岫巖小虎嶺破碎帶邊坡穩(wěn)定性分析

于 丹，陳 俊，莊 巖，陳殿強(qiáng)，王瑞娟

(1.沈陽(yáng)建筑大學(xué)土 木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168；2.遼寧有色勘察研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110002)

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岫巖小虎嶺破碎帶邊坡穩(wěn)定性分析

于 丹1，陳 俊1，莊 巖2，陳殿強(qiáng)2，王瑞娟1

(1.沈陽(yáng)建筑大學(xué)土 木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168；2.遼寧有色勘察研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110002)

以岫巖小虎嶺工程邊坡為例，為了評(píng)價(jià)和研究含破碎帶的巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性及抗滑樁加固效果。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)大型直剪試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)獲得計(jì)算參數(shù)，基于數(shù)值模擬采用有限元強(qiáng)度折減法分析其穩(wěn)定性并獲得安全系數(shù)。結(jié)果表明破碎帶是影響邊坡穩(wěn)定的主要原因，邊坡塑性貫通區(qū)與破碎帶形狀一致；自然狀態(tài)下安全系數(shù)為1.01,屬欠穩(wěn)定坡，采用抗滑樁加固后安全系數(shù)提高至1.72；安全系數(shù)在一定范圍內(nèi)隨破碎帶土體的c、φ值的增大而增大。

破碎帶；邊坡穩(wěn)定性；安全系數(shù)；強(qiáng)度折減法；抗滑樁

邊坡是工程建設(shè)中最常見(jiàn)的一種工程形式[1]。邊坡的穩(wěn)定性與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c黏聚力φ和內(nèi)摩擦角息息相關(guān)，以往的研究成果大多數(shù)來(lái)自模型試驗(yàn)或者工程經(jīng)驗(yàn)類比。筆者以岫巖地區(qū)某工程高邊坡為例，采用工程現(xiàn)場(chǎng)大型直剪試驗(yàn)獲得主要巖土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，基于有限元強(qiáng)度折減法(Strength Reduction FEM)來(lái)模擬分析含破碎帶的工程高邊坡的變形失穩(wěn)機(jī)制，并評(píng)價(jià)其經(jīng)抗滑樁的加固后的穩(wěn)定性，為同地區(qū)類似工程提供參考。

1　有限元強(qiáng)度折減法

早在70年代有限元強(qiáng)度折減法就提出來(lái)了，1975年Zienkiewize[2]就利用此法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，此法限于當(dāng)時(shí)的計(jì)算條件沒(méi)有很好的被廣泛應(yīng)用，近些年來(lái)在巖石和土質(zhì)邊坡坡穩(wěn)定分析中得到了逐漸的發(fā)展[3]。此法是建立在土體彈塑性本構(gòu)關(guān)系基礎(chǔ)上，考慮了土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，能夠快捷的模擬出邊坡失穩(wěn)過(guò)程及其滑動(dòng)面形狀，無(wú)需提前對(duì)滑動(dòng)面形狀作出假設(shè)，無(wú)需進(jìn)行條分。通過(guò)對(duì)邊坡巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)逐漸降低直至計(jì)算不能收斂為止，此時(shí)程序則可以自動(dòng)根據(jù)彈塑性計(jì)算結(jié)果得到破壞滑動(dòng)面(塑性應(yīng)變和位移突變地帶)，同時(shí)得到邊坡的臨界破壞的強(qiáng)度折減系數(shù)Fr并將此系數(shù)作為強(qiáng)度儲(chǔ)備安全系數(shù)Fs。

本文抗剪強(qiáng)度參數(shù)c、φ采用單一強(qiáng)度折減系數(shù)Fr，即c和φ保持相同的折減幅度。

cf=c/Fr

(1)

φf(shuō)=tan-1(tanφ/Fr)

(2)

式中，cf和φf(shuō)為折減后的土體的黏聚力與摩擦角;Fr為強(qiáng)度折減系數(shù)。

邊坡失穩(wěn)狀態(tài)的合理判別是運(yùn)用有限元強(qiáng)度折減法的關(guān)鍵，目前應(yīng)用較廣泛的邊坡失穩(wěn)判據(jù)主要有3種:邊坡中某點(diǎn)位移發(fā)生突變且無(wú)限發(fā)展;有限元計(jì)算不收斂;廣義塑性應(yīng)變或者等效塑性應(yīng)變?cè)谄麦w內(nèi)貫通[4-5]。本文采用計(jì)算不收斂作為邊坡失穩(wěn)判據(jù)。

