緩傾順層巖質(zhì)邊坡變形數(shù)值模擬及處治方案研究

趙久歡　于　萌　劉　品

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司　貴陽　550081)

緩傾順層巖質(zhì)邊坡變形數(shù)值模擬及處治方案研究

趙久歡于萌劉品

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司貴陽550081)

摘要以黃花互通D匝道邊坡為依托，采用FLAC軟件對邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬，探討了水力作用對邊坡變形破壞的影響；分析了預(yù)應(yīng)力錨桿邊坡加固前后模型水平位移變化。研究表明，加固后邊坡穩(wěn)定性大為改善，在水力作用下，邊坡各處位移也非常小，甚至小于加固后無水力作用的情況。通過現(xiàn)場邊坡位移監(jiān)控，評價(jià)了該邊坡處治效果。

關(guān)鍵詞順層巖質(zhì)邊坡數(shù)值模擬預(yù)應(yīng)力錨桿穩(wěn)定性系數(shù)現(xiàn)場監(jiān)測

針對順層問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了深入研究。概括來說，順層邊坡變形破壞機(jī)理為以下幾種形式：滑移破壞型、潰曲破壞型、滑移-壓致拉裂型[1-2]。程強(qiáng)[3]等研究表明，邊坡變形破壞一般經(jīng)歷開挖后應(yīng)力重新調(diào)整、陡傾裂隙、節(jié)理不斷發(fā)展、最終演變成變形破壞這3個(gè)階段。同時(shí)，邊坡坡角和地層構(gòu)造巖體的傾角比較相近時(shí)，此類邊坡有較大可能發(fā)展成為滑坡。對于順層緩傾角邊坡的破壞變形機(jī)理認(rèn)識還不是很清楚，通常情況下認(rèn)為它與巖體邊坡體的彎曲變形破壞有關(guān)[4]。

雖然目前在順層邊坡的破壞機(jī)制、穩(wěn)定性分析、治理方法等方向的研究獲得了不少成果，但是依然存在以下不足：①對各個(gè)影響因素的評價(jià)沒有形成量化指標(biāo)；②為了便于研究分析計(jì)算通常忽略巖體中的一些作用力不計(jì)，這必然導(dǎo)致分析計(jì)算結(jié)果的偏差；③通常只是把邊坡當(dāng)做整體處理，未能考慮內(nèi)部巖體存在的裂隙、節(jié)理，很難與實(shí)際所匹配。

本文從現(xiàn)場順層處治方法、數(shù)值模擬、現(xiàn)場位移監(jiān)測這3個(gè)方面，論述了高速公路順層邊坡的破壞機(jī)理和處治技術(shù)研究。

1工程概況

黃花互通D匝DK0+170～DK0+300段挖方路基右側(cè)邊坡發(fā)生大面積滑移，滑移體厚6～7m，裂縫最大寬度達(dá)到10m；通過分析得邊坡滑移原因?yàn)椋夯露螢閹r質(zhì)邊坡，巖性為中厚層狀泥灰?guī)r夾泥質(zhì)頁巖，泥質(zhì)頁巖夾層厚3～5cm，質(zhì)地軟弱、抗風(fēng)化能力差且遇水軟化，屬層間軟弱夾層；滑坡段為順向坡，巖層傾角8°～12°，滑面上方巖體裂隙發(fā)育，將巖體切割成塊狀、巨塊狀、透水性好。路基開挖后破碎巖體臨空，加上降水頻繁，大氣降水入滲后受到泥質(zhì)頁巖阻隔并沿泥質(zhì)頁巖不斷滲流，在這一過程中泥質(zhì)頁巖發(fā)生軟化，形成滑動面。鑒于此，針對本邊坡提出以下處治方案。

(1) 確定將該段滑移體以及滑動面范圍內(nèi)不穩(wěn)定的巖體全部進(jìn)行卸載。

(2) 確定在邊坡平臺及卸載后的坡面采用預(yù)應(yīng)力錨桿對下部巖層進(jìn)行加固；邊坡平臺處設(shè)置2道鋼筋混凝土地梁。

(3) 確定DK0+110～DK0+250段邊坡采用主動柔性掛網(wǎng)防護(hù)，DK0+250～DK0+395段采用挖方邊坡掛網(wǎng)植爬壁藤防護(hù)。

2支護(hù)體系模型

2.1模型條件

根據(jù)邊坡幾何形態(tài)，借助FLAC程序建立邊坡模型見圖1，模型土層參數(shù)見表1。

圖1　邊坡FLAC模型和監(jiān)控點(diǎn)布設(shè)位置圖

巖石類別密度/(kg·m-3)泊松比μ彈性模量/MPa剪切模量/MPa抗剪強(qiáng)度粘聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)吸水率/%孔隙率/%頁巖 26000.304000011.7218281.12.4泥質(zhì)頁巖 17000.403000014.535122.35.8微風(fēng)化灰?guī)r27000.204000067.3529450.94.6

