基于ABAQUS的變電站GIL管廊基坑邊坡穩(wěn)定性分析

孫曉雷, 夏 強(qiáng), 申 政

(山東送變電工程公司, 濟(jì)南 250000)

目前我國(guó)城市地上建設(shè)面積十分緊張,GIL管廊以其運(yùn)行安全、設(shè)備可靠、傳輸高效等優(yōu)勢(shì),在城市變電站建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。GIL管廊安全施工的前提是保證開挖基坑邊坡穩(wěn)定,邊坡的地層變形會(huì)導(dǎo)致坡面發(fā)生橫向位移,坡頂發(fā)生地面沉降,嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致土坡整體滑移失穩(wěn),嚴(yán)重影響施工安全[2-3]。而合理有效的坡面支護(hù)是控制地層變形的關(guān)鍵,因此有必要對(duì)GIL管廊土方開挖工程進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析,同時(shí)驗(yàn)證支護(hù)方案的合理性。

目前關(guān)于GIL管廊基坑邊坡穩(wěn)定性分析大多通過數(shù)值模擬進(jìn)行,通過強(qiáng)度折減法確定邊坡的安全系數(shù),指導(dǎo)實(shí)際工程在不同地層條件和工況下安全施工。陳國(guó)軍等[4]、董杰華等[5]運(yùn)用ABAQUS進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,采用強(qiáng)度折減法獲取邊坡安全系數(shù),發(fā)現(xiàn)在相同工況下地層黏聚力對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響最大。夏梓強(qiáng)和王新[6]通過ABAQUS實(shí)例分析發(fā)現(xiàn),認(rèn)為選擇合適邊坡材料特征的本構(gòu)模型,且對(duì)邊坡失穩(wěn)區(qū)域進(jìn)行局部強(qiáng)度折減計(jì)算得到的安全系數(shù)更準(zhǔn)確。劉明揚(yáng)等[7]利用ABAQUS模擬天然狀態(tài)與暴雨條件下的邊坡穩(wěn)定性,認(rèn)為坡頂處位移突變和塑性區(qū)是否貫通為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)時(shí),安全系數(shù)與實(shí)際工程更加貼合。徐田雨[9]驗(yàn)證了強(qiáng)度折減理論在有限元分析軟件ABAQUS中的適用性,總結(jié)了判斷邊坡破壞的條件。

本文依托某變電站新建工程,針對(duì)GIL管廊土方開挖工程邊坡穩(wěn)定性問題,采用ABAQUS模擬上軟下硬地層GIL管廊土方開挖邊坡地層變形情況,利用地應(yīng)力平衡法和強(qiáng)度折減法確定邊坡安全系數(shù),驗(yàn)證工程支護(hù)方案的合理性,進(jìn)而分析邊坡失穩(wěn)機(jī)理,為邊坡地層變形預(yù)測(cè)、支護(hù)方案確定提供參考。

1 工程概況

1.1 工程水文地質(zhì)條件

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告,在勘察范圍內(nèi),場(chǎng)地地層自上而下由雜填土、粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化火山角礫巖、強(qiáng)風(fēng)化火山角礫巖、中等風(fēng)化火山角礫巖組成。 各巖土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖土層物理力學(xué)參數(shù)

①雜填土:雜色,主要成分為黏性土及風(fēng)化巖石碎塊,層厚為0.20～2.40 m;②粉質(zhì)黏土:黃褐色,可塑狀態(tài)為主,局部硬塑,稍濕,該層局部分布,主要分布在站址區(qū)的西側(cè),層厚為1.20～2.10 m,層底埋深為2.50～4.50 m,層底標(biāo)高為21.19～23.88 m;③全風(fēng)化火山角礫巖:黃褐、紫紅色,原巖結(jié)構(gòu)全部破壞,呈砂狀,該層層厚為0.30～1.20 m,層底埋深為1.50～5.25 m,層底標(biāo)高為20.44～26.80 m。