2　工程案例

2.1工程概況

為滿足交通需求，新建興雅公路位于岫巖滿族自治縣，公路西側(cè)為大洋河，東側(cè)為在建設(shè)過(guò)程中開(kāi)挖山體形成的人工高邊坡，公路施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)邊坡發(fā)生了滑坡。據(jù)公路施工人員介紹，興雅線公路工程于2014年3月開(kāi)始興建，對(duì)山體進(jìn)行削坡開(kāi)挖，坡向西向，開(kāi)挖時(shí)形成四至五級(jí)臺(tái)階，但是由于滑坡，目前臺(tái)階形狀已不明顯。

目前滑坡區(qū)段近南北走向長(zhǎng)約750 m，邊坡最高50～55m，滑坡山體最高處與公路高差69 m，滑坡山體頂部坡角約10°的平臺(tái)上，因滑坡形成了3～4條近平行的弧狀地表裂縫，裂縫最大寬度約30 cm，可見(jiàn)深度大于1.0 m，向下錯(cuò)動(dòng)最大錯(cuò)距約0.6～0.7 m，為典型的滑坡后緣破裂壁和拉張裂縫帶，并形成較明顯的滑坡臺(tái)階。坡頂植被以雜草為主，局部排水不暢，有輕微沼澤化。在邊坡坡面上，由于開(kāi)挖擾動(dòng)、卸荷、風(fēng)化、降雨等的綜合作用，邊坡坡面層狀巖體的巖層面強(qiáng)度降低，出現(xiàn)了沿層面產(chǎn)生平面滑動(dòng)破壞的淺層滑坡?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查出露邊坡，巖性為絹云母片巖，節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖體破碎。經(jīng)對(duì)坡頂和坡腳處巖層的傾角、傾向進(jìn)行觀測(cè)，由于構(gòu)造復(fù)雜，巖層產(chǎn)狀變化較大，傾向西偏北約265°～305°左右，巖層傾角范圍30°～55°之間，大部分傾角35°～50°之間，邊坡坡向向西，坡角多在35°～42°之間，巖層傾向與坡面傾向基本一致，為順向邊(滑)坡。

2.2工程地質(zhì)

準(zhǔn)確獲取巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)是評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性分析與加固防治工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[6]。選取場(chǎng)區(qū)剖面進(jìn)行分析。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)測(cè)繪、鉆探揭露，場(chǎng)區(qū)地層主要有第四系人工填土(Q4ml)，坡洪積(Q44dl+pl)碎石土，元古界遼河群蓋縣組(Ptlhgx)絹云母片巖。

2.3工程試驗(yàn)參數(shù)

為測(cè)定軟弱巖體的抗剪強(qiáng)度，計(jì)算巖土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，在現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)風(fēng)化巖石層進(jìn)行了大型直剪試驗(yàn)。試驗(yàn)在滑坡體內(nèi)進(jìn)行，巖石試驗(yàn)專業(yè)技術(shù)人員和地質(zhì)人員共同選取強(qiáng)風(fēng)化絹云母片巖5個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，然后進(jìn)行人工開(kāi)挖覆蓋層2.20 m后至基巖，再鑿平澆注混凝土試體，試塊尺寸為50 cm×50 cm×35cm。試驗(yàn)按變形控制法通過(guò)千斤頂施加法向荷載，每級(jí)按預(yù)估最大法向荷載σmax的1/4等量遞增施加，法向應(yīng)力分別為80、140、200、230、290 kPa五個(gè)等級(jí)。當(dāng)連續(xù)兩次15min垂直變形累計(jì)不大于0.05mm時(shí)，即認(rèn)為垂直變形已經(jīng)穩(wěn)定，可施加剪切荷載。剪切荷載按最大法向荷載的10%分級(jí)等量施加，當(dāng)施加剪切荷載所引起的剪切變形為前一級(jí)荷載的1.5倍以上時(shí)，下一級(jí)剪切荷載則減半施加。

在試驗(yàn)過(guò)程中，隨時(shí)觀察試體和剪切面以及試體周圍巖土變形現(xiàn)象，詳細(xì)記錄或拍照。試驗(yàn)結(jié)束后，將試體剪切面上部翻起，測(cè)量和描述剪切面的剪損狀態(tài)，包括缺損情況、起伏情況等。當(dāng)完成各級(jí)垂直荷載下的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)后，應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)將試驗(yàn)結(jié)果初步繪制曲線圖，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某組數(shù)據(jù)不合理時(shí)，應(yīng)立即補(bǔ)做該組試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)準(zhǔn)備工作、儀器安裝、試驗(yàn)方法及資料整理均按《巖土工程勘察技術(shù)規(guī)程現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)規(guī)程》[7](DB21/T1564.6-2007)相關(guān)要求進(jìn)行操作。其他巖土體參數(shù)通過(guò)原位測(cè)試、室內(nèi)試驗(yàn)等方法取得，具體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　物理力學(xué)參數(shù)

