開挖擾動(dòng)誘發(fā)的某高邊坡變形破壞過程分析

針對(duì)廣西某高邊坡施工過程中出現(xiàn)的變形破壞問題，文章通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析了邊坡的主要地質(zhì)結(jié)構(gòu)和破壞模式，采用數(shù)值模擬方法分析了邊坡開挖前后水平最大主應(yīng)力變化規(guī)律，給出了以應(yīng)力變化為指標(biāo)的開挖擾動(dòng)系數(shù)定義方法，并對(duì)開挖擾動(dòng)進(jìn)行了分區(qū)，進(jìn)而研究了層面、節(jié)理裂隙和開挖擾動(dòng)下邊坡的變形破壞演化過程。結(jié)果表明：開挖擾動(dòng)對(duì)邊坡變形穩(wěn)定性具有重要影響，無(wú)擾動(dòng)區(qū)時(shí)邊坡安全系數(shù)為1.05，處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，考慮擾動(dòng)分區(qū)后下降為0.97，發(fā)生變形破壞；在開挖擾動(dòng)影響下邊坡破壞模式為中上部受順層層面張裂控制的折線型破壞，下部沿強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化界面近圓弧剪出的整體破壞模式。

高陡邊坡；變形破壞；開挖擾動(dòng)系數(shù)；擾動(dòng)分區(qū)；數(shù)值模擬

U416.1+4A140404

作者簡(jiǎn)介：

黎照洪（1990—），工程師，主要從事交通巖土工程工作。

0" 引言

廣西地區(qū)的高速公路多建在山區(qū)和丘陵地帶，這些區(qū)域普遍存在地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、節(jié)理裂隙發(fā)育等不良地質(zhì)條件，該區(qū)域的路塹高邊坡在施工過程中極易對(duì)不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擾動(dòng)，誘發(fā)變形破壞。開展開挖卸荷對(duì)坡體的擾動(dòng)影響，研究不良地質(zhì)在施工過程中的變形演化規(guī)律是保障施工安全和優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵［1-2］。

施工擾動(dòng)導(dǎo)致不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)而誘發(fā)邊坡變形破壞是一個(gè)復(fù)雜過程，難以采用理論方法對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)分析，通常采用極限平衡法計(jì)算其安全系數(shù)［3］或數(shù)值模擬方法研究其變形破壞過程，進(jìn)而評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性［4-5］。如潘勇［6］等采用離散單元方法研究了節(jié)理裂隙影響邊坡開挖過程塑性區(qū)的發(fā)展演化和變形滑塌過程與軌跡；許建文［7］、朱志廣［8］等采用有限元方法研究了坡度、傾角、坡比等因素影響下順層路塹高邊坡的整體變形過程，評(píng)價(jià)了其穩(wěn)定性和支護(hù)效果；汪益敏［9］等依據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析了邊坡變形特征，進(jìn)而采用強(qiáng)度折減數(shù)值方法，模擬了降雨對(duì)粉砂巖路塹高邊坡變形的影響規(guī)律和破壞特征，并給出了基于安全控制的施工優(yōu)化方案。這些研究成果豐富了復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下路塹高邊坡變形破壞演化過程的認(rèn)識(shí)，為研究開挖擾動(dòng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響提供了可靠的分析方法和手段。

本文針對(duì)開挖卸荷對(duì)邊坡變形的影響問題，以廣西河池市天峨縣境內(nèi)某高陡路塹邊坡為依托，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的邊坡變形破壞特征，建立數(shù)值分析模型，通過分析開挖擾動(dòng)系數(shù)的變化規(guī)律，合理劃分開挖擾動(dòng)分區(qū)，進(jìn)而研究開挖擾動(dòng)下邊坡變形、節(jié)理裂隙張裂與滑移的演化規(guī)律，綜合分析邊坡的破壞模式和特征。

