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        具有外傾節(jié)理巖質(zhì)邊坡開挖與支護FLAC3D數(shù)值模擬分析

        2012-05-13 09:57:02侯俊偉施毅唐秋元吳曙光
        重慶建筑 2012年9期
        關(guān)鍵詞:巖質(zhì)坡頂坡腳

        侯俊偉,施毅,唐秋元,吳曙光

        (1中煤科工集團重慶設(shè)計研究院,重慶400016;2重慶大學土木工程學院,重慶400045)

        0 引言

        在實際工程建設(shè)中,經(jīng)常會遇到具有外傾節(jié)理的巖質(zhì)邊坡開挖問題。本文利用雙彈簧錨桿單元,通過FLAC3D建立數(shù)值模型,結(jié)合強度折減法分析具有一組外傾平行節(jié)理面的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性以及開挖支護過程中的力學響應(yīng),提出了較合理的處理方案,為該類型巖石邊坡設(shè)計施工提供參考。

        1 工程概況

        某小學教學樓擬建于重慶市渝中區(qū)解放碑附近,按照原設(shè)計方案開挖擬建3層地下室,形成坡高10.8m,傾角為90°的巖石基坑邊坡。據(jù)地質(zhì)資料,原始地形屬淺丘斜坡地貌,邊坡巖層為侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組泥巖。巖層產(chǎn)狀平緩,巖層傾角3°。邊坡主要發(fā)育有兩組裂隙,其中一組為邊坡外傾結(jié)構(gòu)面,傾角60°,裂面平直,結(jié)合程度差,線裂隙率1條/3~4m,邊坡穩(wěn)定性主要由該組結(jié)構(gòu)面控制。邊坡采用逆施工法施工,分4次開挖完成10.8m高巖質(zhì)邊坡,邊坡采用錨桿擋墻支護,如圖1示。肋柱采用300×300mm,基礎(chǔ)埋深0.50m,錨桿為225,錨孔孔徑為110mm。結(jié)構(gòu)面1為原設(shè)計錨桿自由段與錨固段分界面,錨固長度為5.0m。

        按照原設(shè)計方案對10.8m高邊坡開挖支護完成后,后期由于建筑設(shè)計方案變更,擬建地下室由3層改為4層,地下室標高由原來的231.70m變?yōu)?28.10m,高程下降3.60m。進行第5次開挖至-4F設(shè)計標高位置后,巖石邊坡高度變?yōu)?4.4m。由于第5次開挖后,未及時對邊坡進行支護,造成原有擋墻肋柱基礎(chǔ)梁外露,坡頂局部地段產(chǎn)生拉裂縫,裂縫寬度3~8mm。考慮到原有錨桿擋墻可能不足以對現(xiàn)有14.4m高巖質(zhì)邊坡進行有效支護,需要對該邊坡穩(wěn)定性進行核算并進行排危加固處理。

        圖1 計算剖面示意圖

        2 FLAC3D數(shù)值模型

        2.1 建立計算模型和邊界條件

        模型共劃分2169個單元,3112個節(jié)點。兩側(cè)約束水平位移為零,下側(cè)約束豎向位移為零。巖土體采用同時考慮拉伸和剪切破壞的Mohr-Coulomb準則,初始應(yīng)力場按自重應(yīng)力場考慮,錨桿用cable單元來模擬,肋柱用beam單元模擬。建立的FLAC3D網(wǎng)格模型見圖2。

        圖2 FLAC3D數(shù)值計算模型

        2.2 參數(shù)取值

        邊坡物理力學參數(shù)取值見表1。錨桿參數(shù):彈性模量200GPa,泊松比0.25,截面積982mm2,周長345mm,水泥漿剛度2.0×107N/m2,水泥漿粘結(jié)力1.0MN,錨桿傾角15°,具體布置如圖2示。

        表1 邊坡物理力學參數(shù)

        3 計算分析

        3.1 無支護時計算結(jié)果分析

        若不對邊坡進行支護處理一次性完成4次開挖,考慮坡頂荷載30kPa,邊坡的位移云圖如圖3。第4次開挖完成后邊坡巖體沿外傾結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生明顯的滑移變形。坡頂臨空面處位移最大,為6.43mm。通過有限元強度折減計算,當有限元計算不收斂時,程序自動找出了滑動面,如圖4。邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.22,最大位移為10.7mm。在一組平行的結(jié)構(gòu)面中,只有靠近開挖坡腳的最下面一條滑動面(結(jié)構(gòu)面1)產(chǎn)生貫通的塑性區(qū),其余結(jié)構(gòu)面未出現(xiàn)貫通的塑性區(qū)。[1]

