王 振

(西藏大學(xué)工學(xué)院 西藏 拉薩 850000)

G318林芝－波密段土質(zhì)邊坡變形破壞數(shù)值模擬分析

王 振

(西藏大學(xué)工學(xué)院 西藏 拉薩 850000)

西藏地區(qū)修建道路的地質(zhì)環(huán)境十分復(fù)雜，土質(zhì)邊坡的變形破壞成為影響道路工程最常見的病害之一。通過(guò)分析318國(guó)道林芝－波密段公路一處土質(zhì)邊坡的地質(zhì)環(huán)境等因素，采用數(shù)值模擬對(duì)邊坡變形破壞進(jìn)行模擬，旨在揭示該段邊坡常見的病害類型，并提出有針對(duì)性的防治建議，以期達(dá)到減弱或避免工程病害的目的。

土質(zhì)邊坡;破壞模式;數(shù)值模擬，F(xiàn)LAC

一、前言

川藏公路波密至林芝段全長(zhǎng)232km，是318國(guó)道的重要組成部分，位于雅魯藏布江的一級(jí)支流帕隆藏布流域，沿帕隆藏布及其支流修建，穿越了多種成因類型的堆積體。

該區(qū)是我國(guó)海洋性冰川的主要分布區(qū)，冰川作用十分強(qiáng)烈。帕隆藏布江流域內(nèi)也保留了第四紀(jì)古冰川作用遺留下來(lái)的冰期冰磧和間冰期冰水沉積。由于高原隆升、河流下切及人工開挖削坡，在川藏公路帕隆藏布流域路段形成了許多天然和人工的冰磧土邊坡。袁廣祥 (2009)等［1］在研究帕隆藏布流域的堆積冰磧土邊坡的工程地質(zhì)特征。宋健(2013)等［2］根據(jù)汶川地震中滑坡多沿?cái)鄬臃植嫉奶攸c(diǎn)，利用FLAC3D有限差分軟件建立了一個(gè)土質(zhì)邊坡動(dòng)力數(shù)值分析模型。

在該區(qū)極為發(fā)育，許多大型的滑坡及泥石流都是以冰磧物為載體，本文通過(guò)分析該段土質(zhì)邊坡的地質(zhì)環(huán)境等因素，采用數(shù)值模擬對(duì)邊坡變形破壞進(jìn)行模擬，揭示了該段邊坡常見的病害類型，并提出了有針對(duì)性的防治建議。

二、坡體結(jié)構(gòu)特征

邊坡位于G318西藏境內(nèi)K4170+600處，海拔4000左右，其經(jīng)度94°42'15.3″，緯度29°38'45.3″，所在區(qū)域地形地貌特征多以半填半挖路段、緩坡植被茂密、降雨豐沛為主，坡體主要成因類型為坡積、沖積和冰磧物。該邊坡的外形特征為坡高58m、坡長(zhǎng)175m、坡寬120－155m、坡度42－48°、坡向155°，坡面形態(tài)為凸型;邊坡結(jié)構(gòu)類型為土質(zhì)結(jié)構(gòu)，以亞粘土為主，夾雜有15%左右的碎石，且地下水豐富。如圖1所示。冰磧土表現(xiàn)出明顯的“欺軟怕硬”特性［3］:加載初期，由于礫石與土強(qiáng)度特性差異巨大，礫石只作為傳遞外力給土體的載體，土體承擔(dān)絕大多數(shù)變形，直至其發(fā)生屈服;隨后由于礫石位置發(fā)生偏移，彼此間相互擠壓、咬合，重新組合，構(gòu)成了繼續(xù)承受加載的骨架，承擔(dān)變形，直至試件整體發(fā)生屈服破壞。

三、數(shù)值計(jì)算

采用美國(guó)ITASCA公司開發(fā)的FLAC3.0版本數(shù)值分析工具，根據(jù)野外采集的數(shù)據(jù)建立邊坡的FLAC模型。

本文采用FLAC3D對(duì)邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，基于強(qiáng)度折減法的數(shù)值計(jì)算相對(duì)于傳統(tǒng)的極限平衡法所得到的安全系數(shù)有很多優(yōu)點(diǎn):可以模擬出復(fù)雜的邊界條件，地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，各種作用荷載和巖土體的各種力學(xué)特性，并且可以考慮巖土體的應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系［4］。

基于FLAC3D的強(qiáng)度折減法不需要預(yù)先假定破壞面，在求解安全系數(shù)時(shí)就能夠自動(dòng)搜索出破壞面的位置和形狀，可以對(duì)邊坡的漸近破壞過(guò)程進(jìn)行一定的分析［5］。強(qiáng)度折減方法應(yīng)用到有限差分或有限元分析中可以表為:保持巖土體的重力加速度為常數(shù)，通過(guò)逐步減小抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，將c，值同時(shí)除以折減系數(shù)FS，得到一組新的強(qiáng)度指標(biāo)ci，i，然后進(jìn)行有限元分析，反復(fù)計(jì)算直至邊坡達(dá)到臨界破壞狀態(tài)，此時(shí)采用的強(qiáng)度指標(biāo)與巖土體原具有的強(qiáng)度指標(biāo)之比即為該邊坡的安全系數(shù)FS。

根據(jù)地質(zhì)資料建立三維計(jì)算模型，采用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，邊坡前緣的腳點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn) (0，0，0)，X方向沿著坡腳方向向右為正，Y方向以滑動(dòng)向前為負(fù)，Z向上為正，向下為負(fù)，高度為40m，邊坡長(zhǎng)75m，寬40m，初始地應(yīng)力為自重地應(yīng)力場(chǎng)。邊界條件為:X，Y，Z方向?yàn)楣潭s束，坡體主要由冰磧土組成。

