基于JRC-JCR模型的橋址邊坡漸進(jìn)破壞分析

龍賽瓊，陳煥美，蔣文鵬，秦雨樵，鄧 琴

(1.云南省交通發(fā)展投資有限責(zé)任公司，昆明 650034; 2.云南大永高速公路有限公司， 云南 大理 671000；3.云南省交通投資建設(shè)集團(tuán)有限公司，昆明 650200;4.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，武漢 430071；5. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100000)

0 引 言

深切河谷兩岸山體陡峻，普遍發(fā)育有較深的卸荷裂隙，是潛在的崩塌體。當(dāng)高速公路工程，特別是特大橋跨過(guò)這些區(qū)域時(shí)，其橋址邊坡的穩(wěn)定性直接決定了工程的可行性和安全性。對(duì)于巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性，諸多學(xué)者進(jìn)行了大量研究，根據(jù)所選用方法的不同，大致可以分為：定性分析[1, 2]、定量分析[3-9]和非確定性分析[10-12]。定性分析方法主要包括自然歷史分析法、工程地質(zhì)類比法、圖解法等。定量分析方法則有極限平衡法、極限分析法、數(shù)值計(jì)算方法等等。非確定性方法是利用統(tǒng)計(jì)學(xué)手段對(duì)邊坡失穩(wěn)概率進(jìn)行分析，常用的方法有蒙特卡洛法、一次二階矩法等。

本文針對(duì)中國(guó)云南省某一特大橋的典型橋址邊坡進(jìn)行分析，首先通過(guò)詳細(xì)的地質(zhì)調(diào)查確定控制邊坡穩(wěn)定性的主要結(jié)構(gòu)面及其特征。然后采用分形維數(shù)統(tǒng)計(jì)這些結(jié)構(gòu)面的粗糙度系數(shù)，并代入巴頓JRC-JCS巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度模型[13]確定其抗剪強(qiáng)度。接著，建立有限元模型，分析不同粗糙度系數(shù)以及陡傾卸荷裂隙的角度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，最后給出了提高邊坡穩(wěn)定性的加固措施，為其他相似工況的橋址邊坡工程提供了參照。

1 工程概況

研究對(duì)象位于中國(guó)云南省。為了跨越綠汁江，大橋設(shè)計(jì)為單塔懸索橋，主塔為群樁承臺(tái)基礎(chǔ)，設(shè)置在綠汁江兩側(cè)的陡峭斜坡上；錨碇結(jié)構(gòu)則選用隧道錨。所以擬定橋位處巖土體的工程特性、軟弱面的發(fā)育情況直接決定了橋位設(shè)計(jì)的合理性以及大橋的安全性，對(duì)于項(xiàng)目的開(kāi)展至關(guān)重要。

研究區(qū)域在地質(zhì)上屬于構(gòu)造剝蝕溶蝕區(qū)域，發(fā)育有多條較大斷裂，包括綠汁江大斷裂(F1)等4條大斷裂，主要構(gòu)造方向近南北向。其中對(duì)于線路影響較大的為F5號(hào)斷層，該斷層與路線大角度相交。從該區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)地質(zhì)調(diào)查的結(jié)果來(lái)看，出現(xiàn)了多處平行于綠汁江河道的平推斷層以及擦痕，并且在其中一處擬定橋址附近的懸崖上，還出現(xiàn)了明顯的水平錯(cuò)動(dòng)擦痕。由于受到構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，巖層被擠壓破碎，糜棱化現(xiàn)象較為普遍。

