基于數(shù)值仿真的順層巖質(zhì)邊坡支護穩(wěn)定性分析

林 一 夫

(中鐵西北科學(xué)研究院有限公司， 甘肅 蘭州 730000)

隨著人類工程建設(shè)活動的日益增加，順層巖質(zhì)邊坡治理問題已成為礦坑治理工程中常見的工程地質(zhì)問題。由于巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性受巖體巖性、結(jié)構(gòu)面、層面和地下水等相關(guān)因素控制，同時巖質(zhì)邊坡巖體中含大量產(chǎn)狀和特性復(fù)雜的不連續(xù)面，如層面、節(jié)理、裂隙、軟弱夾層、巖脈和斷層破碎帶等，造成巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性計算的困難[1]。因此，合理判辨這些相關(guān)因素成為巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析的重難點。

目前，業(yè)內(nèi)對于巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析主要采用理論計算和工程地質(zhì)類比法。采用傳統(tǒng)的極限平衡法，對于巖質(zhì)邊坡難以合理判定坡體的松弛區(qū)域、滑動面位置、及確定結(jié)構(gòu)面抗剪強度參數(shù)，總之，對巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析存在一定局限性[2]。

而采用強度折減法對巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析可以取得理想的效果。早期鄭穎人等[3]，趙尚毅等[4-6]采用強度折減法對巖質(zhì)邊坡變形破壞機制進行了研究分析，并證明方法的可行性。許多學(xué)者[7-13]結(jié)合此方法對巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評價開展了進一步研究，如李大茂等[7]對全強風化巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)破壞機制進行了研究。卜林等[8]對含軟弱結(jié)構(gòu)面巖坡穩(wěn)定性進行了分析。江學(xué)良等[9]對層狀巖質(zhì)邊坡開挖過程的巖體的變形和應(yīng)力狀態(tài)及屈服狀態(tài)進行了模擬分析，皆取得了一定成果。該方法通過對巖土體的物理力學(xué)參數(shù)進行折減，直至結(jié)構(gòu)達到極限狀態(tài)，即為邊坡的安全系數(shù)[14]。結(jié)果可以反映出巖質(zhì)邊坡的松弛區(qū)域，判定邊坡的潛在滑移面，為巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析提供有力的判斷依據(jù)。

本文以長沙某礦坑順層巖質(zhì)邊坡為研究對象，利用強度折減法的有限元數(shù)值分析軟件Phase2對順層巖質(zhì)邊坡潛在變形破壞模式與支護穩(wěn)定性進行分析。文中對巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的分析方法、步驟和結(jié)果可為類似工程邊坡的穩(wěn)定性評價提供借鑒。

1 強度折減法計算原理

強度折減法最早是Zienkiewize在二十世紀七十年代提出運用計算，結(jié)合有限元分析手段，采用降低巖土強度的方法來計算邊坡的安全系數(shù)，對邊坡穩(wěn)定性進行評價。

在理想的彈塑性有限元計算中，按照一定的強度準則判斷巖土體的屈服破壞情況，從巖土體實際的物理力學(xué)性狀出發(fā)，將邊坡的巖土體強度參數(shù)黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ以系數(shù)F進行折減，如下所示：

c′=c/Fs

(1)

φ′=arctan(tanφ/Fs)

(2)

將c′和φ′帶入程序中計算，直至邊坡達到極限平衡狀態(tài)，發(fā)生失穩(wěn)破壞，破壞時對應(yīng)的折減系數(shù)Fs本質(zhì)上即為邊坡的傳統(tǒng)意義上的穩(wěn)定性系數(shù)，其代表實際工程巖土體的安全穩(wěn)定程度。

有限元強度折減法考慮了巖土體內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，可對任意幾何形狀或不均勻材料的邊坡開展分析，因而此計算方法可得到更接近實際情況的危險滑移面及相應(yīng)的穩(wěn)定性系數(shù)，同時具有可根據(jù)塑性區(qū)的逐步發(fā)展觀察邊坡的漸進破壞過程等諸多優(yōu)點[14]。

本文巖土體材料的本構(gòu)模型按照理想的彈塑性模型考慮，采用摩爾-庫侖的強度屈服準則，運用有限元數(shù)值模擬分析軟件Phase2，基于強度折減法計算原理的方法，來求解巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。

2 邊坡計算模型與參數(shù)