四、輸出數(shù)據(jù)分析

運(yùn)行FLAC軟件，可以得到加載后模型邊坡的塑性區(qū)顯示圖、位移矢量圖以及應(yīng)力狀態(tài)分布圖，最終經(jīng)過(guò)穩(wěn)定性計(jì)算，并可依次對(duì)模型邊坡進(jìn)行應(yīng)力分析、位移分析以及變形分析，然后判斷邊坡是否達(dá)到臨界破壞狀態(tài)［6］。

塑性破壞區(qū)域主要表現(xiàn)在坡腳與坡頂，未連成一個(gè)整體，未形成臨空面貫通。

坡體前部的變形最為顯著，最大變形量5.5～5.93cm，說(shuō)明坡體前部存在變形跡象，表明該邊坡變形主要由前緣開挖產(chǎn)生的臨空面牽引而產(chǎn)生的蠕動(dòng)變形。

找出邊坡的破壞面和變形破壞形式，邊坡為類圓弧的破壞模式發(fā)生滑移。形成塑性流變區(qū)域，即邊坡潛在破壞面。其中紅色區(qū)域?yàn)閺椝苄詤^(qū)。從彈塑性狀態(tài)可以看出邊坡的剪切破壞機(jī)制，彈塑性狀態(tài)可顯示的有:(1)某區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力處于屈服狀態(tài) (如果某區(qū)域正處于剪切破壞階段時(shí)，用shear－n表示);(2)某區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力在模型的運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)入過(guò)屈服狀態(tài)的同時(shí)產(chǎn)生塑性流動(dòng)，而后由于應(yīng)力重分布使這一區(qū)域卸載退出了屈服狀態(tài)，用shear－p表示［7］。其演變:由彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄誀顟B(tài)，隨后達(dá)到塑性屈服，從而產(chǎn)生破壞。邊坡處于穩(wěn)定蠕變狀態(tài)，其潛在破壞形式為:以純圓弧形式發(fā)生滑移。

五、結(jié)論及建議

(一)結(jié)論

本文利用快速拉格朗日差分分析法，結(jié)合FLAC程序研究了邊坡的穩(wěn)定性，通過(guò)分析可以得到以下結(jié)論:1.采用FLAC數(shù)值模擬分析邊坡的結(jié)果與實(shí)際破壞情況一致，較好的模擬了實(shí)際邊坡的破壞。2.計(jì)算模型的建立，邊界條件和網(wǎng)格劃分密度要滿足FLAC程序的要求，網(wǎng)格劃分太細(xì)，則超出程序能力;反之，將會(huì)造成較大的誤差。3.FLAC3D軟側(cè)運(yùn)用能夠更直觀的反映該邊坡變形的區(qū)域，不同區(qū)域變形的位移大小及潛在滑動(dòng)面的位置等。4.在天然狀態(tài)下，邊坡暫時(shí)處于穩(wěn)定極限平衡狀態(tài)，但是受極小影響即失穩(wěn)。邊坡受潛在滑移面的影響，發(fā)育長(zhǎng)大形成貫通面，邊坡上部土體離開坡體，滑移坡體對(duì)整個(gè)坡體的坡腳形成應(yīng)力集中，以“壓－剪”的形式破壞，滑移體剪切滑出路塹，破壞道路造成人員傷亡和損失。

(二)建議

對(duì)處于潛在失穩(wěn)狀態(tài)的路塹邊坡防護(hù)采用加固、抗滑樁等防護(hù)措施以提高邊坡穩(wěn)定性，但是其具體布設(shè)方式需根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果來(lái)綜合確定。

［1］袁廣祥，尚彥軍，林達(dá)明.帕隆藏布流域堆積體邊坡的工程地質(zhì)特征及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2009，17(02):188－194.

［2］宋健，高廣運(yùn)，陳青生，趙宏.近斷層地震動(dòng)作用下土質(zhì)邊坡動(dòng)力響應(yīng)研究 ［J］.地震工程學(xué)報(bào)，2013，35(01):62－68+90.

［3］徐鼎平，汪斌，江龍劍，曹作忠.冰磧土三軸數(shù)值模擬試驗(yàn)方法探討［J］.巖土力學(xué)，2008，29(12):3466－3470.

［4］宋民崇，余云燕.三維數(shù)值模擬在某高速公路邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用［J］.黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，30(01):4－9+23.

［5］姜錫宸，劉濤，潘皇宋，楊銳.基于FLAC數(shù)值模擬的邊坡穩(wěn)定性分析［J］.西南公路，2015，(01):84－86.

［6］韓萬(wàn)東，谷明宇，楊曉云，喬彥偉，王興國(guó).FLAC3D數(shù)值模擬的邊坡穩(wěn)定性［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版)，2013，32(09):1204－1208.

［7］曹蘭柱，楊秀.基于FLAC3D的黃土基底排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析 ［J］.科技導(dǎo)報(bào)，2011，29(14):46－50.

西藏大學(xué)研究生高水平人才培養(yǎng)項(xiàng)目 (項(xiàng)目編號(hào):2015—GSP 019)

王振 (1989－)，男，漢族，河南開封，西藏大學(xué)工學(xué)院，碩士研究生。主要研究方向:巖土與防震減災(zāi)工程。