基于FLAC3D錯落體穩(wěn)定性分析及治理效果評價

余和廣，張俊德

(中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

錯落是山區(qū)公路建設中遇到的一種特殊的巖質(zhì)邊坡變形類型，指被陡傾角的構造面與后山完整巖體分開的風化破碎的巖體，因坡腳受沖刷或人工開挖而被壓縮，引起的坡體以垂直下錯為主的變形現(xiàn)象。錯落病害常位于路基挖方邊坡、隧道進出口邊坡。文獻[2]指出了錯落依附的地質(zhì)基礎條件、外貌特征、演變過程及變形特征；田義斌等研究了錯落體穩(wěn)定性與滑坡轉(zhuǎn)化關系；文獻[4]、[5]采用有限差分軟件FLAC3D分析了巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性；文獻[6]-[8]進行了預應力錨索框架加固邊坡數(shù)值分析及性能研究。該文針對青海某公路K8錯落病害，通過建立地質(zhì)邊坡模型、預應力錨索框架結構模型，根據(jù)有限差分軟件FLAC3D計算結果，采取必要的加固措施，以提高錯落體的穩(wěn)定性，保證錯落體下方公路的長期安全運營。

1 工程背景

1.1 病害概況

K8錯落體位于青海省某在建公路左側(cè)，為南北走向高達200 m山脊的一部分，錯落體由白堊系河口群厚層礫巖、粉砂質(zhì)泥巖夾薄層砂巖組成，產(chǎn)狀NE60°∠70°/NW14°∠18°，通過出露巖層顯示，在路基面以上70 m高范圍內(nèi)發(fā)育9組礫巖、砂巖互層，其中6組發(fā)育于后部穩(wěn)定巖層，3組發(fā)育于外側(cè)錯落體，錯落體與穩(wěn)定巖層之間以寬10 m的斷層破碎帶斷開，如圖1所示。公路選線時未發(fā)現(xiàn)該錯落病害，原設計公路在錯落體前部以路塹形式通過，路塹開挖過程中，本已壓實到位的錯落體再次出現(xiàn)整體滑動變形，錯落體變形后沿公路寬120 m，垂直公路長83 m，前后高差60 m，平均厚約20 m，體積16×104m3。

1.2 變形特征

錯落體一般為三段式變形，按先后順序為：壓縮密實階段、下錯變形階段、轉(zhuǎn)化為滑坡階段。K8錯落體變形處于最后階段，以水平位移大于豎向位移的滑動變形為主，錯落體整體水平位移3～8 m，豎向位移0.5～3 m。

圖1 錯落體地質(zhì)斷面圖

錯落體平面上分兩級滑動，因斷層破碎帶存在，坡體上發(fā)育3條貫通的后緣拉張裂縫，如圖1所示，裂縫寬1～3 m，可見深度5～6 m，兩側(cè)延伸至側(cè)緣裂縫；東、西兩側(cè)緣均發(fā)育有錯動裂縫，受兩組節(jié)理(NE50°/SW67°、NW28°/SE73°)控制，裂縫近直線形分布，裂縫下錯1.5～2.5 m，寬40 cm左右；錯落體前緣可見多處巖體卸荷裂縫，裂縫延伸方向與臨空面基本平行，裂縫寬20 cm左右，開挖出露巖體節(jié)理面(NW60°/SE25°)可見滑動擦痕，泥質(zhì)夾層附著大量白色石膏。

1.3 變形原因

(1)錯落體存在一組陡、緩順傾不利節(jié)理組合(后緣依附面EW/SE65°、主滑段依附面NW60°/SE25°)；

(2)錯落體以厚層礫巖、砂巖等硬巖為主要構成物質(zhì)，下臥軟墊層以薄層泥巖等軟巖為主要構成物質(zhì)，錯落體巖層結構屬上硬下軟式結構，節(jié)理面為泥質(zhì)填充物，且含有大量石膏，為軟弱夾層，遇水后抗剪強度急劇降低。

(3)人為坡腳大范圍路塹開挖，剪斷錯落體前緣支撐，打破應力平衡。

(4)錯落體后部存在一個斷層破碎帶，利于大氣降雨后地表水匯集下滲軟化軟弱夾層。

(5)原設計未設防護措施以及開挖后未及時增設防護措施。

在以上幾個因素影響下，已穩(wěn)定的錯落體再次出現(xiàn)大范圍滑動變形。

2 穩(wěn)定性分析

2.1 極限平衡理論

極限平衡理論假設滑體均為剛性體，通過簡化力學模型，當滑體處于極限平衡狀態(tài)時，抗滑力與下滑力比值為穩(wěn)定系數(shù)。當滑動面為折線形時，采用傳遞系數(shù)法計算滑坡的穩(wěn)定系數(shù)。選取最不利主軸斷面，采用傳遞系數(shù)法計算錯落體穩(wěn)定系數(shù)，計算結果見表1，自然工況下，穩(wěn)定系數(shù)為0.933，在暴雨及其他不利因素作用下，其穩(wěn)定系數(shù)進一步降低。

