公路巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的數(shù)值模擬分析

王安禮， 鄔忠虎， 婁義黎， 曲廣琇， 唐摩天， 崔恒濤， 宋懷雷

(1.貴州省質(zhì)安交通工程監(jiān)控檢測中心有限責任公司， 貴陽 550081； 2.貴州大學土木工程學院， 貴陽 550025； 3.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司， 貴陽 550081)

目前，中國高速公路總里程已突破14萬 km，隨著高速公路建設(shè)的快速推進，貴州省也初步實現(xiàn)了縣縣通高速的愿景，但貴州省特有的地質(zhì)條件使得在高速公路建設(shè)過程中不可避免地出現(xiàn)了大量的高速公路邊坡，因此邊坡治理是貴州高速公路建設(shè)亟待解決的問題，而且貴州特殊氣候條件成為邊坡災(zāi)害發(fā)生的不可控因素，邊坡發(fā)生失穩(wěn)滑坡災(zāi)害，勢必造成嚴重的經(jīng)濟損失。因此針對貴州特有的地質(zhì)條件開展巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性研究是迫切需要的。

目前，關(guān)于邊坡穩(wěn)定性分析的方法主要分為三類：定性分析、定量分析和非確定性分析[1-8]。祝玉學[9]利用可靠性分析方法對邊坡進行了大量研究，并取得豐碩成果。楊小明等[10]利用軟件FLAC3D對不同條件下的膨脹土邊坡進行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)裂隙面的存在嚴重影響了膨脹土邊坡的穩(wěn)定性。曾韜睿等[11]利用FLAC3D模擬了邊坡土體的凍融情況，計算出邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，進行了粉土質(zhì)邊坡凍融穩(wěn)定性分析，取得了很好的結(jié)果。楊中福等[12]利用非連續(xù)分析方法(DDA)研究了凍融條件下天山路邊邊坡的失穩(wěn)破壞過程，并提出了該條件下的邊坡支護方法。徐奴文等[13]利用RFPA-Slope分析了高危巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)破壞過程，并驗證了威震監(jiān)測在邊坡監(jiān)測中是適用的。王俤剴等[14]采用軟件RFPA3D模擬了大崗山水電站高陡邊坡失穩(wěn)破壞，分析了卸荷裂隙密集帶對高陡邊坡穩(wěn)定性的影響。陳建宏等[15]分析了邊坡穩(wěn)定性各影響因素的聯(lián)系，提出了基于主成分分析(PCA)和誤差反向傳播(BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的邊坡穩(wěn)定性分析方法。王小兵等[16]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析方法結(jié)合蒙特卡洛方法研究了邊坡穩(wěn)定性，并取得很好的結(jié)果。

綜上所述，以貴州省境內(nèi)高速公路BT3標段右側(cè)邊坡為研究對象，利用軟件RFPA2D-SRM對該巖質(zhì)邊坡進行數(shù)值模擬，分析巖質(zhì)邊坡在自重條件下的失穩(wěn)破壞過程，并就邊坡的失穩(wěn)情況進行邊坡的支護設(shè)計，旨在研究巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)破壞過程，并提出該類邊坡的支護方法。因此研究結(jié)果將為貴州省巖質(zhì)邊坡治理提供重要的理論依據(jù)。

1 工程概述

BT3標段右側(cè)邊坡是水口至都勻的一處巖質(zhì)邊坡，路線切割一山體，右側(cè)最大挖方高度為41.04 m，上覆土層為含碎石黏土，厚1.0～3.0 m；下伏基巖為中厚層狀淺變質(zhì)板巖，巖層產(chǎn)狀：200°∠13°。強風化層厚2.0～3.0 m，節(jié)理裂隙發(fā)育。巖體破碎，巖石較軟，邊坡中石-土比約為12∶1；巖層內(nèi)存在軟弱夾層。邊坡開挖臨空后在連續(xù)強降雨沖刷作用下，巖層易沿軟弱層面滑動。初始方案：邊坡按1∶0.75～1∶1放坡。