3　數(shù)值計(jì)算

3.1計(jì)算模型及假定

本工程以GTS NX為依托，采用有限元強(qiáng)度折減法(Strength Reduction FEM)來(lái)模擬分析含破碎帶的高邊坡穩(wěn)定性。

計(jì)算模型斷面，簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題考慮，巖土體采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型；由于巖土體和樁相對(duì)剛度差異較大，采用界面單元來(lái)模擬結(jié)構(gòu)與巖土體之間的界面行為；網(wǎng)格按由疏至密逐漸劃分，關(guān)鍵部位采取網(wǎng)格尺寸加密方式劃分；邊界條件設(shè)定為:約束左右兩側(cè)的X方向位移和底部的X、Y方向的位移，上部為自由端；初始按自重應(yīng)力場(chǎng)考慮。建立如圖2所示有限元模型，計(jì)算模型共劃分2347個(gè)單元，2374個(gè)節(jié)點(diǎn)。

根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》[8]關(guān)于公路路塹邊坡穩(wěn)定程度等級(jí)可定量劃分為：

1)對(duì)于新設(shè)計(jì)的邊坡、重要工程安全系數(shù)Fs宜取1.30～1.50；

2)一般工程安全系數(shù)Fs取1.15～1.30；

3) 次要工程安全系數(shù)Fs取1.05～1.15；

4) 驗(yàn)算已有邊坡穩(wěn)定時(shí)，F(xiàn)s取1.10～1.25。

3.2計(jì)算結(jié)果

(1)自然狀態(tài)

圖3為自然坡在進(jìn)行折減計(jì)算后的最大剪切應(yīng)變?cè)茍D，圖4可以看出邊坡是沿著破碎帶失穩(wěn)破壞的，剪應(yīng)力集中范圍主要聚集在破碎帶區(qū)域，滑裂面也與破碎帶的形狀類似呈折線型，并未在坡體內(nèi)其他地方形成滑動(dòng)圓弧，可表明破碎帶是導(dǎo)致巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)的主要控制性部位。邊坡在自然狀態(tài)下使用強(qiáng)度折減法得到安全系數(shù)為1.014，而根據(jù)Bishop、Morgenstern-Price及Janbu計(jì)算得到的安全系數(shù)分別為1.176、1.170和1.162，由此可見(jiàn)強(qiáng)度折減法得到的安全系數(shù)較其他三種方法所得的安全系數(shù)偏小，相對(duì)保守安全一些。因此對(duì)含破碎帶的高邊坡穩(wěn)定性分析使用有限元強(qiáng)度折減法是可行的。但幾種方法計(jì)算所得安全系數(shù)均不滿足規(guī)范所要求的穩(wěn)定性要求，均屬于欠穩(wěn)定邊坡，故應(yīng)進(jìn)行加固處理來(lái)提高其穩(wěn)定性。

破碎帶土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ對(duì)其穩(wěn)定性也有影響。當(dāng)保持c值不變的情況下，φ分別取16°、18°、20°、22°、24°、26°，共建立六組模型，得到的安全系數(shù)Fs與黏聚力φ的關(guān)系如圖5(a)，可以看出Fs隨φ的增大而大致呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但增長(zhǎng)幅度不大；同樣在保持φ不變的情況下，c分別取15、20、25、30、35、40 kPa，共建立6組模型，得到的Fs與c的關(guān)系如圖5(b)，F(xiàn)s隨c的增大而逐漸增大，但增長(zhǎng)幅度不大。

(2)坡頂削坡

從圖6、圖7可知削坡后的邊坡與自然狀態(tài)下的邊坡滑裂面相似，安全系數(shù)為1.056也較之僅增大4.1%,變化不大。由此可知僅對(duì)邊坡中上部進(jìn)行小范圍的削坡對(duì)其穩(wěn)定性提高程度不大，因此需采取其他加固措施來(lái)提高邊坡的穩(wěn)定性。

(3)抗滑樁加固

根據(jù)邊坡地層性質(zhì)、推力大小、滑面坡度及覆土厚度，本工程在邊坡中上部設(shè)置抗滑樁加固邊坡，設(shè)前后兩排。單樁前后錯(cuò)開(kāi)排列，樁間距根據(jù)滑坡推力、樁截面尺寸等采用工程類比分析確定為8 m。錨固深度穿透滑移面進(jìn)入滑面以下穩(wěn)定的中風(fēng)化片巖中，嵌入深度為1/4樁長(zhǎng)。從圖8可以看出抗滑樁加固后的邊坡安全系數(shù)為1.721，較自然狀態(tài)下邊坡增長(zhǎng)69.7%,滿足規(guī)范要求的安全值，另外在坡體內(nèi)未沿破碎帶形成塑性貫通區(qū)，也未出現(xiàn)整體的圓弧滑動(dòng)面，抗滑樁這種介質(zhì)很好的抑制了塑性貫通區(qū)趨勢(shì)的發(fā)展。