1" 工程簡(jiǎn)介

1.1" 地質(zhì)與施工條件

依托工程位于廣西河池市天峨縣境內(nèi)，邊坡高約70 m，長(zhǎng)約225 m，屬剝蝕低山地貌，自然坡產(chǎn)狀為281°/SW∠23°，坡面覆層為褐黃色硬塑狀黏土，厚1.0～2.0 m，以下為三疊系中統(tǒng)褐黃色粉砂巖，強(qiáng)-中風(fēng)化，巖體破碎，巖質(zhì)較軟，巖層產(chǎn)狀為266°/SE∠61°；巖體發(fā)育有兩種節(jié)理裂隙，其產(chǎn)狀分別為：J1：331°/SW∠88°和J2：59°/NW∠24°，密度為2～3條/m。邊坡采用臺(tái)階式開挖，每10 m設(shè)置一級(jí)臺(tái)階，坡高比為1∶1.25。坡面采用錨桿（索）格梁+掛網(wǎng)噴播的方式支護(hù)，錨桿入射角為15°，長(zhǎng)度為12 m，抗拔力設(shè)計(jì)值為120 kN，見圖1。

1.2" 開挖過程中的變形破壞

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查，邊坡變形與破壞原因?yàn)椋?022-01-01在邊坡平臺(tái)出現(xiàn)細(xì)小裂縫，1月3日在2級(jí)坡腳出現(xiàn)裂縫，至1月6日裂縫快速發(fā)展并出現(xiàn)大面積滑塌，此時(shí)正在開展1級(jí)邊坡開挖，2～5級(jí)邊坡錨桿施工已完成；依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)深部水平位移監(jiān)測(cè)孔數(shù)據(jù)，在2級(jí)平臺(tái)16.5 m處和4級(jí)平臺(tái)25～30 m處出現(xiàn)變形突變，變形量分別為15 mm和10 mm（見圖2），位于強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化交界面附近。1～5級(jí)平臺(tái)發(fā)生第一次牽引式滑動(dòng)變形破壞后，逐漸向上發(fā)展至第6級(jí)和第7級(jí)邊坡，出現(xiàn)了二次滑動(dòng)和三次滑動(dòng)，見圖3。

綜合圖1～3和現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察，該邊坡變形破壞特征為：邊坡變形破壞分3個(gè)滑動(dòng)過程，逐級(jí)向上牽引滑動(dòng)；邊坡上部為順巖層滑動(dòng)，下部為強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化界面滑動(dòng)，在剪出口存在沿節(jié)理的錯(cuò)動(dòng)隆起變形；邊坡變形破壞的主要影響因素為層面、節(jié)理裂隙和開挖擾動(dòng)。

1.3" 巖體力學(xué)參數(shù)取值

以勘察設(shè)計(jì)資料給出的巖體力學(xué)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，結(jié)合相關(guān)規(guī)范推薦的取用值范圍，選取了用于數(shù)值分析的計(jì)算使用參數(shù)，見表1～2。

2" 開挖擾動(dòng)區(qū)分析

2.1" 開挖擾動(dòng)系數(shù)

邊坡開挖卸荷過程中會(huì)對(duì)初始應(yīng)力產(chǎn)生擾動(dòng)，應(yīng)力的改變將導(dǎo)致坡體力學(xué)性質(zhì)的變化，在此將開挖前后應(yīng)力差值與初始應(yīng)力的比值定義為開挖擾動(dòng)系數(shù)λEDZ，見式（1）：

λEDZ=σH－σ′H）/σH（1）

式中：σH——初始最大水平主應(yīng)力（MPa）；

σ′H——開挖后最大水平主應(yīng)力（MPa）。

λEDZ＞1時(shí)為拉應(yīng)力區(qū)，0.5～1.0時(shí)為強(qiáng)擾動(dòng)區(qū)、0.2～0.5為弱擾動(dòng)區(qū)、0～0.2為未擾動(dòng)、＜0時(shí)為應(yīng)力集中區(qū)。與之對(duì)應(yīng)的巖體力學(xué)參數(shù)取值為：拉應(yīng)力區(qū)對(duì)該區(qū)的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行0.7倍折減、強(qiáng)擾動(dòng)區(qū)參數(shù)折減系數(shù)取0.5、弱擾動(dòng)區(qū)參數(shù)折減系數(shù)取0.8、應(yīng)力集中區(qū)參數(shù)保持不變。