控制工程橋址邊坡的另一關(guān)鍵的地形因素是綠汁江兩岸陡峭的河谷，呈明顯的V型構(gòu)造。橋址區(qū)巖層傾角普遍大于60°，產(chǎn)狀近直立。由于一側(cè)為斜交反傾坡，另一側(cè)為斜交順向坡(圖1)，使得橋址邊坡表層巖體的卸荷作用十分明顯，特別是順巖層的卸荷裂隙，具有深度大，張開(kāi)度深的特點(diǎn)。依據(jù)上述分析，控制所研究橋址邊坡的穩(wěn)定性主要為軟弱結(jié)構(gòu)面，而巖塊本身發(fā)生破壞失穩(wěn)的可能性并不大，在軟弱結(jié)構(gòu)面中，則以陡傾的卸荷節(jié)理以及順層的巖層層面占主導(dǎo)地位。陡崖之間的落差高度可以從某種程度上反應(yīng)強(qiáng)卸荷裂隙的深度，若是多次卸荷發(fā)展的結(jié)果，強(qiáng)卸荷裂隙深度基本小于或者等于陡崖高度；若是一次傾倒坍塌形成，強(qiáng)卸荷裂隙的高度可能大于陡崖落差高度，同時(shí)陡崖下還可能還有小部分巖體雖受到卸荷裂隙影響但暫時(shí)還未倒塌的部分。受到白云質(zhì)灰?guī)r厚度的影響，卸荷裂隙的深度也隨之發(fā)生改變(圖2)。在厚層或者較厚的白云質(zhì)灰?guī)r中，陡崖順層面強(qiáng)卸荷裂隙深度在60～90 m。而在陡崖下的平臺(tái)處則是一個(gè)或者多個(gè)薄厚相間的白云質(zhì)灰?guī)r與黑色板巖的互層結(jié)構(gòu)，強(qiáng)卸荷裂隙的發(fā)育深度會(huì)較淺，逐漸由陡崖附近的60～90 m減少至30～50 m。在垂直于山體的方向，強(qiáng)卸荷裂隙帶的發(fā)育寬度為40～60 m。

圖1 特大橋橋位地質(zhì)剖面示意圖

工程區(qū)出露的巖性以白云質(zhì)灰?guī)r、薄層黑色板巖為主，風(fēng)化程度較低，巖層產(chǎn)狀270°～275°∠58°～68°。為了更準(zhǔn)確地分析得到橋址位附近巖體力學(xué)參數(shù)，采用了多種方法相結(jié)合的方式提出了參數(shù)建議值(表1)。這些方式包括工程類比法，規(guī)范建議值法，室內(nèi)巖體力學(xué)試驗(yàn)。通過(guò)反分析手段，證明這些參數(shù)能較好地符合現(xiàn)今橋址邊坡的穩(wěn)定性狀態(tài)。

表1 橋址邊坡巖體計(jì)算參數(shù)綜合建議值

2 陡傾結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)(JRC)統(tǒng)計(jì)

結(jié)構(gòu)面對(duì)于巖體問(wèn)題穩(wěn)定性的影響，除了要分析其發(fā)育范圍，還應(yīng)當(dāng)關(guān)注其張開(kāi)程度，填充度情況等其他因素，其中結(jié)構(gòu)面的粗糙程度是影響結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度的重要參數(shù)之一。巴頓于1973年提出的JRC-JCS巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度模型由于其簡(jiǎn)單的求解形式以及明確的物理參數(shù)意義，是目前分析結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度的主要方法之一，具有較強(qiáng)的工程使用價(jià)值。通過(guò)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的踏勘資料以及室內(nèi)的分析計(jì)算工作，對(duì)選定橋址處附近出露的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。

2.1 JRC-JCS模型簡(jiǎn)介

由巴頓提出的JRC-JCS巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度模型的主要表達(dá)式為：

(1)

式中：τ為臨界剪應(yīng)力；σn為法向應(yīng)力；JRC為結(jié)構(gòu)面粗糙程度；JCS為巖壁強(qiáng)度(在本文中，JCS與巖體抗壓強(qiáng)度一致，為100 MPa)，在不考慮巖體風(fēng)化的條件下，可用巖體的抗壓強(qiáng)度表示；φ為巖石內(nèi)摩擦角。

由此可知，只要確定了巖體的結(jié)構(gòu)面粗糙程度，巖壁強(qiáng)度以及內(nèi)摩擦角就能最終確定巖體結(jié)構(gòu)面的剪切強(qiáng)度。通常情況下后兩者可以通過(guò)簡(jiǎn)單地室內(nèi)巖體力學(xué)實(shí)驗(yàn)得到，對(duì)于結(jié)構(gòu)面的粗糙程度的判斷，巴頓給出了10條具有代表性的巖體結(jié)構(gòu)面參數(shù)作為比照依據(jù)(表2)。由于這種簡(jiǎn)單的比對(duì)法具有較強(qiáng)的主觀性，一般只適用于經(jīng)驗(yàn)估算。

