王勇剛

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢 430063)

滑坡是山嶺隧道所遇到的最主要的不良地質(zhì)問題之一，特別是對隧道的進出口影響更為巨大。由于滑坡具有突發(fā)性及危害大的特點，一般情況下，線路應(yīng)繞避穩(wěn)定性差的巨型、大型滑坡體，實在不易繞避或繞避不經(jīng)濟時，應(yīng)先治理滑坡，然后再進行工程建設(shè)。

華南某鐵路高尾頂隧道位于廣東省境內(nèi)，屬剝蝕丘陵地貌，全長約5 320 m，埋深最大處約260 m，線路走向約為156°。隧道區(qū)屬亞熱帶海洋性氣候，雨量充沛。

1 工程地質(zhì)條件

隧址區(qū)丘坡表層多覆蓋第四系殘坡積黏土、粉質(zhì)黏土，洞身穿過地層為寒武系八村群砂巖與頁巖互層?？傮w構(gòu)造形跡以斷層為主、褶皺次之，區(qū)域性的大褶皺古水向斜表現(xiàn)為緩傾角巖層的單斜構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀大致為315°∠27°。巖層節(jié)理裂隙發(fā)育，通過對測區(qū)內(nèi)巖層中的原生節(jié)理裂隙進行了分類統(tǒng)計，優(yōu)選出各巖組中基本優(yōu)勢節(jié)理的主要發(fā)育方向為 NW、NNW、NE向，構(gòu)造部位節(jié)理十分發(fā)育，多為壓～壓扭性裂隙。

地下水主要為基巖裂隙水和構(gòu)造裂隙水，補給源主要為大氣降水，通過基巖風化裂隙徑流和排泄。

2 隧道進口滑坡概況

隧道進口處發(fā)育一大型滑坡，并伴隨有次一級小型滑坡體。滑坡體總體呈扁平狀，范圍為線路左側(cè)約190 m至右側(cè)約50 m，沿線路方向長約為200 m，滑坡體周界大致沿山頂及沖溝分布，滑坡壁表層風化為土狀?；麦w上部陡坡近乎直立，可見一級平臺，寬約8～10 m，位于滑坡體中前部附近有沖溝發(fā)育，下部局部隆起，滑坡體所處的地形圖如圖1所示。

通過現(xiàn)場測繪，得出滑坡主軸為正南北向。為查明滑坡體的滑動面，分別在滑坡主軸和沿線路方向布置鉆孔。鉆孔揭示，高尾頂隧道地層結(jié)構(gòu)由表及里大致可分為如下3層:①硬塑狀粉質(zhì)黏土，淺黃色，褐黃色，含約20%左右的碎石、角礫，碎石、角礫主要成份為砂巖，厚度約為3.5～14.5 m。②全風化粉砂巖，灰綠色，灰黃色，粉砂狀結(jié)構(gòu)，巖芯呈砂土狀，手捏易散，厚度約為4～20 m。③強～弱風化粉砂巖，褐黃色，粉砂狀結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造。據(jù)鉆孔揭示的資料，高尾頂隧道進口滑坡滑動面位于全風化粉砂巖內(nèi)，存在上下兩層滑動面，分別位于地表以下8～10 m處與18～20 m處，滑動帶厚度約為0.30～0.45 m，巖芯較軟、較濕，含30%左右的角礫，角礫成分以砂巖為主，呈次棱角狀，粒徑一般約為0.5～2.0 cm，最大的約為4.0 cm，分布不均。滑坡體沿線路方向的剖面如圖2所示。

3 隧道進口滑坡分析

鑒于試驗條件的限制，未能進行室內(nèi)或野外滑動面重合剪切試驗。本文采用大變形彈塑性接觸算法的有限元模型對高尾頂隧道進口的滑坡進行模擬分析。

3.1 彈塑性接觸算法有限元概述

有限元法是以分割近似原理為基礎(chǔ)，將連續(xù)體轉(zhuǎn)化為有限個單元的集合體，然后確定單元的位移模式，根據(jù)單元的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系建立單元的剛度矩陣，通過對單元剛度矩陣的集成，建立整體的剛度矩陣，最后在一定的邊界條件下求解出問題的近似解答。

