陳 婷，趙 川，吳宇峰*

(西華大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，成都 610039)

對(duì)邊坡分級(jí)開挖過程中的應(yīng)力應(yīng)變動(dòng)態(tài)變化的研究，傳統(tǒng)方法是采用剛體極限平衡法，此法需對(duì)復(fù)雜巖體邊坡作一定程度的簡(jiǎn)化［1］。對(duì)于土質(zhì)邊坡，圓弧形、折線形算法的計(jì)算結(jié)果在工程界能夠得到廣泛的認(rèn)可，但對(duì)于巖質(zhì)邊坡，因其破壞失穩(wěn)機(jī)理、模式、滑面形狀抗剪參數(shù)取值等條件的不同而存在爭(zhēng)議。近年來(lái)，有限元數(shù)值分析法在邊坡的穩(wěn)定性分析和評(píng)價(jià)中得到廣泛應(yīng)用，其用于邊坡分析的基本原理是將一個(gè)連續(xù)的邊坡體變換成離散的單元組合體，利用網(wǎng)格剖分將邊坡(一般采用二維)剖面體系在形式上劃分為有限個(gè)單元體。并假定各單元均為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的完全彈性體，保持自己的介質(zhì)特征，有自己的物理力學(xué)參數(shù)，各單元由節(jié)點(diǎn)相互連接，邊坡巖體的內(nèi)力和外力由節(jié)點(diǎn)來(lái)傳遞［2］。

通過有限元計(jì)算分析，可以獲取位移、應(yīng)力分布狀況，繪制應(yīng)力等值線，并通過對(duì)邊坡非線性有限元模型進(jìn)行強(qiáng)度折減，使邊坡在達(dá)到不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，非線性有限元靜力計(jì)算不收斂，此時(shí)的折減系數(shù)就是穩(wěn)定安全系數(shù)。同時(shí)可得到邊坡破壞時(shí)的滑動(dòng)面，與極限平衡法相比具有相對(duì)優(yōu)勢(shì)。

本文基于有限元法，對(duì)某公路邊坡的開挖支護(hù)過程進(jìn)行模擬分析。實(shí)際邊坡工程中軟弱結(jié)構(gòu)往往是邊坡破壞的控制因素，因此本文在計(jì)算中考慮了巖土體中軟弱夾層的影響，使計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際工程。

1 工程背景

某高速公路丘陵路段分布廣泛的沉積巖及其變質(zhì)巖，巖層傾角為25～45°。高速公路路塹邊坡的開挖坡角大于巖層層面傾角，邊坡開挖形成大范圍的臨空面。由于邊坡開挖速度快、臨空面高、開挖坡度陡，導(dǎo)致坡角部位應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重，存在潛在的破壞動(dòng)力，因此在施工過程中應(yīng)注意采取及時(shí)的加固措施。

2 計(jì)算方法

2.1 強(qiáng)度折減法

有限元計(jì)算中邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)一般通過強(qiáng)度折減法進(jìn)行計(jì)算。強(qiáng)度折減法認(rèn)為:邊坡巖土體發(fā)生剪切破壞的原因是其所受剪應(yīng)力達(dá)到極限抗剪強(qiáng)度，計(jì)算中將坡體的真實(shí)抗剪強(qiáng)度除以折減系數(shù)F，以達(dá)到強(qiáng)度折減的目的。當(dāng)達(dá)到極限破壞狀態(tài)時(shí)，此時(shí)的F即為邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)［3-7］，其計(jì)算公式為:

其中:c和φ為巖土體真實(shí)的粘聚力和內(nèi)摩擦角;c＇和φ＇為折減后的粘聚力和內(nèi)摩擦角。

2.2 計(jì)算模型及巖體力學(xué)參數(shù)

圖1 開挖剖面

分析范圍選取水平方向取30 m，豎直方向取30 m，開挖坡角分別為60°和80°，分4級(jí)開挖，每次開挖5 m，總開挖高度20 m。加固措施選取錨噴支護(hù)，錨桿直徑22 mm，與水平夾角15°，每根錨桿施加150 kN預(yù)應(yīng)力。噴射混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，厚度20 cm。為方便監(jiān)測(cè)邊坡開挖時(shí)應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，在坡面附近選取4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、B、C、D。具體計(jì)算剖面如圖1所示。計(jì)算剖面確定后，建立有限元網(wǎng)格模型，為了保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，在邊坡開挖附近區(qū)域應(yīng)進(jìn)行網(wǎng)格加密，如圖2所示。材料模型為Mohr-Coulomb彈塑性模型，軟弱夾層采用界面單元模擬，混凝土噴層利用板單元模擬，輸入相應(yīng)的材料屬性即可。