表1 錯落體主軸斷面穩(wěn)定性計算結果

2.2 FLAC3D分析

在有限差分軟件 FLAC3D邊坡穩(wěn)定性計算中，巖土體采用摩爾-庫侖本構關系，視巖土體為一彈塑性體，且對c、φ強度同時進行雙折減直至巖土體塑性區(qū)貫通達到破壞，此時得到的折減系數(shù)為穩(wěn)定系數(shù)。

以邊坡實際坡面線、原設計開挖線、軟弱夾層建立主軸斷面模型，以滑體(HT)、滑床(HC)、節(jié)理面(Interface)創(chuàng)建3個不同組材料模型。節(jié)理面填充的以泥巖為主的軟弱夾層厚僅2～7 cm，為切合實際以接觸面(Interface)形式建立。所有單元網(wǎng)格平均長1.5 m，以達到計算準確精度，模型如圖2所示?；w(HT)、滑床(HC)主要構成物質(zhì)為厚層砂巖、礫巖，滑動面為節(jié)理面填充的以泥巖為主的軟弱夾層(Interface)，巖體及軟弱夾層力學指標見表2。由表2可知：砂巖、礫巖的彈性模量為軟弱夾層的6～11倍，黏聚力為軟弱夾層的11～13倍，內(nèi)摩擦角為軟弱夾層的2倍，F(xiàn)LAC3D數(shù)值計算中巖土體強度參數(shù)選取符合錯落體巖層結構屬于上硬下軟式結構。通過FLAC3D計算，自然工況下，錯落體穩(wěn)定系數(shù)0.927，與傳遞系數(shù)法結果基本一致，穩(wěn)定性計算結果及軟弱夾層剪切應力云圖如圖2所示。

圖2 FLAC3D穩(wěn)定性計算模型及計算結果(單位：Pa)

表2 巖體及軟弱夾層力學指標

3 治理措施

3.1 方案考慮

錯落體段公路小里程側(cè)100 m為公路隧道，已基本成型，大里程側(cè)60 m為順河橋梁，主體工程已完成大半。受已有工程和路線長度控制，無法改線繞避，因此治理錯落病害是必然的。

若考慮刷方清除錯落體，則刷方后在200 m高斜坡上形成一高60 m左右的人工邊坡，一則對高邊坡處治費用較高，再則該段巖層存在不利的軟弱夾層，大范圍刷方勢必造成新的病害。因此在治早、治小的原則下，設計對錯落體加固治理。

通過計算，錯落體下滑力為1 380 kN/m，下滑力相對較大。若采用抗滑樁支擋方案，造價較高，故選擇預應力錨索框架分級加固方案，其治理總體方案為：先行實施應急回填反壓搶險工程，在錯落體變形得到有效控制后，在已有坡型基礎上適當順坡，上部設置兩級錨索框架分擔下滑力，坡腳設置腳墻，同時輔以截排水進行綜合治理。

3.2 治理措施

由于錯落體已出現(xiàn)劇烈滑動變形，隨時有可能從高空滑下，為保證施工安全，首先考慮應急搶險工程，待錯落體穩(wěn)定后實施永久治理工程。

(1)應急搶險工程

采用已有隧道棄方對錯落體前緣回填反壓，回填高10 m，頂寬5 m。反壓后經(jīng)地表位移監(jiān)測，錯落體無新增裂縫，已有裂縫無進一步發(fā)展，達到反壓預期效果，可實施下一步永久治理工程。

(2)永久工程

在實施應急反壓工程后，采取預應力錨索框架、坡腳擋墻、地表排水、填實裂縫綜合治理，如圖3、4所示，且嚴格按照由上至下逐級開挖加固的順序施工。

圖3 錯落體治理平面圖

圖4 錯落體治理斷面圖

4 效果評價

4.1 FLAC3D分析

(1)穩(wěn)定系數(shù)對比

以治理后設計開挖線，沿公路長度以單片預應力錨索框架寬6 m重新建立工后效果評價數(shù)值分析模型，結構單元為錨索單元(Cable)、框架單元(Beam)，加固分2級，共計2片框架、12孔錨索。每孔錨索拉力為770 kN，錨索結構單元參數(shù)見表3，框架結構單元參數(shù)見表4，計算結果見圖5。通過對比可知：治理前邊坡穩(wěn)定系數(shù)為0.927，治理后為1.537，治理后邊坡穩(wěn)定系數(shù)滿足設計要求。