圖1 滑坡地形

圖2 滑坡沿線路方向縱剖面

由于巖土體材料的非線性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，在采用彈塑接觸算法有限元分析滑坡穩(wěn)定性時，一般對土及巖石的屈服形式均采用Drucker-Prager彈塑性模型。對于目前狀態(tài)下處于未動狀態(tài)的滑坡，只有采用不分離狀態(tài)的接觸算法，才能比較準確地評價滑坡的穩(wěn)定性。

3.2 分析模型的建立

考慮到計算精度及滑坡之外的山體對滑坡本身的穩(wěn)定性影響不是太大，在平面圖上選擇滑坡區(qū)范圍內(nèi)220 m×250 m，由于滑坡體沿滑面延伸深度較大，模型底面取在高程為30 m處。

為簡化計算，考慮到滑坡體只存在沿滑面滑動的可能性，按滑面的位置將滑坡體分為滑坡體、滑動帶及滑床三部分。鑒于三維8節(jié)點等參單元良好的適應(yīng)性，本文對滑動帶上下的滑坡體及滑床均采用三維8節(jié)點等參單元，滑動帶采用接觸單元進行模似，在對計算結(jié)果有較大影響的區(qū)域，采用較高的網(wǎng)格密度，在滑動帶附近進行網(wǎng)格加密，在滑坡區(qū)外采用相對較低的網(wǎng)格密度，這樣，既可以保證計算結(jié)構(gòu)的精度，又可以節(jié)約計算成本。滑坡體立面的網(wǎng)格劃分如圖3所示。

根據(jù)現(xiàn)場的試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計資料，按表1的物理力學指標進行分析。

圖3 滑坡體有限元網(wǎng)格劃分

表1 滑坡各部分物理力學參數(shù)

在對滑坡進行穩(wěn)定分析中，滑動面參數(shù)的選擇至關(guān)重要，而滑動面的參數(shù)與其含水程度是密切相關(guān)的，根據(jù)鉆探揭示的巖芯，滑動面處的巖芯呈軟塑狀，由于滑坡體上面已產(chǎn)生裂縫，地表降水將可能沿滑動面下滲，降低滑動面的抗剪強度，從而降低滑坡的穩(wěn)定性。廣東地區(qū)屬于降雨多發(fā)地帶，選擇降雨最頻繁的7、8月份時取得的滑動面抗剪強度，應(yīng)能滿足工程安全度的需要。根據(jù)鉆孔內(nèi)取到的滑動面附近的原狀土樣進行物理力學性質(zhì)試驗，得出滑坡帶軟塑狀黏性土的指標為天然含水量 ω=32.7%，天然密度 ρ=1.81 g/cm3，顆粒密度 ρs=2.7 g/cm3，天然孔隙比 e=0.98，液限 ωL=33.7%，塑限 ωP=23.3%，塑性指數(shù) IL=10.4%，液性指數(shù) IP=0.9，黏聚力 c=10.53 kPa，內(nèi)摩擦角φ=15.9°。但是采用反演分析法按折線方式對滑坡穩(wěn)定性進行分析時，鑒于滑坡體上部已出現(xiàn)裂縫，反算抗剪強度指標時，穩(wěn)定安全系數(shù)K取為0.95，反算可得出滑動帶抗剪強度指標為 c=10 kPa，φ=16.5°。綜合兩種方法得到的滑動帶的指標參數(shù)，取抗剪強度指標為 c=10 kPa，φ=16.5°。

3.3 結(jié)果分析

根據(jù)上述三維有限元模型進行分析，最大推力發(fā)生在離坡腳約80 m的滑面A處，其方向沿滑面切線方向向下，在此處的滑坡最大推力約為11 777 kN/m，A處至坡腳段抗滑力較下滑力為大，至坡腳處推力約為5 496 kN/m。由此可得出結(jié)論，高尾頂進口滑坡治理難度非常大，線路予以繞避。

4 結(jié)論

本文主要利用有限元方法對高尾頂隧道進口的滑坡穩(wěn)定性進行了分析，對于滑坡穩(wěn)定狀態(tài)的模擬分析，其最主要的問題是滑動面參數(shù)的確定，其次是計算單元的選擇與網(wǎng)格疏密程度的劃分。而滑動面參數(shù)是與現(xiàn)場各種復雜的環(huán)境因素有關(guān)，比如滑動面的含水量等。巖土參數(shù)的選擇是決定計算結(jié)果與實際情況是否相近的關(guān)鍵因素。

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