盧超波1，2，吳明麗3，梁俊1

（1.廣西交通科學(xué)研究院，廣西南寧 530007；2.廣西道路材料與結(jié)構(gòu)重點實驗室，廣西南寧 530007；3.南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧 530007）

順層節(jié)理巖體邊坡動態(tài)開挖穩(wěn)定性數(shù)值試驗研究

盧超波1，2，吳明麗3，梁俊1

（1.廣西交通科學(xué)研究院，廣西南寧 530007；2.廣西道路材料與結(jié)構(gòu)重點實驗室，廣西南寧 530007；3.南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧 530007）

針對某公路順層節(jié)理邊坡，采用離散元軟件對其動態(tài)開挖過程進行數(shù)值試驗，分析了分層開挖對順層邊坡穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明開挖施工過程中邊坡沒有產(chǎn)生整體失穩(wěn)和塑性破壞，但開挖的水平面存在底鼓，并據(jù)此提出了邊坡支護措施，為邊坡支護方案優(yōu)化提供理論依據(jù)。

公路；順層邊坡；動態(tài)開挖；邊坡穩(wěn)定性

節(jié)理作為控制巖體穩(wěn)定性的主要因素，長期以來受到廣大地質(zhì)、巖土工作者的關(guān)注。盧敦華等以某公路節(jié)理巖質(zhì)邊坡為原型，利用FLAC3D對節(jié)理和力學(xué)參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的影響進行了探討。孫國富等通過對陡傾層狀巖體在單斜軟弱層型埡口的演化過程的研究，提出了防護措施。周太全等采用改進的強度折減系數(shù)法對四川九架棚大橋節(jié)理巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性進行了分析。張建等采用M-C和U -J節(jié)理模型，研究了節(jié)理傾向與傾角、土層與巖層的厚度比例對上覆土層節(jié)理巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響。沈金瑞等對多組節(jié)理且較發(fā)育的巖體邊坡穩(wěn)定性進行了分析，并利用FLAC3D進行了穩(wěn)定性數(shù)值模型研究。黃昕等通過室內(nèi)模型試驗并運用Sarma法探討了不同開挖坡度和層理面傾角下巖質(zhì)邊坡的破壞特征。王瑞紅等通過彈塑性有限元法研究了金沙江左岸壩肩邊坡開挖過程的動態(tài)穩(wěn)定性。李連崇等利用RFPA-Slope，研究了巖體中不同因素對邊坡變形破壞模式、安全系數(shù)的影響。曹平等通過對邊坡潛在變形滑動機理的研究，利用UDEC分析了開挖過程中巖土體的變形情況。史秀志等通過分析注漿后邊坡巖土材料的c、φ對穩(wěn)定性的影響程度，得出了注漿對邊坡穩(wěn)定性的影響。周先齊等采用兩套離散網(wǎng)格對構(gòu)皮灘水墊塘高邊坡自然邊坡及開挖邊坡的穩(wěn)定性進行了分析。雷遠見等將UDEC與強度折減法相結(jié)合，對含多結(jié)構(gòu)面的巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性進行了分析。寧宇等基于離散元及強度折減法基本原理，利用3DEC軟件結(jié)合強度折減法對某水電站高邊坡進行了穩(wěn)定性分析。趙尚毅等通過對節(jié)理巖質(zhì)邊坡非線性有限元模型進行強度折減，得到了邊坡破壞時的滑動面及破壞過程。謝立輝等以某在建巖質(zhì)邊坡治理工程為對象，運用UDEC離散元軟件模擬了邊坡的失穩(wěn)過程。

基于現(xiàn)有研究成果，該文通過離散元軟件對某順層節(jié)理巖體邊坡進行開挖數(shù)值試驗，預(yù)測開挖過程中順層節(jié)理巖體邊坡的穩(wěn)定性，為邊坡的支護加固設(shè)計提供決策依據(jù)。

1　模型計算過程

1.1模型簡介

為探討開挖對邊坡穩(wěn)定性的影響，如圖1所示，對模型作一定簡化，將順層節(jié)理邊坡作為二維平面問題進行探討。數(shù)值模型尺寸為寬190m、高130 m；節(jié)理傾角25°；分上、下部坡體兩步進行開挖，坡面角60°。

圖1　邊坡數(shù)值計算模型（單位：m）

如圖2所示，在模型上部開挖坡體中部未開挖坡體內(nèi)設(shè)置4個水平位移監(jiān)測點，編號為hist2、3、4、5；下部未開挖坡體中部設(shè)置4個水平位移監(jiān)測點，編號為hist11、12、13、14；基底下部布置4個垂直位移監(jiān)測點，編號為hist21、22、23、24。

圖2　邊坡變形監(jiān)測點布置（單位：m）

模型的邊界條件分別為左、右邊界限制水平方向位移，底部邊界限制垂直位移。

1.2力學(xué)模型及參數(shù)