2 試驗方法

2.1 單軸壓縮試驗

為了更好地建立數(shù)值模型，開展了現(xiàn)場取芯并對邊坡巖石進行了力學性能測試。根據(jù)文獻[17]取邊坡開挖后出露的新鮮巖層面上的大塊巖體，取樣深度約40 m，使用鉆心機進行鉆心取樣。將巖心制成直徑D≈45 mm、高H≈100 mm的圓柱體試件，制備3個巖心，巖石平均密度約為2 598 kg/m3，實驗樣品大小能夠兜住大于4.5 cm的碎石。巖樣取自同一塊巖石，以確保同一組巖樣的層理結(jié)構(gòu)相同，然后對切割面進行磨光處理，按《工程巖體試驗方法標準》規(guī)定，試件兩端面的不平整度誤差小于0.05 mm，高度直徑誤差小于0.3 mm，側(cè)面垂直度偏差小于0.25°，如圖1所示。

εy和εz分別為環(huán)向應(yīng)變和軸向應(yīng)變

試驗采用電阻應(yīng)變片測定巖樣的應(yīng)變。在巖樣中部粘貼2組型號為BX120-5BA的應(yīng)變片。a組兩個沿豎直方向粘貼，b組4個沿周向粘貼，相互垂直。a片測定軸向應(yīng)變εz，b片測定環(huán)向應(yīng)變εy，巖樣尺寸及應(yīng)變片粘貼示意如圖1所示。試驗裝置為Instron電液壓伺服控制剛性試驗機。通過試驗控制軟件設(shè)置試驗加載速度為按每秒0.1 MPa的進行加載，直至試樣破壞，采樣頻率為每秒1次。計算機通過數(shù)據(jù)線與應(yīng)變片和受力傳感器連接來實現(xiàn)實時采樣數(shù)據(jù)的傳輸，并繪制軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圖2)，試驗過程中可從顯示屏上觀察試樣加載破壞的全過程。

σt為軸向應(yīng)力

2.2 單軸壓縮試驗結(jié)果

根據(jù)規(guī)范要求，取彈性直線段的應(yīng)力應(yīng)變差值計算彈性模量和泊松比，由于在規(guī)范中規(guī)定的標準試件尺寸為：D=50 mm，H=100 mm，本實驗試件非標準試件，需按《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》推薦的單軸抗壓強度換算公式進行修正：

(1)

式(1)中：σt為非標準試件的單軸抗壓強度。

經(jīng)過換算公式進行修正的試樣的標準強度值如表1所示。

表1 試樣的單軸強度試驗值[17]

2.3 邊坡數(shù)值模型

2016年10月該邊坡出現(xiàn)多條裂縫變形帶，并向坡面延伸，邊坡后緣既有裂縫如圖3所示。實際工程中，如果能夠確定邊坡的潛在破壞面形狀，對邊坡加固設(shè)計和后期施工監(jiān)控工作十分有益，如預(yù)應(yīng)力錨索或錨桿加固邊坡設(shè)計時，需要確定錨索或錨桿長度，若邊坡潛在破壞面形狀已知，就可以經(jīng)濟的合理布設(shè)。為深入探究邊坡失穩(wěn)破壞過程，利用RFPA2D-SRM對現(xiàn)場巖質(zhì)邊坡進行數(shù)值模擬，根據(jù)地質(zhì)背景，模型長91 m，總高51 m(其中邊坡高41 m)，模型剖面共劃分204×364=74 256個單元，該巖質(zhì)邊坡破面是風化程度較大的破碎帶，底層為風化程度較低的基巖(板巖)。模型依據(jù)邊坡初步治理方案(邊坡按1∶0.75～1∶1放坡)建模，具體模型參見圖4。通過單軸壓縮試驗結(jié)果對該巖質(zhì)邊坡進行參數(shù)賦值，數(shù)值計算加載過程采用自重加載，邊界條件為x方向左右固定，y方向底部固定。