2.2" 卸荷擾動(dòng)區(qū)范圍分析

以圖1的地質(zhì)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，建立無(wú)層面和無(wú)節(jié)理裂隙的數(shù)值分析模型，模型長(zhǎng)180 m，高約100 m，采用Phase2有限元分析軟件開展施工開挖支護(hù)全過程模擬，研究開挖完成后在水平方向坡體開挖擾動(dòng)系數(shù)λEDZ的變化規(guī)律。數(shù)值模擬條件為：

（1）約束條件：在模型底部采用固定約束，在模型側(cè)面采用法向約束。

（2）應(yīng)力條件：施加自重應(yīng)力和水平構(gòu)造應(yīng)力，水平構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)為0.8。

（3）分析步驟：逐級(jí)開挖、逐級(jí)支護(hù)，開挖完成后采用強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡安全系數(shù)。

（4）巖體力學(xué)參數(shù)：按照表1和表2取值。

對(duì)邊坡開挖臺(tái)階處取8條指向坡內(nèi)的水平線，用以分析開挖前后λEDZ的變化規(guī)律，見圖4。

由圖4可知：

（1）邊坡頂部為拉應(yīng)力區(qū)，寬度約為2 m，λEDZ最大值約為1.2，即開挖后水平方向產(chǎn)生了20%的水平最大主應(yīng)力量值的拉應(yīng)力。

（2）邊坡底部為應(yīng)力集中區(qū)，范圍約為4 m，λEDZ最小值約為-1.6，即開挖后水平最大應(yīng)力增加了60%。

（3）邊坡中部為開挖卸荷擾動(dòng)區(qū)，λEDZ最大值約為0.6，即開挖后水平最大應(yīng)力降低了60%，應(yīng)力卸荷擾動(dòng)范圍從上至下逐漸增加，強(qiáng)擾動(dòng)區(qū)范圍為5～12.7 m，弱擾動(dòng)區(qū)范圍為3.8～24.3 m。

（4）以λEDZ的變化規(guī)律劃分了開挖后邊坡的擾動(dòng)范圍，見下頁(yè)圖5。

3" 邊坡變形破壞過程分析

3.1" 分析條件與方案

從前文分析可知，邊坡變形破壞主要受到層面、節(jié)理裂隙和開挖擾動(dòng)的影響，以邊坡開挖擾動(dòng)分區(qū)建立變形破壞過程分析模型。分析條件如下：

（1）模型中層面間距為2 m，節(jié)理裂隙采用貫通接力單元，其間距為0.5 m，因潛在滑動(dòng)面底部為強(qiáng)風(fēng)化巖層與中風(fēng)化巖層交界面，為增加數(shù)值計(jì)算效率，故而層面和結(jié)構(gòu)面未穿過中風(fēng)化巖層。

（2）為研究開挖擾動(dòng)的影響，設(shè)置2種研究方案，分別為擾動(dòng)區(qū)和無(wú)擾動(dòng)區(qū)。

（3）無(wú)擾動(dòng)區(qū)參數(shù)按照表1和表2取值，擾動(dòng)區(qū)按前文所述取值。

3.2" 無(wú)擾動(dòng)區(qū)變形過程分析

圖6為無(wú)擾動(dòng)區(qū)條件下邊坡開挖完成后的變形形態(tài)和節(jié)理裂隙分布圖。由圖可知：邊坡開挖完成后的安全系數(shù)為1.05，處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)；開挖后邊坡的最大變形量值出現(xiàn)在邊坡中部，量值約為11 mm，深度范圍約為5 m；開挖后邊坡變形主要受層面影響，表現(xiàn)為順層滑動(dòng)，至強(qiáng)風(fēng)化巖層與中風(fēng)化巖層交界區(qū)域；坡面淺表層受節(jié)理裂隙影響，出現(xiàn)小塊滑落；邊坡雖出現(xiàn)一定變形滑動(dòng)跡象，但并未出現(xiàn)明顯的裂縫，潛在滑動(dòng)面為層面和節(jié)理裂隙的滑移底部。

3.3" 開挖擾動(dòng)下邊坡變形破壞過程分析

圖7為擾動(dòng)區(qū)條件下邊坡開挖過程中的變形演化過程。由圖可知：

（1）當(dāng)邊坡開挖至第4和第3級(jí)平臺(tái)時(shí)，變形量值約為22 mm，受開挖擾動(dòng)影響，節(jié)理裂隙出現(xiàn)一定的張裂，致使坡表出現(xiàn)小范圍的潰散，但未出現(xiàn)明顯的滑動(dòng)跡象。

