永龍高速公路ZK56+860～ZK56+940邊坡穩(wěn)定性分析及處治效果評價(jià)

王　亮， 郭　昕， 馮小麗， 范子中

(1.湖南省永龍高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司， 湖南 永順　416700；　2.長沙理工大學(xué)， 湖南 長沙　410114)

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永龍高速公路ZK56+860～ZK56+940邊坡穩(wěn)定性分析及處治效果評價(jià)

王亮1， 郭昕2， 馮小麗2， 范子中1

(1.湖南省永龍高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司， 湖南 永順416700；2.長沙理工大學(xué)， 湖南 長沙410114)

[摘要]永龍高速公路路線走廊帶穿越了破碎帶，沿線邊坡穩(wěn)定性較差，時(shí)有垮塌情況發(fā)生；針對某一邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，并對處治后的邊坡進(jìn)行了效果評價(jià)；基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和FLAC 3D數(shù)值模擬結(jié)果對比評價(jià)了處治后的應(yīng)力分布、穩(wěn)定系數(shù)、位移情況等，結(jié)果顯示處治措施得當(dāng)，效果良好。

[關(guān)鍵詞]永龍高速； 邊坡穩(wěn)定性； 加固處治； FLAC 3D數(shù)值模擬

永龍高速公路路線走廊帶穿越了較長的農(nóng)車破碎帶，在開挖施工過程中有較多邊坡開挖深度并不高(20～30 m)但結(jié)構(gòu)松散、穩(wěn)定性差，發(fā)生了較多的垮塌現(xiàn)象。因此針對這一類型的邊坡開展穩(wěn)定性分析及處治效果評價(jià)，對處治相關(guān)問題有良好的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。

1工程概況

該邊坡位于永龍高速14標(biāo)永龍界隧道入口前方150 m處，屬農(nóng)車至儒家寨斷裂帶周邊，故該邊坡的加固防護(hù)至關(guān)重要。據(jù)地勘資料可知：按地層從上往下順序依次為種植土、粘土、砂質(zhì)頁巖、強(qiáng)風(fēng)化層、中風(fēng)化層。地質(zhì)情況為：山體主要由粘土和泥質(zhì)頁巖組成；巖層產(chǎn)狀：342°∠43°；節(jié)理產(chǎn)狀：245°∠50°；邊坡巖體破碎，穩(wěn)定性差。設(shè)計(jì)情況為：邊坡高度23 m，最高位置為ZK56+930處，分兩級開挖，一級坡高12 m，二級坡高11 m，一二級坡率均為1∶1，最初設(shè)計(jì)防護(hù)為鋼筋砼方格骨架。2014年5月份開挖后受降雨影響出現(xiàn)了明顯的裂縫并時(shí)有落石現(xiàn)象，有較大的垮塌風(fēng)險(xiǎn)。

2基于FLAC 3D方法的邊坡穩(wěn)定性分析

① 基本原理。

FLAC 3D是一種基于三維顯式有限差分法的數(shù)值計(jì)算方法，將給定的計(jì)算區(qū)域劃分為若干的單元，并在指定的邊界條件的限制下遵循指定的本構(gòu)關(guān)系；通過強(qiáng)度折減法解決邊坡的安全系數(shù)問題，并對邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算和評價(jià)[1-3]。

穩(wěn)定性系數(shù)(F)定義為抗滑力與下滑力之比，F(xiàn)=1時(shí)定義為臨界狀態(tài)，因此有[4]：

(1)

(2)

φ=tan-1(tanφ/F)

(3)

由式(1)～式(3)可知: 通過對新得到的土體抗剪強(qiáng)度和摩擦角進(jìn)行有限元計(jì)算，可以得到邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。

在計(jì)算過程中判定邊坡失穩(wěn)的依據(jù)有： 有限元計(jì)算不收斂；某些特征位移發(fā)生突變；塑性剪應(yīng)變或塑性區(qū)貫通，在本次計(jì)算中也以上述3種判定方法作為依據(jù)，滿足其一即認(rèn)為邊坡失穩(wěn)[5]。

② 建模情況。

取ZK56+930斷面建立FLAC 3D模型，共計(jì)1926個(gè)單元，4060個(gè)節(jié)點(diǎn)，坡體總高23 m，分為兩級，一級坡高12 m，二級坡高11 m，一級坡頂平臺寬度2 m，一二級坡率均為1∶1。邊界約束條件為：底部固定，左右兩側(cè)施加水平方向約束，上部為自由邊界。概化模型如圖1所示。

圖1　ZK56+930斷面計(jì)算模型圖Figure 1　ZK56+930 Cross section calculation model

基于相對性準(zhǔn)則，巖體的連續(xù)性關(guān)鍵取決于巖體內(nèi)不連續(xù)面尺度與所研究整個(gè)巖體尺度之比R，若R遠(yuǎn)小于1，則巖體就可視為連續(xù)介質(zhì)；該邊坡表層覆蓋碎裂巖體，巖石塊中裂隙和節(jié)理裂隙，與研究區(qū)域巖體相比，R很小顯然可以忽略；因此可將計(jì)算區(qū)域巖體視為連續(xù)介質(zhì)[2]。