圖3 邊坡后緣既有裂縫

圖4 數(shù)值模型

3 結(jié)果與討論

3.1 邊坡失穩(wěn)破壞過程分析

圖5為該巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)破壞過程的剪應(yīng)力圖和聲發(fā)射圖。從圖5中剪應(yīng)力圖可以看出，邊坡中破碎帶對邊坡穩(wěn)定性影響顯著，無支護條件下剪應(yīng)力集中分布在破碎帶和基底的接觸面。無支護條件下巖質(zhì)邊坡隨著自重載荷的加載，當計算至9-11步時邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)，沿著接觸面出現(xiàn)了微破裂；當計算至9-27步時，微破裂增多并沿著接觸面上下延伸，形成明顯的宏觀裂紋，此時邊坡已完全失穩(wěn)，從而誘發(fā)嚴重的滑坡災(zāi)害。通過計算，該巖質(zhì)邊坡在無支護條件下失穩(wěn)破壞時的安全系數(shù)為1.1，表明該邊坡在自重情況下是處于較不穩(wěn)定狀態(tài)。

紅色表示拉伸破壞，黃色表示剪切破壞

通過對該邊坡進行數(shù)值模擬分析，可以清楚地看見邊坡失穩(wěn)破壞過程，并能夠清晰知道邊坡失穩(wěn)破壞的滑移面，因此，本研究根據(jù)無支護條件下該巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)破壞過程設(shè)計了邊坡支護措施，并建立了預(yù)應(yīng)力錨索支護數(shù)值模型。經(jīng)過數(shù)值分析可知，在支護條件下該巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)破壞時的安全系數(shù)為1.64，顯然預(yù)應(yīng)力錨索支護大大提高了邊坡的穩(wěn)定性。

從圖5可以發(fā)現(xiàn)，預(yù)應(yīng)力錨索支護改變了邊坡中剪應(yīng)力的分布，并且提高了加固區(qū)的剪應(yīng)力。從圖5中聲發(fā)射圖可以看出，在兩種條件下邊坡失穩(wěn)破壞過程主要是剪切破壞，并伴隨著拉伸破壞。在無支護條件下邊坡失穩(wěn)破壞的滑移面基本上出現(xiàn)在破碎帶和基巖的接觸面，而當在邊坡中加入預(yù)應(yīng)力錨索支護后，邊坡失穩(wěn)破壞時受預(yù)應(yīng)力錨索影響顯著，裂紋沿接觸面擴展時受預(yù)應(yīng)力錨索影響沿預(yù)應(yīng)力向破碎帶中萌生出微裂紋，這從聲發(fā)射圖可以清楚看見。

3.2 邊坡失穩(wěn)破壞過程中的能量分析

在RFPA數(shù)值模型中，宏觀裂紋是由大量的微破裂積累而成，微破裂的累積過程即為數(shù)值模型的損傷過程。在數(shù)值模型損傷過程中每一個微破裂單元既是一個聲發(fā)射事件，單元破裂所釋放的能量即為聲發(fā)射能量，因此數(shù)值計算過程中統(tǒng)計出聲發(fā)射能量和單元破壞數(shù)即可分析邊坡數(shù)值模型在失穩(wěn)破壞過程中的能量變化和內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷過程[18-21]。

支護前后邊坡失穩(wěn)破壞過程的聲發(fā)射變化規(guī)律如圖6所示。從圖6中可以看到，無論是支護前還是支護后，邊坡失穩(wěn)發(fā)生滑坡的過程是一個能量積蓄-釋放的過程。支護前釋放能(AEnergy)和累計聲發(fā)射計數(shù)(acoustic emission，AE)隨著計算步數(shù)的增加而表現(xiàn)出緩增-激增-平緩的演化規(guī)律，當計算步數(shù)在9步之前，釋放能AEnergy和累計AE均增速緩慢和含量較小，當計算至9步時，邊坡內(nèi)部微裂紋貫通，破壞單元增多，能量急速釋放，釋放能AEnergy和累計AE激增，9步之后釋放能AEnergy和累計AE均趨于平緩；支護后邊坡失穩(wěn)破壞過程中能量的演化規(guī)律和支護前大致相同，也表現(xiàn)出緩增-激增-平緩的演化規(guī)律，但是較支護前不同的是，支護后邊坡安全系數(shù)增大，邊坡很穩(wěn)定，計算至39步邊坡中微裂紋才貫通，破壞單元增加，AEnergy和累計AE激增。對比支護前和支護后聲發(fā)射的演化過程，支護前聲發(fā)射能量演化過程變化較快，這是因為邊坡穩(wěn)定性低于支護后的邊坡，自重條件下微破裂出現(xiàn)較早。