圖2 有限元網(wǎng)格模型

建立好計(jì)算模型后，需對(duì)巖土參數(shù)進(jìn)行選取。計(jì)算參數(shù)的選取將直接影響計(jì)算結(jié)果的精度，因此，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)、工程地質(zhì)類比法、邊坡臨界失穩(wěn)狀態(tài)逆分析法，并不斷修正巖土計(jì)算參數(shù)，得到具體巖體參數(shù)如表1所示。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

2.3 基本假定

為了便于建立分析模型，結(jié)合該邊坡工程的實(shí)際情況，做如下假定:1)由于沒有準(zhǔn)確的初始地應(yīng)力資料，所以只考慮巖體的自重應(yīng)力，忽略其構(gòu)造應(yīng)力;2)遵循二維平面應(yīng)變假定;3)在模擬計(jì)算過程中，不考慮地下水的影響。

2.4 計(jì)算工況選取

1)只開挖不支護(hù)。此時(shí)，為了真實(shí)模擬實(shí)際情況，計(jì)算過程中應(yīng)將錨桿單元和板單元凍結(jié)，激活軟弱夾層的界面單元。

2)開挖并及時(shí)支護(hù)。每一步開挖后應(yīng)激活相應(yīng)部位的錨桿單元和板單元，以此模擬所采取的加固措施，如此重復(fù)進(jìn)行，直到邊坡開挖完成。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 位移分析

規(guī)定水平位移向左為正，向右為負(fù)。圖3和圖4給出了不同開挖工況和不同計(jì)算步的測(cè)點(diǎn)水平位移變化規(guī)律，由圖可知:工況1中邊坡進(jìn)行開挖，將導(dǎo)致4個(gè)測(cè)點(diǎn)不同程度地發(fā)生向左水平位移，即有下滑趨勢(shì)，其中以B、C點(diǎn)較明顯，前3級(jí)開挖完成后水平位移均為-18 mm，而開挖至第4級(jí)后，B、C位移分別增長(zhǎng)到-36 mm和-37 mm，說(shuō)明開挖至第4級(jí)后，邊坡的整體穩(wěn)定性將受到很大影響。分析其原因，是受到軟弱夾層的影響，第4級(jí)開挖將導(dǎo)致軟弱夾層露出，而此軟弱結(jié)構(gòu)面破壞了巖體的連續(xù)性，使得軟弱夾層外部巖體發(fā)生整體滑移，如圖5所示。通過分析認(rèn)為:在不支護(hù)的情況下，開挖前15 m邊坡能保持穩(wěn)定，而開挖最后5 m時(shí)邊坡將向左發(fā)生很大水平位移，此時(shí)可認(rèn)為邊坡已破壞。

圖3 工況1邊坡x方向位移

圖4 工況2邊坡x方向位移

圖5 開挖不支護(hù)邊坡整體水平位移

本文還計(jì)算了邊開挖邊支護(hù)的工況2。結(jié)果如圖4和圖6所示，B、C點(diǎn)最后的位移分別為-20.25 mm和-18 mm，比不支護(hù)開挖時(shí)減小了20 mm左右。從圖3和圖4分析可知:不支護(hù)時(shí)A點(diǎn)最后發(fā)生向邊坡外部臨空方向位移，最大值可達(dá)-1.59 mm;而當(dāng)支護(hù)后，由于添加預(yù)應(yīng)力錨桿后，錨桿收縮，通過混凝土噴層傳遞錨固力，使得A點(diǎn)發(fā)生面向邊坡內(nèi)部方向的位移，最后值為8.37 mm，有利于邊坡的穩(wěn)定。位于坡腳處D點(diǎn)，支護(hù)后位移反而有所增大，究其原因，由于軟弱夾層貫穿整個(gè)邊坡，而添加錨桿部位僅位于軟弱夾層的上部，提高了上部邊坡的穩(wěn)定性，而位于邊坡下部的軟弱夾層帶并未采取加固措施，從圖6可知，坡腳D點(diǎn)附近區(qū)域巖體發(fā)生拉破壞，所以上部支護(hù)后，位于下部坡腳的D點(diǎn)位移反而有所增大。分析表明，對(duì)于此類軟弱夾層貫穿的邊坡，在實(shí)際開挖過程中，除了對(duì)上部邊坡進(jìn)行及時(shí)支護(hù)外，位于邊坡底部和深部的軟弱夾層附近巖體也有必要采取一定的加固措施，防止邊坡坡腳處巖體發(fā)生局部破壞，提高邊坡整體穩(wěn)定。

