相應(yīng)的位移演化，以達(dá)到新的平衡狀態(tài)。為探討三維應(yīng)力狀態(tài)下隧道開(kāi)挖對(duì)邊坡變形失穩(wěn)機(jī)理及穩(wěn)定性的影響，本文建立了相應(yīng)三維模型并根據(jù)此時(shí)巖體參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。從機(jī)理上看，隧道開(kāi)挖導(dǎo)致巖體應(yīng)力重新分布且對(duì)原生裂隙造成一定擾動(dòng)，誘發(fā)原生裂隙的擴(kuò)展和次生裂隙的產(chǎn)生，造成了邊坡巖體的強(qiáng)度降低，因此，在FLAC3D數(shù)值仿真中，該劣化過(guò)程可以通過(guò)對(duì)邊坡模型巖體強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行合理折減來(lái)實(shí)現(xiàn)，以模擬隧道開(kāi)挖對(duì)巖體造成的擾動(dòng)和損傷。折減程度可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣開(kāi)展力學(xué)實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果來(lái)確定。在本次模擬中，邊坡巖體強(qiáng)度參數(shù)折減的比例為0.975。

按照?qǐng)D4所示監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置在三維模型相似位置布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)邊坡表面總位移隨折減系數(shù)的變化，結(jié)果如圖6 所示。從圖6 可見(jiàn)：曲線在Ks=1.00時(shí)發(fā)生突變，因此，該邊坡在受隧道開(kāi)挖擾動(dòng)后的穩(wěn)定系數(shù)為1.00，說(shuō)明該邊坡正處在臨界穩(wěn)定狀態(tài)。隧道開(kāi)挖擾動(dòng)后邊坡總位移云圖如圖7 所示。由圖7 可知，斷層F13 中部出現(xiàn)較大的變形區(qū)，是邊坡深層變形破壞的失穩(wěn)源。最大位移區(qū)域由斷層F13及F14圍閉而成。但由于坡腳處的鎖固作用，邊坡整體仍未發(fā)生較大幅度的滑移變形。隧道施工誘發(fā)了斷層F13形成深部失穩(wěn)源，并出現(xiàn)一定程度的蠕滑，斷層F13之上巖體產(chǎn)生變形。開(kāi)挖導(dǎo)致隧道襯砌開(kāi)裂情況[10]見(jiàn)圖8。從圖8 可見(jiàn)：距洞口60～80 m段的隧道二襯出現(xiàn)環(huán)形開(kāi)裂，這是斷層F13上盤(pán)巖體沿陡傾裂隙拉裂變形所致；張鵬等[29]于同期進(jìn)行邊坡深部位移監(jiān)測(cè)時(shí)也發(fā)現(xiàn)公路隧道進(jìn)口段之下的斷層F13部位已有蠕滑跡象。

圖6 隧道開(kāi)挖擾動(dòng)后邊坡測(cè)點(diǎn)位移突變規(guī)律Fig. 6 Displacement mutation law of measuring points after tunnel excavation disturbance

圖7 隧道開(kāi)挖擾動(dòng)后邊坡總位移云圖Fig. 7 Displacement contour of slope after tunnel excavation disturbance

圖8 開(kāi)挖導(dǎo)致距洞口60～80 m段的隧道襯砌開(kāi)裂[10]Fig. 8 Cracking of tunnel lining 60-80 m away from the entrance caused by excavation[10]

4.3 鎖固巖體損傷誘發(fā)邊坡深層失穩(wěn)預(yù)測(cè)