④強(qiáng)風(fēng)化火山角礫巖:紫紅、灰黃色,火山角結(jié)構(gòu),班雜構(gòu)造,節(jié)理發(fā)育,呈塊狀局部泥巖、巖軟層,巖石質(zhì)量指標(biāo)(rock quality designation, RQD)約為30%～35%,巖芯采取率約為75%,該層層厚為1.10～6.80 m,層底深為1.50～8.00 m,層底標(biāo)高為18.69～30.41 m。⑤中等風(fēng)化火山角礫巖:紫紅、灰黃色,火山角結(jié)構(gòu)班雜構(gòu)造,節(jié)理發(fā)育呈塊狀、短狀,局部夾泥巖、砂巖軟弱夾層,RQD指標(biāo)約為60%～65%,巖芯采取率約為85%。本次勘測(cè)未穿透該層,最大揭露厚度為9.50 m。

擬建站址區(qū)域地下水類型主要為基巖裂隙水。大氣降水為其主要補(bǔ)給來源,蒸發(fā)和地下徑流為其排泄方式。勘測(cè)期間勘探深度范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)地下水,豐水季節(jié)會(huì)有臨時(shí)性的上層滯水存在。據(jù)調(diào)查,歷史最高水位埋深大于10 m。

1.2 施工設(shè)計(jì)方案

圖1是某變電站新建4.5 m×4.2 m(4.5 m×4.8 m)GIL管廊基坑土方開挖平面布置圖,GIL管廊總長(zhǎng)度為72.5 m,其中4.5 m×4.2 m管廊長(zhǎng)為62.5 m,4.5 m×4.8 m管廊長(zhǎng)為10 m,基坑呈“L”狀,開挖深度為5.1～6.7 m。

圖1 GIL管廊基坑開挖平面布置

圖2是土方開挖施工剖面布置圖,GIL管廊基坑開挖深度為5.1～6.7 m,地層復(fù)雜,采用自然放坡支護(hù)形式,強(qiáng)風(fēng)化巖層放坡坡率為1∶0.5,全風(fēng)化巖層和土層放坡坡率為1∶1.0,坡面噴射80 mm厚鋼筋混凝面層,掛單層Φ6.5@250×250鋼筋網(wǎng),將是Φ14鋼筋擊入土層固定鋼筋網(wǎng),鋼筋入土500 mm,間隔2 m。

單位:mm圖2 土方開挖施工剖面布置

2 模型建立及模擬方案

采用有限元分析軟件ABAQUS模擬上軟下硬地層GIL管廊土方開挖工程邊坡穩(wěn)定性,數(shù)值計(jì)算具體過程如下:①建立地層模型,施加初始應(yīng)力狀態(tài),進(jìn)行地應(yīng)力平衡,并獲取邊坡臨空面處的地應(yīng)力值;②邊坡開挖,坡面在地應(yīng)力釋放和自重作用下發(fā)生位移;③進(jìn)行強(qiáng)度折減,記錄坡面土體的位移、應(yīng)力狀態(tài)以及塑性區(qū);④當(dāng)出現(xiàn)位移突變、塑性區(qū)貫通、計(jì)算不收斂時(shí),可認(rèn)為邊坡失穩(wěn),終止計(jì)算[9-12]。

考慮GIL管廊基坑的對(duì)稱性,取一側(cè)邊坡建立三維模型進(jìn)行模擬,圖3是后建立的基坑沿線地層及開挖后邊坡模型。模型的邊界條件均為:上表面為自由邊界,下表面為固定約束,四周為法向約束,單元采用八結(jié)點(diǎn)線性六面體單元(C3D8)。計(jì)算中本構(gòu)關(guān)系遵循Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則,將邊坡特征部位位移突變作為邊坡失穩(wěn)的判據(jù)。

圖3 基坑邊坡有限元模型網(wǎng)格劃分

通過強(qiáng)度折減法[13]確定邊坡安全系數(shù),計(jì)算中將折減后的參數(shù)代入模型進(jìn)行重復(fù)計(jì)算,直到模型發(fā)生極限破壞,從而確定邊坡的安全系數(shù)Fs,折減后抗剪強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算公式為

cm=c/Fr

(1)

φm=arctan(tanφ/Fr)

(2)