圖6中的邊坡整體水平位移與圖5相比得到了有效控制，平臺(tái)附近大范圍區(qū)域水平位移減小，極值由-39.94 mm減小到-27.49 mm，說(shuō)明支護(hù)效果明顯。

圖6 開挖及時(shí)支護(hù)后邊坡整體水平位移

3.2 塑形區(qū)域分析

圖7 開挖不支護(hù)邊坡塑性點(diǎn)分布

圖8 開挖及時(shí)支護(hù)后邊坡塑性點(diǎn)分布

邊坡穩(wěn)定性分析中，塑性區(qū)范圍大小常用來(lái)反映邊坡的破壞程度。圖7和圖8分別給出了2種不同開挖工況下邊坡的塑性區(qū)域分布情況。(深色點(diǎn)代表塑性點(diǎn)，淺色點(diǎn)表示拉伸截?cái)帱c(diǎn))。

由圖7可知，當(dāng)邊坡開挖不進(jìn)行支護(hù)時(shí)，塑形區(qū)沿著軟弱夾層分布，并且在中上部位出現(xiàn)拉伸截?cái)帱c(diǎn)，說(shuō)明部分巖體所受拉應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度，巖體中將產(chǎn)生小裂隙。而當(dāng)邊坡開挖支護(hù)后，由圖8可以明顯看出，邊坡軟弱夾層上部范圍內(nèi)巖體的塑性點(diǎn)和拉斷點(diǎn)均消失，僅在邊坡中下部位少量存在，有向深層發(fā)展的趨勢(shì)。

3.3 穩(wěn)定安全系數(shù)分析

圖9 2種工況穩(wěn)定安全系數(shù)對(duì)比

為進(jìn)一步對(duì)不同工況下邊坡開挖穩(wěn)定性進(jìn)行分析，圖9給出了不支護(hù)開挖和開挖及時(shí)支護(hù)的不同開挖深度的安全系數(shù)。分析發(fā)現(xiàn)，2種工況下，隨著開挖深度的增加，安全系數(shù)均有降低的趨勢(shì)。在工況1中，安全系數(shù)降低很快，且最終小于1，表示邊坡開挖完成后并不能保持自身穩(wěn)定，將發(fā)生滑坡;工況2中，因在開挖過程中及時(shí)采取了加固措施，各開挖深度邊坡的安全系數(shù)均有較大增長(zhǎng)，且最后開挖完成后達(dá)到1.87，滿足工程要求。

以上分析與前文中對(duì)位移和塑性區(qū)分析所呈現(xiàn)的現(xiàn)象具有一致性，證明了分析結(jié)果的可靠性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于有限元法對(duì)某公路邊坡的開挖支護(hù)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，研究發(fā)現(xiàn):1)邊坡開挖如果不采取支護(hù)措施，邊坡軟弱夾層外部巖體將發(fā)生整體向外位移，且主要集中在平臺(tái)附近區(qū)域。開挖完成后，安全系數(shù)小于1，邊坡將處于失穩(wěn)狀態(tài)，通過塑性貫通區(qū)確定了滑裂面，說(shuō)明開挖過程中采取支護(hù)措施是很有必要的。2)當(dāng)開挖過程進(jìn)行支護(hù)后，危險(xiǎn)區(qū)域發(fā)生的大位移得到有效控制，邊坡軟弱夾層上部范圍內(nèi)巖體的塑性點(diǎn)和拉斷點(diǎn)均消失，僅在邊坡中下部位少量存在，安全系數(shù)明顯增大，開挖支護(hù)完成后達(dá)到1.87，滿足工程需要。

綜上所述，對(duì)邊坡開挖支護(hù)過程進(jìn)行模擬分析，可以得到不同開挖階段和不同工況的應(yīng)力應(yīng)變、位移、塑性變形區(qū)和穩(wěn)定安全系數(shù)，可以優(yōu)化施工方案，有效快速地確定支護(hù)時(shí)間和支護(hù)位置。

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