從圖10可以看出樁身彎矩及剪力在樁嵌入中風(fēng)化片巖區(qū)域發(fā)生突變，第一排在樁入土5m處達(dá)到峰值，第二排在樁入土8 m左右達(dá)到峰值，這兩處均是抗滑樁與中風(fēng)化片巖的初始嵌入部位，即懸壁樁的固定端處。表明抗滑樁足以抵抗滑體的推力，起到了加固的作用。然而最大剪應(yīng)力區(qū)域轉(zhuǎn)移至坡腳部位，但其安全系數(shù)較大，不會(huì)出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象。

4　結(jié)論

1)準(zhǔn)確獲得巖土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是高邊坡穩(wěn)定性分析與加固防治設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。選取強(qiáng)風(fēng)化片巖場(chǎng)地進(jìn)行大型直剪試驗(yàn)作為評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性及邊坡加固設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。

2)對(duì)含有破碎帶的高邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題，采用強(qiáng)度折減法具有可行性，且計(jì)算所得結(jié)果較其他方法偏安全。

3)破碎帶是控制巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵部位，均沿其進(jìn)行破壞，且滑裂面與破碎帶形狀一致；邊坡的Fs在一定范圍內(nèi)隨破碎帶土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)、值的增大而逐漸增大，但增長(zhǎng)幅度不大。

4)本工程僅采用邊坡中上部削坡方案對(duì)提高穩(wěn)定性幫助不大，采用抗滑樁加固邊坡具有明顯增強(qiáng)作用，能有效減弱破碎帶對(duì)邊坡的威脅，邊坡安全系數(shù)有大幅提高，并可為同地區(qū)類似工程提供參考。

[1]朱大勇，姚兆明.邊坡工程[M].武漢:武漢大學(xué)出版社, 2014.

[2]ZIENKIEWICZ O C, HUMPHESON C, LEWIS R W.Associated and non-associated visco-plasticity and plasticity in soil mechanics[J]. Geotechnique, 1975,25(4): 671-689.

[3]鄭穎人，趙尚毅.有限元強(qiáng)度折減法在土坡與巖坡中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004,23(19)： 3381-3388.

[4]趙尚毅,鄭穎人,張玉芳.極限分析有限元法講座-有限元強(qiáng)度折減法中邊坡失穩(wěn)的判據(jù)探討[J].巖土力學(xué),2005, 26(2):332-336.

[5]肖 特, 李典慶, 周創(chuàng)兵, 等.基于有限元強(qiáng)度折減法的多層邊坡非侵入式可靠度分析[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科 學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 22(4):718-732.

[6]魏翠玲，呂 博.含硬性貫通結(jié)構(gòu)面的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性研究 [J].河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，29(4):9 -12．

[7]DB21/T1564,巖土工程勘察技術(shù)規(guī)程現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)規(guī)程[S].

[8]GB 50021-2009,巖土工程勘察規(guī)范[S].

(責(zé)任編輯李軍)

Stability Research of Xiao huling Slope with Fracture Zone in the Area of Xiuyan

YU Dan1,CHEN Jun1，ZHUANG Yan2,CHEN Dianqiang2，WANG Ruijuan1

( 1．School of Civil Engineering，Shenyang Jianzhu University，Shenyang，China，110168;2．Liaoning Institute of Nonferrous Investigation，Shenyang，China,110002)

The stability of high rock slope which contained fracture zone and the reinforcement effect of anti-slide pile were evaluated and studied based on a practical case of an engineering slope in the area of Xiuyan Xiaohuling.The calculated parameters were obtained via large direct shear strength tests in the local field and laboratory tests,at the same time,the stability and safety factor were analyzed and obtained through numerical analysis based on Strength Reduction FEM. Result indicates that the fracture zone is the key reason to the influence of the slope stability，the area of max shear strain is similar to fracture zone’s shape in slope，and the slope belongs to unstable slope in nature status because of the safety factor was 1.01，the safety factor was increased to 1.72after using anti-slide pile，safety factor of slope along with the andvalue of fracture zone increases in a certain range.

fracture zone，slope stability，safety factor，strength reduction FEM，anti-slide pile

2015-05-16

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41072190)；沈陽(yáng)市科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目(F13-164-9-00，F(xiàn)13-165-9-00)

于丹(1963-)，女，遼寧丹東人，教授，主要從事巖土工程研究。

1673-9469(2016)03-0033-05

10.3969/j.issn.1673-9469.2016.03.007

TU431

A