式中:cm為強(qiáng)度折減后黏聚力,kPa;c為土體黏聚力,kPa;Fr為強(qiáng)度折減系數(shù);φm為強(qiáng)度折減后內(nèi)摩擦角,(°);φ為土體內(nèi)摩擦角,(°)。

3 沿線邊坡數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

分別開展不同工況的數(shù)值計(jì)算,通過地應(yīng)力平衡模擬開挖時(shí)地應(yīng)力釋放,然后進(jìn)行強(qiáng)度折減,直到出現(xiàn)位移突變中止計(jì)算,通過對(duì)比加固前后邊坡土體位移、應(yīng)力狀態(tài)、塑性區(qū)貫通情況以及安全系數(shù)變化,驗(yàn)證工程施工過程加固方案的合理性。

3.1 未加固工況模擬結(jié)果

圖4是未經(jīng)加固的沿線坡應(yīng)力云圖,由圖4可知,在邊坡臨空面應(yīng)力下降,這是由于土方開挖導(dǎo)致邊坡臨空面地應(yīng)力釋放,而在坡角處地方出現(xiàn)應(yīng)力集中,這是由地層變形相互擠壓導(dǎo)致。圖5是施加地應(yīng)力后地層的位移云圖,從圖5中可以看出,施加地應(yīng)力對(duì)模型的擾動(dòng)在極小的數(shù)量級(jí),因此可以忽略不計(jì),數(shù)值計(jì)算結(jié)果可靠[14]。

圖4 未加固邊坡應(yīng)力云圖

圖5 施加地應(yīng)力后地層位移云圖

圖6是未經(jīng)加固的沿線坡位移云圖,從圖中可以看出,第二層粉質(zhì)黏土處(特征點(diǎn)A)和最下層坡面中心處(特征點(diǎn)B)均出現(xiàn)較大的橫向位移,同時(shí)坡頂面出現(xiàn)了較大的縱向位移,表現(xiàn)為地面沉降,這是由于地應(yīng)力釋放導(dǎo)致地層發(fā)生位移,同時(shí)在自重影響下,上層軟弱土層自承能力差,下層坡腳也出現(xiàn)較大位移,邊坡有整體滑移的趨勢(shì)。而在下層承臺(tái)處發(fā)生較大的Y正方向位移,這是由于模型縱深和Z方向約束導(dǎo)致單元擠壓,實(shí)際工程中只有發(fā)生整體滑移才會(huì)在承臺(tái)處出現(xiàn)較大向上的豎直位移。

圖6 未加固邊坡位移云圖

圖7是未經(jīng)加固的沿線坡塑性應(yīng)變?cè)茍D,從圖中可以看出,邊坡塑性應(yīng)變呈現(xiàn)沿地層分布現(xiàn)象,第二層粉質(zhì)黏土層出現(xiàn)較大的塑性區(qū),貫通至上層雜填土,下層巖質(zhì)邊坡承載能力較好,未出現(xiàn)貫通性破壞面,只在坡角處出現(xiàn)塑性區(qū),變形模式屬于彎曲-拉裂[15]。

圖7 未加固邊坡塑性應(yīng)變?cè)茍D

3.2 掛鋼筋網(wǎng)噴混凝土面層加固工況模擬結(jié)果

經(jīng)過掛鋼筋網(wǎng)噴混凝土面層對(duì)邊坡進(jìn)行加固,并用土釘固定鋼筋網(wǎng)后,邊坡穩(wěn)定性明顯提高。圖8是經(jīng)過加固的沿線邊坡位移云圖,相較于未加固的邊坡,邊坡位移明顯減小,特征點(diǎn)A 處最大橫向位移由1.62 mm減小至0.64 mm,減小60.5%,由于掛鋼筋網(wǎng)噴射混凝土面層和土釘?shù)募s束作用,坡頂最大沉降由未加固時(shí)的7.52 mm不再出現(xiàn),最大豎直位移出現(xiàn)在表面,可認(rèn)為是由兩種不同材料接觸導(dǎo)致。圖9是經(jīng)過加固的沿線邊坡塑性應(yīng)變?cè)茍D,從圖中可以看出,加固后的邊坡塑性應(yīng)變大幅下降,塑性區(qū)明顯減小,呈現(xiàn)散亂分布,不存在整體貫通的塑性區(qū)[16-18]。