③ 參數(shù)選取。

采用摩爾—庫侖破壞準(zhǔn)則在數(shù)值模擬中需要用到的物理力學(xué)參數(shù)有體積模量(K)、剪切模量(G)、內(nèi)摩擦角(φ)、粘聚力(c)和抗拉強(qiáng)度(σ)等。

坡體材料抗剪強(qiáng)度參數(shù)可由參數(shù)反演計(jì)算得到，其他相關(guān)參數(shù)來源于地勘資料及室內(nèi)試驗(yàn)，如表1所示。其中，體積模量和剪切模量并未直接給出，需要用式(4)進(jìn)行計(jì)算獲得[6]：

表1 邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table1 Sloperockmassphysicalmechanicsparametersta-tistics重度/(kN·m-3)彈性模量/GPa泊松比粘聚力/kPa內(nèi)摩角/(°)剪脹角/(°)2880.251524.481.2

(4)

④ 邊坡穩(wěn)定性分析。

經(jīng)過上述建模、數(shù)值選取等步驟后，采用FISH語言編寫穩(wěn)定性計(jì)算程序，并代入FLAC—3D中對研究對象進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算，計(jì)算過程及各項(xiàng)指標(biāo)結(jié)果如下圖所示。在計(jì)算中共進(jìn)行了時(shí)步后系統(tǒng)達(dá)到平衡狀態(tài)，豎向軸為計(jì)算過程中的最大不平衡力，其值約為3.85×104N，見圖2所示。由圖2、圖3可知: 最大不平衡力隨時(shí)間推移而逐漸減小并最終達(dá)到平衡狀態(tài)，此時(shí)安全系數(shù)為0.96，有失穩(wěn)危險(xiǎn)；水平方向的變形主要集中在邊坡中部，有一個(gè)危險(xiǎn)滑動面。由圖4可知: 表面發(fā)生的最大位移為36.46 cm，最大位移矢量為m/s，邊坡沿坡面有向坡底下滑的趨勢且應(yīng)力在第一級邊坡平臺處較為集中。

綜合上述圖2～圖4計(jì)算結(jié)果分析可知: 邊坡穩(wěn)定性欠佳，已出現(xiàn)了明顯的滑動面，現(xiàn)有的加固措施難以保障邊坡安全，需進(jìn)行加固處治。

Figure 2The maximum unbalanced force curve

圖3潛在滑動面及安全系

數(shù)計(jì)算圖

Figure 3Potential sliding surface and the safety coefficient calculation

圖4　土體滑移矢量計(jì)算圖Figure 4　Soil slip vector calculation

3加固處治效果評價(jià)

針對邊坡穩(wěn)定性欠佳這一情況，對邊坡進(jìn)行了加固處治，具體設(shè)計(jì)方案為： 防護(hù)方案改為： 鋼筋砼方格骨架+錨桿；錨桿傾角θ取10°，一級坡錨桿長度L取15 m，二級坡錨桿長度L取8 m，兩級坡錨桿均按五層分布，每層錨桿垂直間距為2 m。在施工完成后埋設(shè)測斜管對坡體深層水平位移進(jìn)行了監(jiān)測，以此作為評價(jià)，為研究方便，數(shù)據(jù)分析中仍以ZK56+930斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)為研究對象。針對上文中分析和圖4所示，應(yīng)力較集中在邊坡第一級平臺及往下位置，因此在第一級平臺處埋設(shè)測斜管對坡體內(nèi)部水平位移進(jìn)行監(jiān)控。

3.1監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

由圖5曲線可知: 整體呈“R”型[7]，下部曲線顯示位移較小，穩(wěn)定性好；上部曲線在8 m處有明顯的增大，上部位移要明顯大于下部，可見受力有明顯區(qū)別；由觀測數(shù)據(jù)可知: 位移最大處出現(xiàn)在平臺往下4 m位置，此時(shí)深部位移速率約為0.4 mm/d，小于規(guī)范限值；曲線自最大位移處往下各觀測點(diǎn)位移均較小，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5　坡體內(nèi)部位移—時(shí)間—深度曲線圖Figure 5　Displacement-time-depth curve of slope internal

3.2數(shù)值模擬

① 安全系數(shù)計(jì)算。

對比圖3及圖6計(jì)算結(jié)果可知： 邊坡經(jīng)錨桿加固后，安全系數(shù)K=1.43較原來未加固K=0.96提高了48.96%，邊坡穩(wěn)定性顯著提高，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6　加固后潛在滑動面及安全系數(shù)Figure 6　Potential sliding surface and the safety factor 　　　after reinforcement