2.2 基于分形理論的節(jié)理面粗糙度系數(shù)方法

為了克服傳統(tǒng)JRC-JCS模型中JRC估算不準(zhǔn)確的問(wèn)題，謝和平等基于分形幾何的概念建立了一套結(jié)構(gòu)面粗糙程度JRC與分形維數(shù)D之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式[14]：

JRC=85.267 1(D-1)0.567 9

(2)

該公式被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中。因此，要求取巖體結(jié)構(gòu)面的粗糙度系數(shù)，就需要得到其分形維數(shù)。目前，常用的一維曲線分形維數(shù)的確定方法包括尺碼法、盒計(jì)數(shù)法、變差法、功率譜法等等。盒計(jì)數(shù)法是將待測(cè)形狀用邊長(zhǎng)為1的方盒子進(jìn)行覆蓋，然后分割成2n個(gè)小方盒的網(wǎng)格，再對(duì)待測(cè)形狀進(jìn)行覆蓋，統(tǒng)計(jì)與輪廓相交的方盒子的數(shù)量M(n)，這樣曲線的分形維數(shù)即為：

表2 典型JRC剖面及其分形維數(shù)

(3)

2.3 橋址邊坡陡傾結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)

在擬定橋址邊坡區(qū)域內(nèi)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘結(jié)果，共發(fā)現(xiàn)露頭結(jié)構(gòu)面12處，其中陡傾結(jié)構(gòu)面8處，緩傾巖層面4處。采用上文提到的基于分形理論的結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)方法對(duì)這些結(jié)構(gòu)面進(jìn)行分析，并利用盒計(jì)數(shù)法求解分形維數(shù)，得到的結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)參數(shù)

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，陡傾結(jié)構(gòu)面近乎直立，角度范圍在77°～84°左右，粗糙程度相差也很大，平滑的結(jié)構(gòu)面JRC僅為4～6，而大部分的結(jié)構(gòu)面則較為粗糙，JRC系數(shù)基本大于14。而緩傾巖層面的夾角則在10°～15°附近，最平滑的結(jié)構(gòu)面的結(jié)構(gòu)面粗糙程度為4.3。這表明，如果橋址邊坡發(fā)生失穩(wěn)，其主要破壞形式應(yīng)為兩種結(jié)構(gòu)面中最光滑結(jié)構(gòu)面相互組合且貫通后產(chǎn)生的，是本次穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的重點(diǎn)。

3 橋址邊坡漸進(jìn)破壞模式分析

為了分析兩組節(jié)理面對(duì)于橋址邊坡穩(wěn)定性的影響，在可能接近模擬實(shí)際邊坡地形、地質(zhì)條件的前提下，建立有限元分析模型(圖3)。主要模擬存在堆積體以及堆積體被去除的兩種不同工況，并考慮不同的陡傾結(jié)構(gòu)面傾角以及不同結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，陡傾結(jié)構(gòu)面的角度設(shè)置為75°，80°，85°，結(jié)構(gòu)面粗糙系數(shù)設(shè)置為8、11.2、12.8、14.4以及16五種情況。由于不同模型中劃分單元不同，具體模型信息見(jiàn)表4。兩組結(jié)構(gòu)面采用Goodman單元來(lái)模擬，其強(qiáng)度使用上文提到的巴頓JRC-JCS模型。

圖3 有限元模型圖

表4 工況統(tǒng)計(jì)表

3.1 結(jié)構(gòu)面粗糙程度對(duì)穩(wěn)定性的影響

以結(jié)構(gòu)面傾角75°模型為例(模型1，模型4)，考慮最不利情況，考慮陡傾結(jié)構(gòu)面間距為10 m，均勻分布在陡坎之后。同時(shí)一條緩傾巖層面則從堆積體與巖層面的分解處向后延伸，角度為20°。然后代入不同陡傾結(jié)構(gòu)面粗糙系數(shù)JRC進(jìn)行計(jì)算。這一過(guò)程可以視為在巖體在逐漸失穩(wěn)過(guò)程中，結(jié)構(gòu)面之間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)而逐漸被磨平，粗糙程度顯著降低，具體結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 不同結(jié)構(gòu)面粗糙程度下邊坡位移分布圖