圖8 加固后邊坡位移云圖

圖9 加固后邊坡塑性應(yīng)變?cè)茍D

圖10是通過提取特征點(diǎn)A和B水平位移和強(qiáng)度折減系數(shù)作的關(guān)系曲線,其拐點(diǎn)即為邊坡的安全系數(shù),從圖中可以看出,未加固邊坡安全系數(shù)FS為0.987,加固后邊坡安全系數(shù)FS為1.527,增大54.7%,證明施工中采取的掛鋼筋網(wǎng)噴混凝土面層加固方案能夠有效加固邊坡,增加其穩(wěn)定性。

圖10 特征點(diǎn)A水平位移隨強(qiáng)度折減系數(shù)變化

4 “L”狀邊坡穩(wěn)定性數(shù)值計(jì)算結(jié)果

鑒于本工程GIL管廊設(shè)計(jì)的特殊性,單獨(dú)分析拐角處“L”狀邊坡的穩(wěn)定性,以驗(yàn)證支護(hù)方案的可行性。圖11是 “L”狀邊坡有限元模型網(wǎng)格劃分、模擬結(jié)果應(yīng)力云圖、位移云圖和塑性應(yīng)變?cè)茍D,從圖中可以看出,邊坡未出現(xiàn)應(yīng)力集中點(diǎn),說明內(nèi)部沒有因較大位移而產(chǎn)生潛在危險(xiǎn)點(diǎn),邊坡未出現(xiàn)連續(xù)貫通的塑性區(qū),未出現(xiàn)整體滑移,最大位移為0.681 mm,安全系數(shù)為1.374,滿足要求。由此可以驗(yàn)證, GIL管廊基坑“L”狀邊坡處于安全穩(wěn)定狀態(tài),因此施工中采取的掛鋼筋網(wǎng)噴混凝土面層加固方案合理可行。

圖11 基坑“L”狀邊坡穩(wěn)定性數(shù)值計(jì)算結(jié)果

圖12 開挖面被動(dòng)破壞顆粒位移示意圖

5 邊坡失穩(wěn)形成機(jī)理分析

隨著基坑土方開挖,邊坡臨空面應(yīng)力得到釋放,地層有向臨空面位移的趨勢(shì),不斷被擠壓密實(shí),在自重作用下,進(jìn)而形成潛在滑移體,本工程中地層較為復(fù)雜,呈現(xiàn)上軟下硬特點(diǎn)。不同地層的物理力學(xué)參數(shù)不同,導(dǎo)致出現(xiàn)多個(gè)不同時(shí)間形成、不同規(guī)模的潛在滑移體,當(dāng)多個(gè)滑移面相互貫通時(shí),邊坡即發(fā)生整體失穩(wěn)。而下部巖層會(huì)因地應(yīng)力釋放和重力作用,以楔形體滑移模式對(duì)坡腳形成擠壓作用,形成應(yīng)力集中,當(dāng)坡腳應(yīng)力超過巖體屈服應(yīng)力時(shí),邊坡出現(xiàn)整體破壞[19-20]。

6 結(jié)論

(1)強(qiáng)度折減法可以通過ABAQUS模擬有效實(shí)現(xiàn),通過特征點(diǎn)位移拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)即為安全系數(shù)。

(2)經(jīng)過加固后,邊坡的最大位移減小60.5%,地面沉降不再出現(xiàn),安全系數(shù)由原來的0.987提高至1.527,增大54.7%,邊坡塑性區(qū)明顯減少,穩(wěn)定性顯著提高,“L”狀坡安全系數(shù)為1.325,加固方案合理有效可行,可以為類似GIL管廊基坑邊坡工程提供借鑒。

(3)上軟下硬地層邊坡開挖時(shí),上部軟弱土層形成按地層分布的多個(gè)潛在滑移面,上部當(dāng)內(nèi)部塑性區(qū)貫通時(shí),邊坡發(fā)生整體滑移。而下部巖層會(huì)因地應(yīng)力釋放和重力作用,以楔形體滑移模式對(duì)坡腳形成擠壓作用。