在對(duì)邊坡進(jìn)行處治施工過(guò)程中，考慮到連續(xù)降雨天氣的影響，坡腳地下水豐富，坡腳處施工難度大，難以順利推進(jìn)。若在坡腳處開(kāi)挖抗滑樁或大規(guī)模錨索布置，將進(jìn)一步導(dǎo)致坡腳處鎖固段巖體出現(xiàn)損傷。具體而言，降雨會(huì)造成鎖固段區(qū)域巖土體軟化，而抗滑樁開(kāi)挖或布置錨索則使鎖固段區(qū)域巖體完整性降低，兩者均會(huì)導(dǎo)致鎖固段區(qū)域巖體強(qiáng)度降低。為反映這兩者對(duì)邊坡鎖固巖體的綜合損傷作用，本文直接對(duì)鎖固段區(qū)域巖體參數(shù)進(jìn)行折減，然后對(duì)邊坡失穩(wěn)過(guò)程進(jìn)行模擬，以分析鎖固巖體損傷對(duì)邊坡穩(wěn)定性和變形的影響。鎖固巖體損傷后邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移突變規(guī)律見(jiàn)圖9。從圖9 可見(jiàn)位移監(jiān)測(cè)曲線在Ks=0.936 時(shí)發(fā)生突變，意味著邊坡安全系數(shù)進(jìn)一步降低，邊坡處于深層變形失穩(wěn)狀態(tài)，并存在快速滑移的危險(xiǎn)。

圖9 鎖固巖體損傷后邊坡測(cè)點(diǎn)位移突變規(guī)律Fig. 9 Displacement mutation law of measuring points after locking rock mass damage

鎖固巖體損傷后邊坡塑性區(qū)分布見(jiàn)圖10。對(duì)圖10 中邊坡塑性區(qū)云圖進(jìn)行分析可知，模型塑性單元以剪切破壞為主，且主要集中在坡腳和深部斷層F13處。綜合對(duì)比圖10與圖7可知：坡腳開(kāi)挖前，深部斷層F13中部首先發(fā)生較大剪切變形，但由于坡腳處地質(zhì)結(jié)構(gòu)的鎖固作用，邊坡整體仍未發(fā)生較大幅度的滑移變形。若在坡腳開(kāi)挖抗滑樁或大規(guī)模布置錨索，鎖固巖體將形成新的塑性區(qū)，潛在滑動(dòng)面從坡腳開(kāi)始，貫穿斷層F14 和斷層F15，連接斷層F13 的塑性區(qū)，形成搭接狀折線型深部滑面。

圖10 鎖固巖體損傷后邊坡塑性區(qū)分布Fig. 10 Distribution of plastic zones after locking rock mass damage

總之，若在坡腳開(kāi)挖抗滑樁或進(jìn)行大量的錨索施工，將損傷前緣鎖固巖體，進(jìn)一步導(dǎo)致邊坡應(yīng)力重新分布，在鎖固巖體中形成塑性區(qū)，并與深部斷層F13 上的塑性區(qū)貫通，坡體將發(fā)生深層失穩(wěn)。

4.4 吊坎壟邊坡失穩(wěn)源及穩(wěn)定性控制

根據(jù)以上吊坎壟邊坡變形規(guī)律及破壞機(jī)制可知，需加大前緣鎖固段的局部強(qiáng)度，提高邊坡的整體穩(wěn)定性。經(jīng)計(jì)算，深層變形失穩(wěn)的坡體體積約320 萬(wàn)m3。為了快速給處于變形失穩(wěn)狀態(tài)的邊坡提供抗滑力，并避免繼續(xù)損傷鎖固巖體，需對(duì)邊坡進(jìn)行加固。采用級(jí)配碎塊石在坡腳分臺(tái)階堆載反壓方案，溝底全斷面堆載反壓碎石高度為30 m，護(hù)坡堆載反壓高度為30 m，從而達(dá)到增加邊坡前緣鎖固段滑動(dòng)面上的所受豎向應(yīng)力以間接提高其抗剪強(qiáng)度的目的。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，分臺(tái)階堆載反壓后的邊坡整體穩(wěn)定。邊坡加固方案如圖11所示，邊坡加固后的景觀如圖12所示。

