張　慶　陳良杰　鄧岳保

(1.寧波大學(xué),浙江 寧波　315211；　2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究院，廣東 深圳　518055)

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考慮擾動(dòng)影響的邊坡穩(wěn)定性實(shí)例研究

張慶1陳良杰2鄧岳保1*

(1.寧波大學(xué),浙江 寧波315211；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究院，廣東 深圳518055)

以深圳黃貝嶺邊坡為例，利用ADINA軟件，數(shù)值模擬分析了隧道洞口邊坡穩(wěn)定性，研究了不同擾動(dòng)程度、不同擾動(dòng)范圍對(duì)隧道洞口邊坡穩(wěn)定性的影響及其穩(wěn)態(tài)力學(xué)特性，為實(shí)際工程中的隧道邊坡治理工作提供理論依據(jù)。

邊坡，施工擾動(dòng)，隧道洞口，穩(wěn)定性，安全系數(shù)

0　引言

隨著我國(guó)山地、丘陵地區(qū)交通網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，隧道越來(lái)越顯示出穿山越嶺的優(yōu)越性[1]，隨之而來(lái)的隧道邊坡失穩(wěn)、洞口塌方事故頻頻發(fā)生，給工程建設(shè)造成了巨大損失和危害。2012年6月30日，浙江諸永高速公路雙峰隧道南洞口突然發(fā)生山體滑坡，導(dǎo)致多條道路封道；2013年8月2日，內(nèi)昆鐵路K285+500～K285+900 m線路洞口右側(cè)邊坡發(fā)生大面積垮塌，整個(gè)坡面出現(xiàn)多處裂縫，最寬處達(dá)到0.5 m，最大錯(cuò)臺(tái)有1.5 m，綿延2 km；2014年5月4日，渝湘高速公路大觀至石龍路段的斑竹林隧道出洞口處發(fā)生邊坡滑坡，大量淤泥被雨水沖至路面。因此，隧道邊坡失穩(wěn)成為當(dāng)前亟待解決的工程問題。

1　工程概況

深圳黃貝嶺邊坡位于廣東省深圳市羅湖區(qū)黃貝嶺開發(fā)區(qū)東南側(cè)老烏龜山，為典型的人工開挖山體而形成的風(fēng)化巖質(zhì)邊坡，處地震烈度7度區(qū)。黃貝嶺邊坡坡面共分二級(jí)臺(tái)階，其中二級(jí)臺(tái)階以上坡度為1∶1，二級(jí)臺(tái)階以下坡度為1∶0.75，臺(tái)階寬2 m，最大坡高達(dá)40 m，邊坡總長(zhǎng)為174 m，護(hù)坡總面積為6 800 m2。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和室內(nèi)的土工試驗(yàn)，得到該邊坡的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。其中滑面的c，φ值測(cè)試采用室內(nèi)直剪試驗(yàn)。

表1　邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)

2　模型構(gòu)建

采用二維有限元建模，建模過(guò)程中盡可能的模擬了邊坡的地質(zhì)情況，以符合實(shí)際。巖土體均是基于庫(kù)侖—摩爾破壞準(zhǔn)則的彈塑性材料。邊界條件設(shè)定為：兩側(cè)邊設(shè)置Y約束，底部設(shè)置Z完全約束。模型如圖1所示。

圖1　有限元計(jì)算模型

3　不同擾動(dòng)程度下的邊坡穩(wěn)定性研究

3.1不同擾動(dòng)程度下邊坡安全系數(shù)分析

巖體擾動(dòng)研究的難點(diǎn)在于其結(jié)構(gòu)形態(tài)、介質(zhì)特性和力學(xué)狀態(tài)等相互制約，理論研究往往難以適應(yīng)實(shí)際工程的復(fù)雜情形。本工況考慮在擾動(dòng)范圍為8 m的情況下，隧道洞口開挖對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。定義擾動(dòng)程度為巖體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)下降的百分比數(shù)值，彈性模量不變。通過(guò)ADINA有限元建模，利用強(qiáng)度折減法得到不同擾動(dòng)程度下邊坡的安全系數(shù)，如表2所示。