圖6 支護前后邊坡失穩(wěn)破壞過程的聲發(fā)射變化圖

總體來說，通過統(tǒng)計邊坡失穩(wěn)破壞過程中能量演化規(guī)律可知，邊坡的失穩(wěn)破壞過程是一個緩慢的能量變化過程，并伴有明顯的能量激增現(xiàn)象，因此，根據(jù)邊坡失穩(wěn)過程中的能量演化分析可知，邊坡的失穩(wěn)破壞是可以預(yù)警與預(yù)報的，可以通過對邊坡進行實時能量變化監(jiān)測，進而實現(xiàn)邊坡災(zāi)害的預(yù)警預(yù)報，降低災(zāi)害發(fā)生時的人員傷亡和經(jīng)濟損失。

3.3 工程實例分析

通過前面的數(shù)值試驗分析，本文研究基于邊坡失穩(wěn)破壞過程設(shè)計了預(yù)應(yīng)力錨索支護，并得到了很好的結(jié)果，在現(xiàn)場，依據(jù)數(shù)值結(jié)果對貴州省境內(nèi)某高速公路BT3標段右側(cè)邊坡進行了預(yù)應(yīng)力錨索支護，并進行了錨索索力監(jiān)測，測點布置如圖7所示。

圖7 錨索索力測點布置圖

經(jīng)過69 d實時監(jiān)測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制成圖8所示，圖8為錨索索力隨時間的變化圖。圖8中，3號錨索的初始預(yù)應(yīng)力為234.7 kN，最后穩(wěn)定在217 kN附近，損失比例約為7%；1號和2號的初始索力分別為121.1 kN和102.3 kN，索力損失比例約為2%和4%。綜上分析，錨索索力損失較小，變化較為穩(wěn)定，邊坡是穩(wěn)定安全的。

圖8 測點錨索索力變化圖

4 結(jié)論

通過單軸試驗和RFPA2D-SRM對貴州省境內(nèi)某高速公路的巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)破壞進行了試驗分析，研究了邊坡的穩(wěn)定性和失穩(wěn)破壞過程中的能量演化規(guī)律，得出以下結(jié)論。

(1)風化帶(破碎帶)對邊坡影響顯著，支護前后邊坡失穩(wěn)破壞的滑移面出現(xiàn)在破碎帶和基巖的接觸面。

(2)通過數(shù)值分析計算支護前邊坡的安全系數(shù)為1.1，較不穩(wěn)定。支護后邊坡的安全系數(shù)達到了1.64，此時邊坡較穩(wěn)定。因此預(yù)應(yīng)力錨索大大提高了邊坡的穩(wěn)定性。對比傳統(tǒng)高速路的護坡技術(shù)，本方法可以做到通過數(shù)值模擬來優(yōu)化護坡設(shè)計方案，節(jié)約大量的時間和經(jīng)濟。

(3)支護前后邊坡失穩(wěn)破壞過程中聲發(fā)射信號表現(xiàn)出緩增-激增-平緩的演化規(guī)律。通過統(tǒng)計邊坡失穩(wěn)破壞過程中能量演化規(guī)律可知，邊坡的失穩(wěn)破壞過程是一個緩慢的能量變化過程，并伴有明顯的能量激增現(xiàn)象，因此，邊坡的失穩(wěn)破壞是可以預(yù)警與預(yù)報的。在接下來的工作中，將探討邊坡失穩(wěn)破壞過程中的微震監(jiān)測，進而實現(xiàn)邊坡災(zāi)害的預(yù)警預(yù)報，降低災(zāi)害帶來的人員傷亡和經(jīng)濟損失。