從結(jié)果中可以看出，在前方堆積體存在時(shí)(模型1)，位移主要集中在陡坎處后120 m處，基本位于強(qiáng)卸荷帶范圍內(nèi)，最大值為85.8 cm，位于邊坡的陡坎處。表明在此不利條件下，陡坎處有失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。隨著結(jié)構(gòu)面逐漸被磨光滑，抗剪強(qiáng)度進(jìn)一步下降，位移分布逐漸向下擴(kuò)展，堆積體處位移明顯增大，整體坡體可能沿緩傾巖層面以及堆積體的組合滑面發(fā)生失穩(wěn)破壞。圖5展示了不同粗糙度系數(shù)條件下陡傾結(jié)構(gòu)面的屈服情況。可以發(fā)現(xiàn)，隨著粗糙系數(shù)逐漸降低，節(jié)理面的屈服深度逐漸變深，在前端最深處可以達(dá)到40 m以上，塑型貫通率由0%發(fā)展至20%。但由于前方堆積體的存在，陡傾節(jié)理面與緩傾巖層面并未貫通，未出現(xiàn)整體的傾倒破壞。

由于在橋址施工的過(guò)程中，需要清除堆積體形成施工作業(yè)平臺(tái)。在最極端的情況下，假設(shè)堆積體已被完全清除，此時(shí)從位移分布圖中可以發(fā)現(xiàn)，在沒(méi)有阻擋的情況下，前部塊體位移超過(guò)3 m，表明在這種極端條件下已經(jīng)發(fā)生的傾倒破壞，整個(gè)坡體都有向下發(fā)生整體失穩(wěn)的趨勢(shì)。從結(jié)構(gòu)面屈服的分布上來(lái)看(圖5)，距陡坎60 m的范圍內(nèi)陡傾結(jié)構(gòu)面與緩傾巖層面在粗糙程度較大的情況下都已貫通，隨著粗糙度系數(shù)的減小，貫通的結(jié)構(gòu)面也逐漸向后發(fā)展，最終的發(fā)育寬度范圍近70 m。據(jù)此可以推斷的是，如果前方的巖體傾倒破壞后，后方的巖體失去阻擋，會(huì)誘發(fā)更大程度的失穩(wěn)。所以要保證橋址邊坡的穩(wěn)定性，關(guān)鍵在于減少結(jié)構(gòu)面的滑移，防止陡坎巖體前方巖體發(fā)生大的傾倒破壞，從而引發(fā)更大規(guī)模的漸進(jìn)式滑坡。

圖5 不同結(jié)構(gòu)面粗糙程度下結(jié)構(gòu)面屈服分布圖

3.2 陡傾結(jié)構(gòu)面角度影響

從現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)的結(jié)果上來(lái)看，陡傾結(jié)構(gòu)面的角度在75°～85°分布，所以陡傾結(jié)構(gòu)面的角度也是控制橋址邊坡的關(guān)鍵因素之一。圖6展示了陡傾傾角分別為75°，80°以及85° 3種情況下有無(wú)堆積體的條件下的位移分布圖。在堆積體存在的情況下，當(dāng)陡傾傾角為75°時(shí)，大的位移區(qū)域分布在陡坎附近，整體的失穩(wěn)模式是后緣拉裂的陡傾結(jié)構(gòu)面與緩傾巖層面的組合，前端則從堆積體前方剪出。而如果陡傾結(jié)構(gòu)面角度普遍為80°時(shí)，位移集中區(qū)域上移，位于陡坎上方更陡的邊坡處，最大位移峰值也更大。當(dāng)陡傾結(jié)構(gòu)面近乎垂直時(shí)，破壞模式則由局部的淺層破壞逐漸轉(zhuǎn)化為整體的滑移。這一現(xiàn)象在結(jié)構(gòu)面的屈服分布圖7中也得到了驗(yàn)證：隨著傾角的逐步增大，屈服的結(jié)構(gòu)面深度隨之增大，在近乎直立的條件下，則基本所有結(jié)構(gòu)面均屈服。如果移除掉陡坎前方的堆積體，主要影響的還是陡坎前部部位出現(xiàn)屈服結(jié)構(gòu)面貫通，整體的失穩(wěn)模式與堆積體存在的情況基本一致。從這些結(jié)果中可以推導(dǎo)出，陡傾結(jié)構(gòu)面傾角越大，邊坡穩(wěn)定性越差。