表2　不同擾動(dòng)程度下邊坡的安全系數(shù)

當(dāng)洞口邊緣巖體強(qiáng)度下降60%時(shí)，顯示安全系數(shù)無(wú)法計(jì)算。從結(jié)果嘗試分析，以擾動(dòng)程度50%和其安全系數(shù)1.12為基數(shù)，當(dāng)擾動(dòng)程度為40%時(shí)，1.12(0.6/0.5)=1.344，當(dāng)擾動(dòng)程度為30%時(shí)，1.12(0.7/0.5)=1.568。以此類推，可見擾動(dòng)程度下的安全系數(shù)變化有接近線性的關(guān)系。因此對(duì)擾動(dòng)程度為60%的情況進(jìn)行預(yù)判，0.5/1.12=0.44，說(shuō)明邊坡擾動(dòng)程度的極限值約為56%，即當(dāng)擾動(dòng)程度達(dá)到60%時(shí)邊坡直接破壞而無(wú)法計(jì)算安全系數(shù)。

圖2　不同擾動(dòng)程度下的邊坡安全系數(shù)變化曲線

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合曲線，得到如圖2所示的結(jié)果。擾動(dòng)程度為60%時(shí)的安全系數(shù)在插值擬合分析中，出現(xiàn)了驟降，一定程度上說(shuō)明了擾動(dòng)程度過(guò)大直接導(dǎo)致邊坡發(fā)生破壞。

3.2不同擾動(dòng)程度下邊坡穩(wěn)態(tài)力學(xué)分析

圖3和圖4顯示了應(yīng)力場(chǎng)分布。施工擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致減弱區(qū)與正常巖體有明顯的分層痕跡，在分層臨界面處剪應(yīng)力變化較大，其中圖4的分層現(xiàn)象更加顯著，比較結(jié)果可知，在自重作用下既有拉應(yīng)力也有壓應(yīng)力存在，拉應(yīng)力集中于上部，壓應(yīng)力集中于下部，最大主應(yīng)力值分布及變化規(guī)律基本一致。在洞口下方和坡腳處出現(xiàn)了應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

4　不同擾動(dòng)范圍下的邊坡穩(wěn)定性研究

4.1不同擾動(dòng)范圍下邊坡安全系數(shù)研究

而實(shí)際工程總受人工活動(dòng)影響較大，其影響范圍沒有確切的數(shù)值。在本案例中，假定擾動(dòng)程度均為20%，對(duì)不同擾動(dòng)范圍下的邊坡安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表3所示。

圖3　擾動(dòng)程度10%的最大主應(yīng)力云圖

圖4　擾動(dòng)程度50%的最大主應(yīng)力云圖

表3　不同擾動(dòng)范圍下邊坡的安全系數(shù)

當(dāng)擾動(dòng)范圍達(dá)到10 m時(shí)，受限于有限元模型網(wǎng)格劃分要求，模型無(wú)法運(yùn)行，故安全系數(shù)無(wú)法獲得。數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果如圖5所示。當(dāng)擾動(dòng)范圍變化時(shí)，安全系數(shù)呈現(xiàn)先下降再增加的趨勢(shì)，但總體變化幅度不大。

圖5　不同擾動(dòng)范圍下的邊坡安全系數(shù)變化曲線

4.2不同擾動(dòng)范圍下邊坡穩(wěn)態(tài)力學(xué)研究

圖6　擾動(dòng)范圍5m的最大主應(yīng)力云圖

由圖6和圖7可知，當(dāng)擾動(dòng)范圍更大時(shí)，最大主應(yīng)力值大致相當(dāng)，最小主應(yīng)力值更大，這決定了邊坡巖體受破壞的可能性越大。

在上述分布中，可知洞口邊緣處往往有較大的位移和應(yīng)力集中現(xiàn)象，是施工過(guò)程中重要的環(huán)節(jié)。以下對(duì)處于洞口右邊緣的節(jié)點(diǎn)588單獨(dú)分析，由ADINA后處理文件中導(dǎo)出水平位移過(guò)程曲線，如圖8所示。