工點邊坡位于長沙某礦坑，該段邊坡坡面裸露，坡長約25 m，坡高35 m～39 m，坡頂有植被覆蓋，邊坡總體傾向211°，坡面上部(距坡腳24 m以上)坡角73°～76°，下部坡角55°～60°，無支護，無地表水及地下水滲出，坡面上無溶蝕溝槽，坡腳有采空區(qū)，寬度約10 m，節(jié)理裂隙發(fā)育，層理面明顯，容易發(fā)生順層滑移破壞，見圖1。

圖1現(xiàn)狀邊坡影像圖

邊坡巖體類型為Ⅲ類，主要受兩組裂隙控制，裂隙L1和裂隙L2結(jié)構(gòu)面較粗糙，張開度1 mm～2 mm，局部鈣質(zhì)膠結(jié)，延伸長度5 m～8 m。結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度差，屬硬性結(jié)構(gòu)面。產(chǎn)狀分別為355°∠-53.4°和92°∠-40.0°。巖層層面為外傾結(jié)構(gòu)面，邊坡層面產(chǎn)狀為210°∠48°，該段邊坡可能產(chǎn)生沿巖層層面順層滑移；裂隙L1、裂隙L2與邊坡大角度相交內(nèi)傾，對邊坡穩(wěn)定性影響小。裂隙與層面在軟件中按節(jié)理進行定義模擬，結(jié)果見圖2。

圖2邊坡工程地質(zhì)模型圖

邊坡從上到下巖土層分別為人工填土、黏土層及微風化泥灰?guī)r，對應(yīng)巖土物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

結(jié)合現(xiàn)場踏勘調(diào)查及設(shè)計規(guī)劃資料，如圖1中所示，該段邊坡坡頂為水泥廠廠房，后期將在該處建設(shè)游樂場建筑物，且坡腳為采空區(qū)。該段邊坡周邊環(huán)境顯得較為復(fù)雜，故如何成功治理該段邊坡顯得十分重要。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

本工點數(shù)值模擬邊坡治理過程的主要思路是：(1) 采用Phase2軟件模擬原狀礦坑場地開挖工況，判斷現(xiàn)狀邊坡應(yīng)力松弛區(qū)域；(2) 根據(jù)現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定狀態(tài)，推斷其安全系數(shù)，并反演松弛區(qū)域?qū)用媾c結(jié)構(gòu)面參數(shù)；(3) 進行刷方卸載及施加錨固工程，使之安全系數(shù)滿足現(xiàn)行規(guī)范要求≥1.35。

3.1 邊坡應(yīng)力松弛區(qū)判定

采用數(shù)值模擬Phase2軟件，分11步對原狀礦坑場地開挖至現(xiàn)狀邊坡狀態(tài)，對比現(xiàn)狀邊坡與原狀場地主應(yīng)力變化情況。

在分析邊坡的穩(wěn)定性時，假定采空區(qū)不存在，僅對采空區(qū)上部巖土層進行穩(wěn)定性分析。數(shù)值模擬結(jié)果見圖3所示，該邊坡應(yīng)力松弛區(qū)較為集中的區(qū)域，集中在邊坡上部及坡腳平臺外側(cè)向下部區(qū)域。該邊坡應(yīng)力集中區(qū)域，集中在邊坡坡腳下部。

圖3現(xiàn)狀邊坡應(yīng)力松弛區(qū)分布圖

提取圖3中1、2號直線的應(yīng)力σ1變化量數(shù)值。以2號線為例，分布曲線如圖4所示。2#線的應(yīng)力松弛區(qū)可分為兩段：0～18 m為應(yīng)力松弛顯著區(qū)，18 m～32 m為應(yīng)力松弛漸變區(qū)，32 m之后應(yīng)力基本不變。同樣可得，1號線的應(yīng)力松弛區(qū)可分為兩段：0～25 m為應(yīng)力松弛顯著區(qū)，25 m～65 m為應(yīng)力松弛漸變區(qū)，65 m之后應(yīng)力基本不變。

圖4 3斷面邊坡2號線Δσ1曲線圖

3.2 邊坡潛在變形破壞模式分析

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查情況及勘察設(shè)計資料，初步判定該段邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。按現(xiàn)狀邊坡處于基本穩(wěn)定，即穩(wěn)定性系數(shù)為1.10左右對結(jié)構(gòu)面參數(shù)進行數(shù)值反演[15]。