圖11 吊坎壟邊坡加固方案Fig.11 Reinforcement scheme of Diaokanlang slope

圖12 吊坎壟邊坡加固后景觀Fig. 12 Landscape of Diaokanlang slope after reinforcement

對(duì)加固邊坡失穩(wěn)過(guò)程進(jìn)行模擬，得到分臺(tái)階堆載反壓邊坡平衡狀態(tài)的總位移云圖，如圖13 所示。從圖13 可見(jiàn)：與加固前相比，該邊坡的位移及破壞模式存在較大變化；原有中層潛在滑面的坡腳受到較強(qiáng)的反壓、約束作用，中層潛在滑面未見(jiàn)發(fā)育；深層塑性區(qū)同樣受到較大抑制，最大位移發(fā)生在坡體表層。

圖13 分臺(tái)階堆載反壓后邊坡總位移云圖Fig. 13 Displacement contour of slope after partition backpressure

分臺(tái)階堆載反壓后邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移演化見(jiàn)圖14。從圖14 可知：經(jīng)分臺(tái)階反壓后，從坡腳剪出的深層和中層潛在滑動(dòng)面的坡體安全系數(shù)超過(guò)1.30，淺層坡體安全系數(shù)為1.25，并且測(cè)點(diǎn)2 的水平位移稍大于測(cè)點(diǎn)1 的水平位移，說(shuō)明堆載反壓時(shí)，邊坡淺層潛在滑動(dòng)面的破壞模式呈牽引式。

圖14 分臺(tái)階堆載反壓后邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移演化Fig. 14 Displacement mutation law of measuring points after partition backpressure

分臺(tái)階堆載反壓后臨界邊坡塑性區(qū)分布見(jiàn)圖15。從圖15 可見(jiàn)：分臺(tái)階反壓對(duì)深層和中層潛在滑動(dòng)面上的失穩(wěn)源控制作用明顯，較大地提高了邊坡的深層和中層穩(wěn)定性；對(duì)邊坡淺層失穩(wěn)源具有一定的控制作用，需輔以錨桿防護(hù)。

圖15 分臺(tái)階堆載反壓后臨界邊坡塑性區(qū)分布Fig. 15 Distribution of plastic zones of critical slope after partition backpressure

5 結(jié)論

1) 吊坎壟前緣鎖固型峽谷邊坡的淺層變形失穩(wěn)機(jī)理為蠕滑—拉裂破壞。邊坡臨近坡面的破碎巖體因應(yīng)力集中率先出現(xiàn)損傷破壞和剪切變形，屬于邊坡淺層變形破壞的失穩(wěn)源。深層變形失穩(wěn)機(jī)理為滑移—拉裂—剪斷“三段”式破壞。在自重應(yīng)力場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，斷層F13中部最先產(chǎn)生剪切變形，為邊坡深層變形破壞的失穩(wěn)源。

2) 吊坎壟前緣鎖固型峽谷邊坡的淺層坡體在自然狀態(tài)下，塑性變形區(qū)從坡腳附近向上擴(kuò)展至邊坡中段后處于平衡狀態(tài)，邊坡淺層潛在滑動(dòng)面處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。由于前緣鎖固效應(yīng)，邊坡深層潛在滑動(dòng)面在自然狀態(tài)下處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3) 在隧道施工的爆破和機(jī)械等作用下，吊坎壟峽谷邊坡巖體經(jīng)歷損傷積累和抗剪強(qiáng)度降低，致使邊坡淺層和中層塑性區(qū)擴(kuò)展，并誘發(fā)了深部斷層F13中部形成塑性區(qū)，其為邊坡深層變形破壞的失穩(wěn)源，引發(fā)了吊坎壟峽谷邊坡整體沿深部斷層F13蠕滑變形，并被監(jiān)控量測(cè)的結(jié)果印證，邊坡整體處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。

4) 若在邊坡前緣鎖固巖體上開(kāi)挖抗滑樁或大量布置錨索且未及時(shí)澆筑混凝土，則鎖固巖體將出現(xiàn)較大損傷并形成新的塑性區(qū)，進(jìn)而會(huì)誘發(fā)深部斷層F13上的塑性變形區(qū)擴(kuò)張，致使邊坡沿深部斷層F13變形失穩(wěn)。經(jīng)過(guò)快速反壓，邊坡變形得到控制，避免了橋梁與隧道被損毀。