該文研究邊坡開挖對順層節(jié)理邊坡穩(wěn)定性的影響，故模型中節(jié)理參數(shù)不變。圍巖假設(shè)為均質(zhì)介質(zhì)，圍巖、節(jié)理均采用Mohr-Coulomb模型。圍巖及節(jié)理模型介質(zhì)的力學(xué)參數(shù)見表1、表2。

表1　圍巖介質(zhì)模型物理力學(xué)參數(shù)

表2　節(jié)理模型物理力學(xué)參數(shù)

1.3數(shù)值試驗計算流程

為簡化開挖數(shù)值試驗過程，分兩步進行邊坡開挖。首先對建立的模型進行應(yīng)力平衡并將位移歸零后進行上部坡體開挖，進行模型計算直至平衡；再進行下部坡體開挖；最后進行計算結(jié)果分析。

2　計算結(jié)果分析

2.1位移分析

圖3為邊坡開挖后圍巖的位移場特征圖。從圖3可看出：邊坡上部、下部開挖均未導(dǎo)致順層邊坡整體失穩(wěn)。上部坡體的切坡范圍雖然在高度上較大，但切坡的厚度較小，最大13m，坡度比原狀邊坡的坡面角增大20°左右，工程規(guī)模較小，坡體的位移也較?。浑S著下部邊坡坡體的開挖，切坡的高度增大，切坡的厚度及切坡的工程規(guī)模也增大，導(dǎo)致坡度比原狀邊坡的坡面角增大30°左右，坡體向臨空坡面的位移及底鼓位移進一步增加。

圖3　邊坡開挖后位移場特征圖

圖4為坡體中部水平位移監(jiān)測點計算收斂曲線。從圖4可看出：上部坡體中部水平位移隨著下部坡體的開挖而增大，表面位移從1.1mm增加到2.8mm，增幅為150%；下部坡體開挖后，開挖中部的表面水平位移約3.8mm；坡體開挖水平位移呈現(xiàn)由外向內(nèi)減弱的趨勢。

圖4　邊坡監(jiān)測點水平位移收斂曲線

圖5為坡體基底監(jiān)測點垂直位移收斂曲線。從圖5可看出：上部坡體開挖時，其下部的監(jiān)測點發(fā)生1mm左右的垂直位移；隨著下部坡體的開挖，表面垂直位移從1mm增加到2.5mm，增幅為150%。

圖5　基底垂直位移收斂曲線

坡體開挖后，基底產(chǎn)生底鼓的數(shù)值試驗結(jié)果與實際工程所表現(xiàn)的規(guī)律大致相同。底鼓的產(chǎn)生，在不考慮風(fēng)化、水作用產(chǎn)生膨脹的前提下，主要是由于開挖卸荷造成的回彈；另外，順層節(jié)理的存在所造成的板狀或?qū)訝顜r層結(jié)構(gòu)在擠壓翹曲及壓力彎曲作用下也會導(dǎo)致底鼓（如圖6所示）。應(yīng)在邊坡開挖施工一段時間內(nèi)，待應(yīng)力重分布，底鼓潛在趨勢緩和后再鋪裝路面，以免路面翹起造成破壞。

圖6　底鼓產(chǎn)生作用機理示意圖

據(jù)此推測，當高地應(yīng)力地區(qū)順層邊坡的巖性為軟弱巖層時，由擠壓翹曲及壓力彎曲所造成的底鼓現(xiàn)象會被放大，對路面后期運營將造成一定影響。

2.2塑性區(qū)分布

圖7為邊坡開挖后圍巖的塑性區(qū)特征圖。從圖7可看出：該順層邊坡在山體自重應(yīng)力下，上、下層邊坡的開挖并未導(dǎo)致塑性破壞。因此，對于這類邊坡，工程上常采用錨桿、錨索結(jié)合注漿的方式提高節(jié)理面的力學(xué)強度，增加邊坡的穩(wěn)定性。

2.3應(yīng)力分析

圖7　邊坡塑性區(qū)特征圖

圖8為原狀邊坡及邊坡上部、下部開挖后圍巖的最大、最小主應(yīng)力特征圖。從圖8可看出：上部邊坡開挖時，開挖底角處應(yīng)力僅出現(xiàn)小幅增加，在底部出現(xiàn)較淺的U形應(yīng)力卸壓區(qū)，影響范圍較小。隨著下部坡體的開挖，底角處應(yīng)力顯著增加，底部較淺的U形應(yīng)力卸壓區(qū)范圍也增大，其主應(yīng)力方向隨著外部開挖造成的幾何形狀改變而發(fā)生變化，這與隧道、地基等巖土體工程開挖所表現(xiàn)的規(guī)律相同。