（2）當(dāng)開挖至第2級(jí)平臺(tái)時(shí)，巖層層面在邊坡中下部出現(xiàn)張裂，但對(duì)邊坡上部影響不明顯，此時(shí)上部變形量值為4 mm，2～4級(jí)平臺(tái)變形量約增加了7 mm。

（3）當(dāng)邊坡開挖完成后，巖層層面進(jìn)一步張裂，并發(fā)生順層滑移，出現(xiàn)了明顯的滑動(dòng)面和后緣邊界，此時(shí)邊坡頂部變形量值增加到11 mm，2～4級(jí)平臺(tái)最大變形量可達(dá)40 mm。

（4）邊坡變形表現(xiàn)出兩種滑動(dòng)特征，分別為：在2～4級(jí)的局部破壞和從坡頂至1級(jí)邊坡中部的整體滑動(dòng)（安全系數(shù)為0.97），整體滑動(dòng)受順層層面張裂滑移影響，其后緣邊界有繼續(xù)向后發(fā)展的趨勢(shì)，這種變形破壞形態(tài)和模式與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查基本一致，即上部受層面控制的折線型變形滑移，下部為近圓弧的變形滑動(dòng)剪出。

（5）邊坡在中上部主要受層面張裂滑移影響，變形破壞范圍大于開挖擾動(dòng)區(qū)，在下部主要表現(xiàn)為沿強(qiáng)、中風(fēng)化界面滑動(dòng)，變形破壞范圍與開挖擾動(dòng)區(qū)基本重合。

（6）與無(wú)擾動(dòng)區(qū)對(duì)比可以看出，在下部滑動(dòng)區(qū)域范圍基本一致，但在中上部擾動(dòng)區(qū)后邊坡滑動(dòng)范圍明顯大于無(wú)擾動(dòng)區(qū)條件；無(wú)擾動(dòng)時(shí)邊坡在后緣呈下滑變形，結(jié)構(gòu)面的拉裂不明顯，有擾動(dòng)區(qū)時(shí)后緣破壞表現(xiàn)為明顯的結(jié)構(gòu)面拉裂特征，且逐漸向后緣擴(kuò)展，這種破壞模式與現(xiàn)場(chǎng)多級(jí)拉裂的后緣破壞模式更加吻合，與之對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)從1.05減少到0.97，即從穩(wěn)定到失穩(wěn)轉(zhuǎn)換。因而以邊坡開挖應(yīng)力變化定義開挖擾動(dòng)系數(shù)能有效反應(yīng)開挖過程中卸荷對(duì)坡體擾動(dòng)的影響，合理劃分邊坡開挖擾動(dòng)區(qū)可較好地反映邊坡真實(shí)的變形與破壞狀態(tài)。

4" 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)開挖擾動(dòng)誘發(fā)的高邊坡變形破壞問題，通過引入開挖擾動(dòng)系數(shù)及其對(duì)應(yīng)的擾動(dòng)分區(qū)，采用有限元法分析了層面和節(jié)理裂隙控制下的邊坡變形破壞過程，得到如下結(jié)論：

（1）以邊坡開挖應(yīng)力變化定義的開挖擾動(dòng)系數(shù)能有效反映開挖過程中卸荷對(duì)坡體擾動(dòng)的影響，合理劃分邊坡開挖擾動(dòng)區(qū)可較好地反映邊坡真實(shí)的變形與破壞狀態(tài)。

（2）開挖擾動(dòng)對(duì)邊坡變形穩(wěn)定性具有重要影響，邊坡在無(wú)擾動(dòng)區(qū)時(shí)的整體安全系數(shù)為1.05，處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，考慮擾動(dòng)分區(qū)后安全系數(shù)下降為0.97，發(fā)生變形破壞。

（3）邊坡在開挖擾動(dòng)影響下表現(xiàn)為順層層面張裂，進(jìn)而拉裂后緣，底部沿強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化界面變形剪出的整體變形破壞模式，滑動(dòng)面在上部為折線，下部近圓弧。

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20240303