        圖3 第4次開挖后位移圖(無支護)

        圖4 坡體達到極限狀態(tài)時剪應(yīng)變增量圖(無支護)

        3.2 錨桿擋墻支護后計算結(jié)果分析[4]

        3.2.1 位移分析

        若對邊坡進行逆作法施工,完成4次開挖后產(chǎn)生的位移云圖如圖5示(考慮坡頂荷載)。錨桿擋墻支護對邊坡的變形有明顯的抑制作用,指向臨空面方向的最大水平位移為1.68 mm,較之前未支護時的6.43mm有了很大的改善。強度折減法計算此時邊坡的安全系數(shù)為2.17,滿足設(shè)計要求。

        圖5 第4次開挖后位移圖(錨桿擋墻支護)

        3.2.2 錨桿軸力分析

        原設(shè)計錨桿錨固長度為5.0m,錨固段與自由段以結(jié)構(gòu)面1為分界處。結(jié)構(gòu)面1以外為錨桿自由段,用FLAC3D模擬計算完成第4次開挖后錨桿錨固段軸力分布如圖6示。下部錨桿軸力較上部大,這是因為隨著開挖進程,平行的各條外傾結(jié)構(gòu)面依次臨空,邊坡變形加大,且底部剪應(yīng)力集中,變形大于上部,從而引起下部錨桿軸力增大。[2]

        圖6 第4次開挖后錨桿錨固段軸力圖(未加載)

        3.2.3 肋柱彎矩分析

        第4次開挖面以上肋柱長度10.80m,基礎(chǔ)埋深0.50m,肋柱總高為11.30m。完成第4次開挖后肋柱彎矩分布如圖7示。其中肋柱臨空側(cè)受拉為正,受壓為負。從彎矩分布圖可以看出,肋柱內(nèi)力分布規(guī)律同按支承于剛性錨桿上的連續(xù)梁計算內(nèi)力結(jié)果基本一致。在坡腳位置應(yīng)力集中所以肋柱在開挖面位置承受較大正彎矩。肋柱基礎(chǔ)埋置深度較淺,可視為鉸支端,故計算彎矩接近0。

        3.3 第5次開挖后計算結(jié)果分析

        圖7 第4次開挖后肋柱彎矩圖(未加載)

        在第5次開挖之前,10.80m巖質(zhì)邊坡已按照原設(shè)計支護方案施工完成,錨桿錨固長度為5.0m,錨固段與自由段以結(jié)構(gòu)面1作為分界處。

        3.3.1 位移分析

        圖8 為考慮坡頂30kPa荷載,第5次開挖后邊坡位移圖,坡腳的開挖對邊坡的位移影響明顯,最大值為24.6mm。邊坡沿靠近坡腳的外傾結(jié)構(gòu)面2產(chǎn)生明顯滑移。這是由于坡腳開挖后外傾結(jié)構(gòu)面2臨空,潛在滑移面由結(jié)構(gòu)面1變化為結(jié)構(gòu)面2。通過有限元強度折減計算,此時邊坡的安全系數(shù)為1.25,只有一條滑動面(結(jié)構(gòu)面2)產(chǎn)生貫通的塑性區(qū),其余結(jié)構(gòu)面未出現(xiàn)貫通的塑性區(qū)。

        圖8 第5次開挖后位移圖(30 kPa)

        3.3.2 錨桿軸力分析

        表2 為第4、5次開挖后加載(30kPa)與不加載錨桿軸力計算結(jié)果,從表中可以看出:各工況第4排時錨桿軸力最大;在第5次開挖完成后若考慮坡頂荷載(30kPa)錨桿軸力變化明顯,第4排錨桿軸力增大121.30kN。

        表2 第4、5次開挖后錨桿軸力

        圖9 第5次開挖后錨固段軸力圖(未加載)

        圖10 第5次開挖后錨固段軸力圖(30kPa)