圖8　邊坡應(yīng)力場特征圖

2.4支護建議

從局部防護而言，對坡腳增壓處應(yīng)進行防風(fēng)化處理，并增加對坡體開挖出的水平基底的監(jiān)測，根據(jù)其位移及應(yīng)力集中程度，采用錨索、錨桿對底角基底進行加固處理，以防裸露圍巖的風(fēng)化或應(yīng)力二次分布集中造成底角處局部松弛垮落而逐漸演化為底角支撐掏空，降低邊坡出現(xiàn)滑移失穩(wěn)的風(fēng)險。

在該邊坡開挖過程中，需注意邊坡揭露的地質(zhì)情況，當邊坡節(jié)理面力學(xué)參數(shù)弱化時，應(yīng)通過注漿、錨索、錨桿等進行加固，防止長期運營過程中揭露巖層風(fēng)化而造成邊坡失穩(wěn)。還應(yīng)根據(jù)揭露巖性的風(fēng)化特性采取錨網(wǎng)噴射砼護坡，以減少風(fēng)化巖塊剝落及由于雨水入滲造成節(jié)理面力學(xué)性能弱化而造成坡體失穩(wěn)。從整體穩(wěn)定性而言，該邊坡的支護重點是提高或保持邊坡節(jié)理面的力學(xué)性能。

3　結(jié)論

（1）邊坡的開挖未造成順層邊坡的整體失穩(wěn)，開挖的水平面存在底鼓。

（2）順層邊坡在山體自重應(yīng)力下，上、下層邊坡的開挖并未出現(xiàn)塑性破壞。

（3）邊坡的支護重點是通過注漿、錨索、錨桿等提高或保持影響范圍內(nèi)節(jié)理面的力學(xué)特性，防止長期運營過程中揭露巖層風(fēng)化而造成邊坡失穩(wěn)。

（4）邊坡開挖施工一段時間后，待潛在的底鼓趨勢緩和后再鋪裝路面，避免下伏巖體底鼓造成路面翹起而導(dǎo)致路面破壞。

［1］ 徐筠，趙明階.節(jié)理裂隙巖體漸進破壞機理研究綜述［J］.地下空間與工程學(xué)報，2008，4（3）.

［2］ 盧敦華，何忠明，林杭.路塹節(jié)理邊坡開挖穩(wěn)定性及影響因素分析［J］.防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報，2008，28（1）.

［3］ 孫國富，劉維寧，陶連金.陡傾層狀巖石路塹邊坡的變形機制及其安全防護［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報，2003，13 （10）.

［4］ 周太全，華淵，宿樹波.基于強度折減法的節(jié)理巖質(zhì)邊坡支護穩(wěn)定性分析［J］.金屬礦山，2009（1）.

［5］ 張建，趙建平.上覆土層節(jié)理巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析［J］.長江科學(xué)院院報，2015，32（2）.

［6］ 沈金瑞，林杭.多組節(jié)理邊坡穩(wěn)定性FLAC3D數(shù)值分析［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報，2007，17（1）.

［7］ 黃昕，張子新，徐營.塊裂層狀巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性研究［J］.地下空間與工程學(xué)報，2009，5（5）.

［8］ 王瑞紅，李建林，劉杰，等.考慮巖體開挖卸荷動態(tài)變化水電站壩肩高邊坡三維穩(wěn)定性分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2007，26（增刊1）.

［9］ 李連崇，唐春安，邢軍，等.節(jié)理巖質(zhì)邊坡變形破壞的RFPA模擬分析［J］.東北大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2006，27（5）.

［10］ 曹平，林杭，李江騰，等.竹城公路層狀巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性研究［J］.中南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，40（3）.

［11］ 史秀志，林杭，曹平.注漿效應(yīng)對邊坡穩(wěn)定性的影響［J］.中南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，40（2）.

［12］ 周先齊，徐衛(wèi)亞，鈕新強，等.基于強度折減的離散單元法在巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用［J］.長江科學(xué)院院報，2008，25（5）.

［13］ 雷遠見，王水林.基于離散元的強度折減法分析巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性［J］.巖土力學(xué)，2006，27（10）.

［14］ 寧宇，徐衛(wèi)亞，鄭文棠.應(yīng)用離散元強度折減對復(fù)雜邊坡進行穩(wěn)定性分析［J］.巖土力學(xué)，2007，28（增刊1）.

［15］ 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(xué)與工程學(xué)報，2003，22（2）.

［16］ 謝立輝，王雨，王根，等.某巖質(zhì)邊坡治理及加固效應(yīng)的離散元分析［J］.路基工程，2015（2）.

［17］ 黃潤秋，林峰，陳德基，等.巖質(zhì)高邊坡卸荷帶形成及其工程性狀研究［J］.工程地質(zhì)學(xué)報，2001，9（3）.

U416.1

A

1671-2668（2016）04-0111-04

2016-03-02