模擬過程，結(jié)構(gòu)面參數(shù)按照表1參數(shù)進行折減計算直至接近1.10為止，數(shù)值模擬結(jié)果如圖5所示，計算結(jié)果顯示邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.09。反演主要結(jié)構(gòu)面參數(shù)見表2所示。

圖5 3斷面邊坡潛在破壞模式(總位移云圖)

巖質(zhì)邊坡潛在破壞模式為沿順傾巖層層面滑移-彎曲破壞。結(jié)果與張倬元等[16]提出的巖體變形破壞地質(zhì)力學(xué)基本模式一致。

結(jié)合邊坡自然坡率、巖層產(chǎn)狀，有限元數(shù)值模擬邊坡松弛區(qū)結(jié)果，邊坡現(xiàn)狀變形狀態(tài)分布，及工程經(jīng)驗對主斷面進行綜合分析，并判定潛在滑動面位置，如圖5所示。

3.3 支護穩(wěn)定性評價

參照數(shù)值模擬邊坡現(xiàn)狀可能發(fā)生的破壞模式和潛在滑動面，對邊坡進行加固處理。由于本工點邊坡破壞模式主要為沿順層滑移-彎曲破壞，潛在滑動面位于坡體向內(nèi)10 m范圍內(nèi)，故選擇預(yù)應(yīng)力錨桿進行加固支護，采用系統(tǒng)錨桿對淺表層巖體進行輔助加固，預(yù)應(yīng)力錨桿的錨固段應(yīng)深入至潛在滑面之下。

確定治理方案如下：對邊坡巖土體按照1∶0.5進行淺層刷方；預(yù)應(yīng)力錨桿設(shè)計長度15 m，錨固長度5 m，垂直間距4 m，設(shè)計荷載250 kN；系統(tǒng)錨桿長度5 m，抗拉強度50 kN。

數(shù)值模擬結(jié)果見圖6～圖8，治理之后，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.71。支護前邊坡最大變形為142 mm，支護后邊坡最大變形為6 mm，比支護前減少了95.8%?？梢?，在增加預(yù)應(yīng)力錨桿等措施治理之后，有效的控制了坡體的滑移變形。

圖6 3斷面邊坡潛在破壞模式(總位移云圖)

圖6為主斷面邊坡治理后的總位移云圖，由圖6可見，邊坡潛在滑動面明顯向深部轉(zhuǎn)移，治理措施效果十分明顯。

圖7 3斷面邊坡現(xiàn)狀塑性區(qū)分布云圖

圖8 3斷面邊坡加固后塑性區(qū)分布削減云圖

圖7、圖8為邊坡治理前后塑性分布區(qū)云圖，由兩圖對比可知，治理之后的邊坡塑性屈服變形明顯改善，加固后的邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.4 極限平衡法計算與對比驗證

用極限平衡軟件Slide對現(xiàn)狀邊坡與加固后的邊坡進行計算。結(jié)合判定的潛在滑動面，在模型中定義5 cm的滑動帶薄層，用指定非圓弧滑面進行計算，對現(xiàn)狀邊坡按照穩(wěn)定性系數(shù)1.10左右進行反算。

計算結(jié)果如表3所示，邊坡治理后穩(wěn)定性系數(shù)Fs=1.392，滿足《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》[15](GB 50330—2013)穩(wěn)定安全系數(shù)≥1.35的要求。通過極限平衡法的計算，進一步驗證支護方案有效性。

表3 數(shù)值計算和極限平衡計算結(jié)果對比

4 結(jié) 論

本文基于數(shù)值仿真技術(shù)，采用強度折減安全系數(shù)的非線性有限元數(shù)值極限分析法，對長沙某礦坑順層巖質(zhì)邊坡潛在變形破壞模式與支護穩(wěn)定性進行分析評價。分析了礦坑巖質(zhì)邊坡的應(yīng)力松弛變化特征，根據(jù)現(xiàn)場變形跡象與數(shù)值模擬結(jié)果判定巖質(zhì)邊坡潛在變形破壞模式，選擇合理支護措施進行邊坡治理，并對其支護后邊坡穩(wěn)定性進行分析評價，最后結(jié)合極限平衡軟件Slide進一步驗證支護的有效性。