        圖9 為第5次開挖后未加載時錨桿錨固段軸力圖,圖10為第5次開挖后考慮坡頂30kPa荷載時錨桿錨固段軸力圖。從圖中可知,錨固段軸力從錨固起始點(結(jié)構(gòu)面1位置)處逐漸增大,到錨固長度2.0m(結(jié)構(gòu)面2位置)處達最大值,錨固長度大于2.0m后軸力逐漸減小。[3]分析原因,是由于隨著潛在滑動面由結(jié)構(gòu)面1變化為結(jié)構(gòu)面2,兩結(jié)構(gòu)面之間巖體向臨空面產(chǎn)生一定的位移,兩滑裂面之間巖體剪切滑移引起錨桿軸力增大。各排錨桿軸力最大值位于潛在滑裂面即結(jié)構(gòu)面2位置。

        3.3.3 肋柱彎矩分析

        完成第5次開挖后肋柱彎矩分布如圖11示。肋柱底端未出現(xiàn)正彎矩,是由于第5次開挖后未進行加固處理導(dǎo)致肋柱基礎(chǔ)梁外露,肋柱底端相當于自由端。

        圖11 第5次開挖后肋柱彎矩(未加載)

        3.4 加固設(shè)計計算

        根據(jù)計算結(jié)果若考慮后期坡頂荷載影響,邊坡最大位移為24.6mm,最大位移發(fā)生在坡頂臨空面位置,位移較大將影響使用安全。按照強度折減法計算穩(wěn)定系數(shù)為1.25,小于安全系數(shù)1.30要求,需要對該擋墻進行排危加固處理。

        排危加固處理方案為在坡腳緊貼巖質(zhì)邊坡澆筑一高3.6m,寬3.0m的混凝土擋墻,再用錨桿將混凝土擋墻與邊坡巖體連接。計算時將原邊坡位移清零(未考慮坡頂荷載),坡腳排危加固后考慮坡頂荷載影響后邊坡位移云圖如圖12示。從圖中可知:對坡腳進行加固后,在坡頂荷載作用下邊坡位移明顯減小,最大僅為0.96mm。經(jīng)強度折減法計算,得排危加固后邊坡穩(wěn)定系數(shù)為2.16,坡腳的加固有效控制了邊坡巖體沿結(jié)構(gòu)面2的滑移,提高了邊坡的穩(wěn)定性。

        圖12 坡腳加固后位移圖

        4 結(jié)論

        (1)具有一組平行的外傾結(jié)構(gòu)面巖質(zhì)邊坡每次開挖后,靠近坡腳的最下面一條滑動面將產(chǎn)生貫通的塑性區(qū),其余結(jié)構(gòu)面未出現(xiàn)貫通的塑性區(qū)。

        (2)錨桿擋墻對邊坡支護效果明顯,下部錨桿軸力值最大,必要時應(yīng)適當加強底層錨桿。錨桿擋墻肋柱彎矩分布規(guī)律同支承于剛性錨桿上的連續(xù)梁計算內(nèi)力規(guī)律基本一致。肋柱基礎(chǔ)埋深較淺時,肋柱底端可以按鉸支端考慮。

        (3)開挖已用錨桿擋墻支護的有外傾節(jié)理面的巖質(zhì)邊坡坡腳時,將使邊坡潛在滑裂面下移,使邊坡位移增大,錨桿軸力增加,穩(wěn)定性降低。各層錨桿錨固段軸力沿長度的分布不均勻,兩滑裂面之間巖體剪切滑移將引起錨固段軸力增大,在新滑裂面位置錨桿軸力達最大后逐漸減小。

        (4)通過在坡腳設(shè)置混凝土擋墻對邊坡進行加固后,有效地控制了邊坡的水平位移,邊坡整體穩(wěn)定性得到明顯提高。

        [1]趙尚毅,鄭穎人,鄧衛(wèi)東.用有限元強度折減法進行節(jié)理巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析[J].巖石力學與工程學報,2003,22(2):254-260.

        [2]唐秋元,趙尚毅,鄭穎人,等.巖質(zhì)邊坡錨桿設(shè)計計算方法比較分析[J].地下空間與工程學報,2011,6(4):600-605.

        [3]林杭,曹平.錨桿長度對邊坡穩(wěn)定性影響的數(shù)值分析[J].巖土工程學報,2009,31(3):470-474.

        [4]劉文平,趙燕明,鄭穎人.巖質(zhì)邊坡開挖應(yīng)力與變形的有限元模擬[J],后勤工程學院學報,2004(2).

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