2.2工況設(shè)計(jì)

數(shù)值模擬過程中，設(shè)定計(jì)算工況是必要環(huán)節(jié)。結(jié)合工程實(shí)際，對本邊坡進(jìn)行4種工況計(jì)算：

工況1，天然開挖狀態(tài)，無水力作用。

工況2，降雨擾動開挖狀態(tài)，有水力作用。

工況3，加固天然開挖狀態(tài)，無水力作用，開挖過程采用加固措施。

工況4：降雨擾動加固開挖狀態(tài)，有水力作用，開挖過程采用加固措施。

3結(jié)果分析

通過FLAC數(shù)值模擬比較各種工況和邊坡的穩(wěn)定性。在滑坡研究過程中，最關(guān)心的是邊坡的水平位移，主要監(jiān)測和研究對象是水平位移[5-7]。

由以下各工況的位移云圖(見圖2)可清晰看出，邊坡各處發(fā)生位移情況。顯然，結(jié)構(gòu)面上部巖土體發(fā)生位移較大，下部巖土體發(fā)生位移較?。辉谔烊婚_挖情況下，邊坡的水平位移較小，但是一旦有水力作用沒有加固措施時(shí)，邊坡水平位移劇增，出現(xiàn)失穩(wěn)。邊坡在滑動過程中前緣部分先發(fā)生滑動，后緣部分后發(fā)生滑動；并且前緣坡腳處滑動速度大于前緣坡頂處滑移速度。加固后邊坡滑床(滑面下)和滑帶(滑面上)上的土體位移差別很小，通過預(yù)應(yīng)力錨桿的連接作用，使得工況3和工況4在加固后的水平位移云圖更加均勻，整個(gè)邊坡體表現(xiàn)為一個(gè)整體。

圖2　各工況水平位移云圖

為了便于分析，選擇了工況1中布設(shè)監(jiān)控點(diǎn)的3，4，5，6水平位移變化情況，見圖3，對邊坡穩(wěn)定的情況進(jìn)行分析，其中水平位移的單位為m。其中：時(shí)步(step)的含義是在非線性問題或瞬態(tài)動力學(xué)問題求解中使用，是每一次迭代求解的步長，并沒有明確的單位。時(shí)步數(shù)越大，表征的時(shí)間越長，在實(shí)際工程中特別是在計(jì)算位移時(shí)候能夠表示時(shí)間。見圖3。

各位移監(jiān)控點(diǎn)中，3號和4號、5號和6號監(jiān)控點(diǎn)就是分別布置滑動面上下的監(jiān)控點(diǎn)。通過它們的位移曲線對比，很顯然，模擬結(jié)果顯示邊坡已經(jīng)滑動。其中：3號監(jiān)控點(diǎn)的位移量要比4號監(jiān)控點(diǎn)的位移量大得多；5號監(jiān)控點(diǎn)的位移量要比6號監(jiān)控點(diǎn)的位移量大得多，而3號(滑帶上)監(jiān)控點(diǎn)與5號(滑帶上)監(jiān)控點(diǎn)位移曲線基本保持一致，4號(滑床上)和6號(滑床上)也是如此。通過對該邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬分析，計(jì)算得出的穩(wěn)定性系數(shù)僅為0.90，換言之，即使無其他因素干擾，只在重力因素作用下該邊坡都會發(fā)生滑動。邊坡不穩(wěn)定。

工況2計(jì)算分析過程中，由于水力作用影響，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)應(yīng)該更低。在自身重力作用，外加水力作用影響條件下，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)僅為0.51，發(fā)生滑坡災(zāi)害可能性極大。這是因?yàn)椋阂环矫娼涤甑臐B入加大了邊坡巖土體的自身重力，使邊坡下滑力增大；另一方面，地表水滲入結(jié)構(gòu)面，溶解部分結(jié)構(gòu)面物質(zhì)，同時(shí)使結(jié)構(gòu)面軟化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度減小。由于工程周期比較長，降雨是不可避免的，因此，在邊坡施工之前，需要進(jìn)行安全性的分析論證，從而避免在施工過程中由于降雨而發(fā)生邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象。

工況3是邊坡開挖后，無水力作用，在自重應(yīng)力作用下，采取加固措施后邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)。在邊坡布設(shè)6排預(yù)應(yīng)力錨桿作為加固措施。研究表明，打入錨桿以后，邊坡發(fā)生變形移動位移很小，而且變形一段時(shí)間后曲線趨于平緩。同時(shí)邊坡穩(wěn)定系數(shù)滿足要求。根據(jù)位移云圖可以看出，云圖較為規(guī)則，沒有大位移和特殊地段的存在，說明預(yù)應(yīng)力錨桿加固可以起到很好的加固效果。