圖7　擾動(dòng)范圍9m的最大主應(yīng)力云圖

圖8　節(jié)點(diǎn)588的水平位移過(guò)程曲線

從圖8中可以看出，該節(jié)點(diǎn)的位移共分3個(gè)階段，第一階段是洞口剛開挖完成，節(jié)點(diǎn)有較小的水平位移，之后保持穩(wěn)定；第二階段是支護(hù)結(jié)構(gòu)施工完成時(shí)，節(jié)點(diǎn)位移突然增大，巖體擠壓強(qiáng)烈；第三階段是施工后期，節(jié)點(diǎn)幾乎沒有再產(chǎn)生水平位移，邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。因此，洞口開挖后支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工是整個(gè)工程中較為關(guān)鍵的工序之一，及時(shí)施工并保證結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生過(guò)大位移，是工程中的首要任務(wù)。

5　結(jié)語(yǔ)

采用ADINA對(duì)隧道洞口邊坡進(jìn)行有限元數(shù)值分析，有針對(duì)性的進(jìn)行了擾動(dòng)程度和擾動(dòng)范圍的有限元模型研究工作，旨在探討擾動(dòng)影響下的邊坡穩(wěn)定性問題。上述工作得到了一些初步的成果和結(jié)論：

1)施工擾動(dòng)的影響使得巖體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降，減弱區(qū)臨界面越加明顯，且臨界面處產(chǎn)生過(guò)大的剪應(yīng)力集中效應(yīng)，對(duì)減弱區(qū)巖體的結(jié)構(gòu)安全十分不利。而當(dāng)擾動(dòng)范圍逐漸變大時(shí)，洞口支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用必然減小，邊坡安全系數(shù)減小，人為防控作用就不再凸顯。

2)施工擾動(dòng)產(chǎn)生了巖體強(qiáng)弱面，使得巖體塑性區(qū)塑性屈服發(fā)展加快且不均勻，導(dǎo)致破壞規(guī)律難尋，給邊坡巖體結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)帶來(lái)了很大的難度。

3)施工擾動(dòng)范圍越廣，擾動(dòng)程度越大，邊坡的穩(wěn)定性就越差。對(duì)邊坡的保護(hù)，應(yīng)盡量根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，采用合理的辦法減小施工擾動(dòng)范圍。同時(shí)在施工前應(yīng)對(duì)巖體特質(zhì)進(jìn)行了解，避免帶來(lái)較大的擾動(dòng)使得巖體受損程度過(guò)大。

[1]劉輝，張智超，王林娟.2004—2008我國(guó)隧道施工事故統(tǒng)計(jì)分析[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，20(1):96-100.

[2]毛旭.隧道洞口施工對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的預(yù)測(cè)分析[J].施工技術(shù)，2011，40(354)：50-52.

[3]方建勤，廖樹忠.隧道施工對(duì)洞口邊坡穩(wěn)定性影響研究[J].公路，2009(12):192-196.

[4]龍浪波.隧道洞口段邊坡穩(wěn)定性研究及數(shù)值分析[D].成都:西南交通大學(xué),2009.

[5]孫訓(xùn)方，方孝淑，關(guān)來(lái)泰.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社,2002.

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Example research on slope stability by taking distance influence into consideration

Zhang Qing1Chen Liangjie2Deng Yuebao1*

(1.NingboUniversity,Ningbo315211,China;2.HarbinIndustryUniversityShenzhenAcademy,Shenzhen518055,China)

Taking Huangbeiling slope in Shenzhen as an example, the paper carries out numerical analysis for the tunnel entrance slope stability by applying ADINA software, studies the impact of different disturbance degree and different disturbance scope upon tunnel entrance slope stability and its stable mechanical properties, which has provided some guidance for tunnel slope treatment in actual engineering.

slope, construction disturbance, tunnel entrance, stability, safety coefficient

1009-6825(2016)21-0095-03

2016-05-14

張慶(1994- )，女，在讀本科生

鄧岳保(1983- )，男，博士，講師

TU413.62

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