② 應(yīng)力場對比分析。

由圖7(a)可知: 邊坡在自重力作用下，坡體內(nèi)沿x向應(yīng)力分布較均勻，邊坡坡頂及二級邊坡坡面有一層體現(xiàn)為拉應(yīng)力，其余為壓應(yīng)力，這是因?yàn)槭┕ら_挖破壞了原自然平衡狀態(tài)，應(yīng)力未能完全釋放，臨空坡面應(yīng)力集中，對邊坡穩(wěn)定性影響較大；圖7a與圖7b對比可知: 邊坡經(jīng)過錨桿加固后，邊坡臨空面的應(yīng)力明顯減小，只在第一級邊坡平臺位置有少量的拉應(yīng)力集中，說明邊坡巖體經(jīng)錨桿加固后，坡體表面應(yīng)力由錨桿承擔(dān)，錨桿很好的消散了坡體內(nèi)的應(yīng)力，起到了很好的加固效果。

(a) 未加錨桿

(b) 加錨桿后

圖7未加錨桿和加錨桿后x向應(yīng)力云圖

Figure 7No anchor and after add anchorxstress nephogram

③ 坡體變形及位移場分析。

比較圖8(a)與圖8(b)計(jì)算結(jié)果可知： 未加錨桿時(shí)，邊坡坡體表面x向位移偏大，一級坡體大于二級坡體位移，且最大位移處集中在坡腳位置，達(dá)到6.273 cm，沿坡腳往上x向位移有減小趨勢，邊坡坡體潛在滑動面位于坡體表面屬淺層滑移；進(jìn)行錨桿加固后，錨桿承擔(dān)了坡體內(nèi)下滑剪切應(yīng)力，邊坡臨空面x向位移明顯減小，很好控制了邊坡坡體變形。

3.3處治效果綜合評價(jià)

① 對邊坡進(jìn)行錨桿加固處治后，通過測斜數(shù)據(jù)可以得知，坡體位移量較大的位置為處，整體曲線呈“R”形，無明顯突變區(qū)域，處于穩(wěn)定狀態(tài)；

② 對比處治前后數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可知，邊坡位移量減小、應(yīng)力分別情況有所改善、穩(wěn)定系數(shù)提

(a) 未加錨桿

(b) 加錨桿后

圖8未加錨桿和加錨桿后x向位移云圖

Figure 8No anchor and after add anchorxdisplacement

nephogram

高，對比結(jié)果顯示經(jīng)過處治后邊坡安全性能提升明顯，穩(wěn)定性大為提高。

4結(jié)論

① 原設(shè)計(jì)方案中因邊坡高度不大(23 m)而采取了鋼筋砼方格骨架的方式，但在施工過程中出現(xiàn)了失穩(wěn)現(xiàn)象，且經(jīng)過計(jì)算其穩(wěn)定系數(shù)僅0.96，存在有較大的垮塌風(fēng)險(xiǎn)，因此需要進(jìn)行重新的加固處治；

② 加固處治測斜數(shù)據(jù)顯示研究斷面的位移—時(shí)間—深度曲線為“R”型曲線，最大位移速率為0.4 mm/d、位移最大處為平臺往下4 m，觀測數(shù)據(jù)顯示邊坡在加固后上部和下部受力有明顯區(qū)別，但整體穩(wěn)定，數(shù)值模擬所得計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示情況基本符合；FLAC 3D計(jì)算結(jié)果顯示加固處治后穩(wěn)定系數(shù)為1.43，提升了48.96%、應(yīng)力分布狀況和水平位移均有明顯改善，處治效果良好；

③ 斷裂帶邊坡雖然高度不大，但加固設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮其坡體自身的不穩(wěn)定性而采取較強(qiáng)的加固方式，這一思路在龍永高速其他同類型邊坡的設(shè)計(jì)方案變更可作為參考。

[參考文獻(xiàn)]

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Analysis of Slope Stability and Evaluation of Treatment Effect on ZK56+860～ZK56+940 in Longyong Expressway

WANG Liang1， GUO Xin2， FENG Xiaoli2， FAN Zizhong1

(1.Hunan Provincial Yonglong Highway Construction and Development Co.， Ltd.， Yongshun， Hunan 416700， China；2.Changsha University of Science and Technology， Changsha， Hunan 410004， China)

[Abstract]Yonglong expressway route corridor through the fracture zone, slope stability along the line is poorer, when collapse occurs; For one slope stability analysis, and the evaluation of effect of the slope after the treatment; Based on field monitoring data and evaluation after the treatment of the results of FLAC numerical simulation of stress distribution, stability coefficient, displacement and so on, results show that the processing measures properly, the effect is good.

[Key words]Longyong Expressway; slope stability analysis; strengthening treatment; FLAC 3D numerical simulation

[中圖分類號]U 418.5+2

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1674—0610(2016)02—0166—03

[作者簡介]王亮(1984—)，男，湖南岳陽人，工程師，從事高速公路建設(shè)與管理工作。

[基金項(xiàng)目]湖南省交通運(yùn)輸廳科技進(jìn)步與創(chuàng)新計(jì)劃(201205)；長沙理工大學(xué)研究生創(chuàng)新項(xiàng)目。

[收稿日期]2016—01—06