貴州云貴至石門公路砂頁巖夾煤層邊坡穩(wěn)定性研究

張文淵 張琛琪

（重慶交通大學 重慶 400074）

1 引言

結合我國公路網(wǎng)發(fā)展需求來看，未來十年尤其是“十三五”的五年，我國公路基礎設施仍將處于集中建設，加快成網(wǎng)的關鍵階段。“十三五”期間，貴州是全國交通扶貧的主戰(zhàn)場，貴州省計劃繼續(xù)投入公路水路建設資金4025億元，其中2017年投資1650億元，實現(xiàn)貴州交通“三突破、三提升”目標。2016年貴州交通建設再次掀起新篇章——九個高速公路項目，20個國省干道改擴建項目，農(nóng)村三四級公路計劃新建15650km。目前正在修建的云貴至石門三級公路，途徑山脈海拔高度在1700～3500M，山坡自然坡度在20～60°，公路線路全長36.587km。公路設計為瀝青路面，路面結構包括20cm級配碎石，20cm混凝土水泥穩(wěn)定層和5cm瀝青面層。公路路面寬7.5m，部分特殊路段路面寬度達到15m，公路沿線挖方工程量遠大于填方工程量，挖方土石比基本達到1.6：1，路塹高邊坡相對較多，工程土石方總數(shù)量達到210萬m3。

貴州云貴至石門三級公路處在威寧-赫章活動構造帶上，受畢節(jié)北東向構造變形區(qū)、威寧西北向構造變形區(qū)影響。貴州云貴至石門三級公路中的沉積巖主要包含砂巖、頁巖和泥巖，在這些沉積巖中，砂頁巖夾煤層這種特殊的巖體結構常常伴隨著邊坡開挖出現(xiàn)，見圖1。

圖1 貴州云貴至石門公路砂頁巖夾煤層邊坡

2 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 砂頁巖夾煤層各巖體指標（見表1）

表1 砂頁巖夾煤層各巖體指標

2.2 砂頁巖夾煤層巖石變形分析

貴州云貴至石門砂頁巖夾煤層巖石材料破壞的形式主要有兩類：①斷裂破壞；②流動破壞（出現(xiàn)顯著的塑性變形或流動現(xiàn)象）。

2.3 云石公路邊坡病害類型及病害發(fā)育特征

貴州云貴至石門砂頁巖夾煤層邊坡最常見圓弧形滑動破壞：均勻松散介質(zhì)、沖擊層、大型巖層破碎帶；有三組或多組產(chǎn)狀各異的軟弱結構面存在；強風化碎裂結構的巖體；軟弱面的產(chǎn)狀各異且均不與邊坡面同向；兩側面脫開。偶爾還伴有平面剪切型滑動破壞，楔形滑動破壞以及折線形滑動破壞。

3 ANSYS對邊坡的模擬及穩(wěn)定性分析

（1）創(chuàng)建物理環(huán)境：ANSYS程序可以方便的定義各種材料的特性。因為分析的邊坡模型采用D-P模型，因此邊坡穩(wěn)定性分析中需要定義邊坡中不同巖土體的材料屬性：重度、彈性模量、泊松比、粘聚力以及摩擦角。以K4+480為例，表2材料1～4分別為砂土、砂頁巖、煤層、砂頁巖夾煤層，材料5～8為不同安全系數(shù)下的砂頁巖夾煤層。

（2）建立模型和劃分網(wǎng)格：在進行邊坡穩(wěn)定性分析時，需要建立模擬邊坡土體的單元。在建立好的模型各個區(qū)域內(nèi)指定特性（單元類型、選項、實常數(shù)和材料性質(zhì)等）以后，就可以劃分有限元網(wǎng)格了。

表2 各材料屬性

（3）施加約束和荷載：在施加邊界條件和荷載時，既可以給實體模型（關鍵點、線、面）也可以給有限元模型（節(jié)點和單元）施加邊界條件和荷載。在求解時，ANSYS程序會自動將加到實體模型上的邊界條件和荷載傳遞到有限元模型上。

圖2 用ANSYS做出的邊坡模型

（4）求解：ANSYS程序根據(jù)現(xiàn)有選項的設置，從數(shù)據(jù)庫獲取模型和荷載信息并進行計算求解，將結果數(shù)據(jù)寫入到結果文件和數(shù)據(jù)庫中。

（5）后處理：后處理的目的是以圖和表的形式描述計算結果。對于邊坡穩(wěn)定性分析中，進入后處理器后，查看邊坡變形圖和節(jié)點的位移、應力和應變。隨著強度折減系數(shù)的增大，邊坡的水平位移增大，塑性應變急劇發(fā)展，塑性區(qū)發(fā)展形成一個貫通區(qū)域時計算不收斂，認為邊坡發(fā)生了破壞。通過研究位移、應變和塑性區(qū)域，來綜合判斷邊坡的穩(wěn)定性。

4 結論

通過分析后處理數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)隨著安全系數(shù)的不斷增大，邊坡由沒有塑性區(qū)發(fā)展到出現(xiàn)塑性區(qū)，再到塑性區(qū)貫通整個邊坡，即邊坡破壞，見圖3。由于貴州云貴至石門地區(qū)雨季長，雨水多，做邊坡穩(wěn)定性分析可以隨時掌握邊坡動態(tài)，為安全施工做好有力保障。

圖3 不同材料參數(shù)下邊坡塑性應變云圖