表3 錨索結構單元參數(shù)

表4 框架結構單元參數(shù)

圖5 治理后穩(wěn)定系數(shù)及滑動帶剪切應力云圖(單位：Pa)

(2)位移量對比

通過計算，治理前位移云圖見圖6、7，錯落體啟動變形瞬間，滑體水平位移基本上位于60～70 mm區(qū)間，最大位于坡腳，為84 mm；豎向位移基本位于25～45 mm區(qū)間，最大位于后緣，為64 mm。計算位移量與實際錯落體啟動滑動變形時基本相符。治理后位移云圖見圖8、9，滑體水平、豎向位移數(shù)據(jù)相對較小，可以忽略不計，說明治理后錯落體變形已徹底消除，治理后穩(wěn)定性滿足設計要求。

圖6 治理前水平位移云圖(單位：m)

圖7 治理前豎向位移云圖(單位：m)

圖8 治理后水平位移云圖(單位：m)

圖9 治理后豎向位移云圖(單位：m)

(3)切應力對比

通過計算，治理前滑動帶切應力基本位于220～248 kPa區(qū)間，最大位于坡腳約20 m附近，最小位于滑動帶后緣。治理后滑動帶中后部切應力基本位于90～180 kPa區(qū)間，中前部位于0～90 kPa區(qū)間，坡腳附近基本為0，說明治理后滑帶土不會發(fā)生剪切破壞。

4.2 實用效果

病害治理工程從2011年11月完工至今，經(jīng)歷多次連續(xù)暴雨及多次強烈地震的不利影響，已完工工程措施完好無損，邊坡未出現(xiàn)新變形，經(jīng)受了時間的考驗，保障了公路安全運營，治理工程取得了成功。

5 結論

(1)巖石具有很強的各向異性、非均質(zhì)性、非連續(xù)性，巖質(zhì)邊坡的模型建立及參數(shù)選取應切合實際以得到準確的數(shù)值分析結果。

(2)錯落體為巖質(zhì)坡體，錯落體后部穩(wěn)定地層巖石的黏結強度較好，可提供滿足設計要求的錨固力；錯落體巖層結構屬于上硬下軟式，即使滑動后，硬質(zhì)巖體整體性好且厚度大，利于框架通過錨索拉力將滑體整體約束并錨固至穩(wěn)定地層，治理效果安全可靠。

對該錯落病害治理，若采用傳統(tǒng)的抗滑樁措施，其效果安全可靠，但造價高，治理費用大，工期長；若置不良地質(zhì)條件于不顧，考慮不周全，貿(mào)然選擇刷方清除錯落體，在軟弱夾層和不利節(jié)理面綜合影響下必然引起更大范圍的病害，增加治理費用及難度。

(3)嚴格貫徹“從上而下，開挖一級，支護一級”的施工原則。

原路塹開挖后，形成寬120 m、高25 m邊坡未及時支護，引發(fā)錯落體大范圍變形，新增錯落病害治理工程，增加工程投資；錯落病害治理施工期間，施工方為加快進度，追趕工期，框架梁坡面連續(xù)開挖，高15 m坡面成形不足一個月，在軟弱夾層、不利節(jié)理面、卸荷作用等多種不利因素影響下，錯落體再次出現(xiàn)大范圍滑動變形。在錨索已預埋的前提下，錨索頂端增設鋼墊板，及時張拉鎖定才得以控制變形，防止滑動范圍進一步擴大。

(4)預應力錨索是治理錯落病害關鍵工程，應通過鉆孔嚴格校核地質(zhì)情況，判斷地層是否滿足設計要求。在錨索施工過程中，應嚴格核對地層巖性及軟弱夾層位置。如該文錨索錨固段設置于中后部的穩(wěn)定巖層中，根據(jù)施工過程中鉆孔揭露的地質(zhì)情況，避免因地層發(fā)生變化，錨索錨固于斷層破碎帶或者不穩(wěn)定的滑體導致錨固力不足，造成錨索工程失效從而導致整個治理工程失敗。

(5)防患于未然，對未變形段坡體坡腳及時增設坡腳抗滑擋墻支擋，邊坡加固范圍延伸至錯落體東、西兩側(cè)，確保公路內(nèi)側(cè)邊坡長期穩(wěn)定。