圖6 不同陡傾卸荷結(jié)構(gòu)面傾角下位移分布圖

圖7 不同陡傾卸荷結(jié)構(gòu)面傾角下結(jié)構(gòu)面屈服分布圖

3.3 工程處置方案

控制所研究橋址邊坡穩(wěn)定性的主要因素有兩個(gè)：陡傾卸荷結(jié)構(gòu)面的粗糙程度以及傾斜角度；前方堆積體的穩(wěn)定性。針對(duì)這兩點(diǎn)需要采用適當(dāng)?shù)氖侄畏乐苟竷A結(jié)構(gòu)面進(jìn)一步在重力作用下拉開(kāi)失穩(wěn)，這些手段包括：

(1)結(jié)合施工的可行性，綜合考慮隧道施工作業(yè)面、錨碇施工作業(yè)面和橋梁主塔施工作業(yè)面等因素，要在擬建橋基處開(kāi)挖處施工作業(yè)平臺(tái)，移除一部分陡坎前部強(qiáng)卸荷帶的巖體。針對(duì)上部邊坡則采用放坡的形式，使坡度變緩。

(2)為了減小挖方量，在滿足穩(wěn)定性要求的前提下盡量地經(jīng)濟(jì)且減小對(duì)環(huán)境的擾動(dòng)，需要在開(kāi)挖之后的邊坡表面采取錨索框格梁的形式進(jìn)行防護(hù)。要限制陡傾結(jié)構(gòu)面的變形，錨桿必須穿過(guò)強(qiáng)卸荷帶。

結(jié)合上述這兩點(diǎn)，采用放坡比為1∶0.25的小開(kāi)挖方案，具體加固方案如下：

(1)錨碇上邊坡滿足穩(wěn)定性要求，考慮到錨洞開(kāi)挖和爆破施工的影響，一定范圍坡面需采取噴錨掛網(wǎng)加固措施。

(2)錨碇下邊坡整體穩(wěn)定性較好，局部淺部邊坡需要加固。梅花形布置，入射角15°，橫向間距3 m， 縱向2 m，錨固段不小于3 m，長(zhǎng)度11 m，每根加固力271.5 kN，共需8排，

(3)索塔上邊坡淺部需要加固。橫向間距3 m， 縱向2 m，錨固段不小于7 m，長(zhǎng)度19 m，每根加固力633.5 kN，共需22排。

(4)索塔下邊坡淺部需要加固。橫向間距3 m， 縱向2 m，錨固段不小于8 m，長(zhǎng)度30 m，每根加固力724.0 kN，共需28排。

圖8 邊坡加固示意圖

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)云南一特大橋橋址邊坡的研究，探究了邊坡漸進(jìn)破壞過(guò)程。首先對(duì)橋址邊坡區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)控制橋址邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵層位是陡傾結(jié)構(gòu)面與緩傾巖層面，采用分形幾何的方法求取結(jié)構(gòu)面的粗糙度，并且引入巴頓JRC-JCS巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度模型得到結(jié)構(gòu)面的剪切強(qiáng)度。建立橋址邊坡的有限元模型，用Goodman單元代表結(jié)構(gòu)面，模擬了前部堆積體存在以及被挖去之后的兩種情況，同時(shí)研究了不同粗糙度以及傾角的條件下的穩(wěn)定性情況。結(jié)果如下：①?gòu)?qiáng)卸荷裂隙角度范圍在77°～84°左右，發(fā)育寬度為40～60 m，發(fā)育深度在60～90 m，緩傾巖層面的夾角則在10°～15°附近；②通過(guò)基于分形理論的粗糙度統(tǒng)計(jì)，研究區(qū)域結(jié)構(gòu)面粗糙程度差異較大，部分十分平滑，大部分較為粗糙，JRC系數(shù)基本大于14；③有限元分析計(jì)算表明，研究邊坡呈現(xiàn)明顯的漸進(jìn)破壞模式。位移較大的區(qū)域主要集中在陡坎前部，隨著結(jié)構(gòu)面的錯(cuò)動(dòng)，粗糙程度降低，抗剪強(qiáng)度減少，屈服的結(jié)構(gòu)面的深度進(jìn)一步加深；④結(jié)構(gòu)面傾角越大，屈服的深度越深，邊坡逐步由局部破壞轉(zhuǎn)變?yōu)檎w破壞。最后根據(jù)計(jì)算結(jié)果，認(rèn)為要保障邊坡的穩(wěn)定性，需要控制卸荷裂隙的進(jìn)一步變形，并提出了相應(yīng)的工程處置措施，取得了較好的效果。