選出工況3中3，4，5，6滑動面上下的監(jiān)控點(diǎn)，見圖4，通過它們的位移曲線對比，得出3號監(jiān)控點(diǎn)的位移要比4號監(jiān)控點(diǎn)的位移大，但是差別很??；5號位移同樣大于6號監(jiān)控點(diǎn)，差別也不大。說明通過預(yù)應(yīng)力錨桿的加固作用使得邊坡變成了一個(gè)整體，減小了滑面上、下位移差別，有效地防治了滑坡的產(chǎn)生。

圖3　工況1監(jiān)控點(diǎn)3，4，5，6水平位移-施工步序圖

圖4　工況3監(jiān)控點(diǎn)3，4，5，6水平位移-施工步序圖

工況4是在工況3的基礎(chǔ)上增加了水力條件的影響。根據(jù)模型研究結(jié)果可知，即使在降雨條件下，加固后的邊坡穩(wěn)定性也是很好的，不存在邊坡滑動的趨勢，其中滑移面上下土體的水平位移差距比較比工況3更小，各點(diǎn)的水平位移更小。由位移云圖可以得出，工況4在加固后邊坡的水平位移非常小，此處不再列出控制點(diǎn)水平位移與施工步序圖了。通過對不同工況的計(jì)算分析，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1) 不經(jīng)過防護(hù)直接開挖，順層邊坡發(fā)生失穩(wěn)幾率很大。

(2) 邊坡在滑動過程中前緣部分先發(fā)生滑動，后緣部分后發(fā)生滑動；并且前緣坡腳處滑動速度大于前緣坡頂處滑移速度。

(3) 加固后工況3和工況4，在沒有水力作用時(shí)水平位移反而大于有水力作用的水平位移，并且都在控制范圍內(nèi)，所以預(yù)應(yīng)力錨索加固邊坡引起邊坡應(yīng)力的重分配是良性的，說明邊坡支護(hù)方式是成功的。

4邊坡處治方案效果評價(jià)

除了采用數(shù)字模擬分析，更具有說服力的評價(jià)方式是在處治后的邊坡現(xiàn)場布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，通過監(jiān)測結(jié)果來說明邊坡的運(yùn)動狀態(tài)，見圖5，6，進(jìn)而對邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)進(jìn)行評價(jià)。

圖5　邊坡變形過程各監(jiān)控點(diǎn)位移圖

圖6　邊坡治理后各監(jiān)控點(diǎn)位移增量圖

治理之后通過對邊坡各監(jiān)控點(diǎn)的監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)部分監(jiān)控點(diǎn)剛開始位移量略有增加，隨著時(shí)間推移邊坡各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)位移增量趨于0，表明邊坡變形過程結(jié)束，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)也說明治理措施取得良好的效果。

5結(jié)論

(1) 總結(jié)分析了影響層狀巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的因素，認(rèn)為該類型邊坡穩(wěn)定性影響因素可歸納為內(nèi)在因素和外在因素；其中外因中水力作用對邊坡破壞有舉足輕重的作用，水對邊坡作用很復(fù)雜，有軟化、潤滑、溶解等作用。

(2) 預(yù)應(yīng)力錨桿框架等新型支護(hù)方式在工程中運(yùn)用并取得良好的治理效果，并且很好地解決了水力作用時(shí)邊坡失穩(wěn)的穩(wěn)定問題，使得即使在水力作用下，邊坡位移分布也是良性的。

(3) 對可能發(fā)生開挖失穩(wěn)的邊坡宜采用邊開挖邊加固的施工方式。

(4) 本模型也存在一些缺點(diǎn)和不足：在邊坡數(shù)值模擬過程中，參數(shù)選擇有待改善；水力對邊坡的作用是個(gè)復(fù)雜的過程，有待深入研究。

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收稿日期：2014-11-05

NumericalSimulationandTreatmentMethod
ResearchonFlatBeddingRockSlopeDeformation

Zhao Jiuhuan，Yu Meng，Liu Ping

(GuizhouTransportationPlanningSurvey&DesignAcademeCo.,Ltd.,Guiyang550081,China)

Abstract：Based on the engineering project of Huanghua interchange D ramp, the numerical simulation of slope is performed to investigate the influence of hydraulic effect on the slope deformation and failure by using FLAC software. It is concluded that with and without hydraulic function role, the safety coefficient varies widely. State of slope and the slope stability is analyzed in the position can create embedded prestressed anchor for slope reinforcement. The simulation results show that the slope stability conditions are greatly improved, even in condition of hydraulic effect, and the slope displacement of each part is very small, which has high security reserves. Finally through the field monitoring the lope treatment effect is evaluated.

Key words:bedding rock slope; numerical simulation; prestressed anchor; the stability coefficient; field monitoring

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.018