魏小楠

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司， 貴州 貴陽 550081)

1 引言

已有邊坡穩(wěn)定性分析方法有強度折減有限元分析方法、極限平衡法、條分法等，這些方法均假定滑裂面整體達到臨界狀態(tài)，即建立在極限狀態(tài)之上。而現(xiàn)有研究表明：邊坡的破壞實際上是漸變的過程，傳統(tǒng)邊坡研究方法將邊坡視為整體靜態(tài)來進行研究的假設(shè)與實際不符。針對邊坡漸進性破壞，劉忠玉等考慮土體的流變效應(yīng)，通過推廣不平衡推力法，提出了邊坡漸進性破壞力學模型，進行了穩(wěn)定性分析，并發(fā)現(xiàn)邊坡安全系數(shù)隨時間變化而逐漸減??；黃偉等針對雪峰山露天礦多滑面邊坡特點，建立以極限平衡為基礎(chǔ)的功能函數(shù)和模糊可靠度算法，并對邊坡進行穩(wěn)定性分析；宋東日等針對山區(qū)牽引式滑坡，提出3種具體的邊坡破壞機制，并對加固措施進行了探討；肖超等對開挖與降雨作用下的邊坡失穩(wěn)機理進行了分析，表明邊坡的破壞是一個漸進性破壞過程，雨水入滲是深層滑動面的誘發(fā)因素；張平等從裂隙巖石破壞漸進性過程以及破壞機制出發(fā)，提出漸進性破壞模式理論公式，并對已建立的漸進破損模型進行了試驗驗證；王庚蓀提出了新的接觸單元，模擬邊坡的漸進性破壞過程并進行穩(wěn)定性分析，表明考慮漸進性破壞過程求得的穩(wěn)定性系數(shù)比不考慮漸進性破壞過程的有限元分析所得安全系數(shù)要小5%～10%。在此基礎(chǔ)上，王庚蓀等提出含剪切帶單元模型，模擬了漸進性破壞過程并進行參數(shù)分析，表明巖土體的強度參數(shù)對滑動面形跡影響較小，但對安全系數(shù)影響較大。

該文以貴州某開挖路塹高邊坡為工程背景，針對其易發(fā)生累進式的牽引滑動變形特點，綜合考慮巖土體材料的應(yīng)變軟化特性，基于數(shù)值分析軟件模擬邊坡由于坡腳開挖誘發(fā)的漸進性失穩(wěn)過程。并對坡腳開挖誘發(fā)超高路塹邊坡失穩(wěn)進行失穩(wěn)特性分析，研究邊坡安全系數(shù)在坡腳開挖誘發(fā)的邊坡失穩(wěn)過程中的變化規(guī)律。

2 工程背景

某路塹邊坡，地層為上覆第四系殘坡積層含碎石粉質(zhì)黏土及碎石土。下伏基巖為二疊系龍?zhí)督M砂巖、泥巖、夾層煤；二疊系飛仙關(guān)組粉砂質(zhì)泥巖、間夾一層灰?guī)r。原設(shè)計為4級邊坡，最大挖高38.5 m，軸線最大挖高28.9 m，邊坡開挖至第2級坡面時，在2、3級坡中部出現(xiàn)蠕滑剪出的裂縫，同時坡口外出現(xiàn)裂縫。邊坡出現(xiàn)蠕滑變形后，對坡面防護設(shè)計進行調(diào)整，放緩邊坡進行清方減載，原4級邊坡變?yōu)?級坡。第1級邊坡抗滑樁在挖孔過程中出現(xiàn)塌孔，最遠處裂縫距離第5級邊坡坡頂120 m。第3級邊坡拱形骨架出現(xiàn)了坍塌，整段邊坡向路基方向滑移。該路塹邊坡斷面及地層巖性如圖1所示。

圖1 路塹邊坡橫斷面及地層巖性

3 坡腳開挖誘發(fā)路塹邊坡失穩(wěn)特性分析

3.1 開挖施工誘發(fā)滑坡破壞穩(wěn)定性分析

考慮到該依托工程邊坡變形穩(wěn)定特性與坡角分級開挖施工密切相關(guān)，在開挖坡角臺階邊坡的各個階段均表現(xiàn)出了不同的穩(wěn)定狀態(tài)，此處首先基于傳統(tǒng)穩(wěn)定性分析原理，對坡腳分級開挖過程中的邊坡穩(wěn)定性動態(tài)變化進行研究；即假定巖土體抗剪強度特征未受應(yīng)變軟化特性影響，分析與之對應(yīng)的分級開挖施工條件下的邊坡安全系數(shù)。采用FLAC3D內(nèi)嵌強度折減法對分級開挖邊坡進行穩(wěn)定性分析，得到邊坡安全系數(shù)與開挖邊坡級數(shù)見圖2。

圖2 安全系數(shù)隨開挖級數(shù)變化

從圖2中可以看出：① 未考慮巖土體材料應(yīng)變軟化特性條件下，邊坡安全系數(shù)隨開挖級數(shù)的增大而不斷減?。虎?傳統(tǒng)強度折減技術(shù)均假定開挖過程為靜態(tài)過程，獲求的是邊坡每一施工工序最終的安全系數(shù)特性，且?guī)r土材料強度特性維持不變，這與依托工點邊坡蠕滑特性不一致。因此有必要進一步引入巖土材料應(yīng)變軟化特性進行邊坡漸進性失穩(wěn)特性分析。

3.2 巖土體漸進式破壞力學特性分析

高路塹邊坡失穩(wěn)主要是因為隨著開挖量的增加，坡腳關(guān)鍵阻滑塊體缺失，誘發(fā)坡體開挖應(yīng)力釋放，土應(yīng)力急劇調(diào)整，巖土體屈服變形，邊坡穩(wěn)定性降低。當塑性區(qū)逐漸衍生至完全貫通時，邊坡整體失穩(wěn)。已有文獻表明：巖土體漸進式破壞主要表現(xiàn)在空間位置上滑裂面的參數(shù)劣變是逐步產(chǎn)生發(fā)展的，滑面上各位置的參數(shù)存在差異性以及時間上滑裂面上強度參數(shù)隨漸進演化發(fā)展呈現(xiàn)不同的速率劣變。

4 考慮巖土應(yīng)變軟化特性的路塹邊坡漸進性破壞機理

4.1 巖土應(yīng)變軟化特性分析

邊坡破壞過程實質(zhì)上是滑裂面上強度參數(shù)劣變過程。FLAC3D內(nèi)嵌應(yīng)變軟化模型實質(zhì)上是摩爾-庫侖屈服準則中強度參數(shù)與相應(yīng)軟化應(yīng)變參數(shù)建立的函數(shù)關(guān)系。

摩爾-庫侖強度準則：

(1)

式中：σ1、σ2、σ3為3個主應(yīng)力，且σ1≤σ2≤σ3。

屈服函數(shù)：

(2)

ft=σ3-σt=0

(3)

對于坡體來說，剪切與拉伸勢函數(shù)如下：

(4)

gt=-σ3

(5)

式中：ψ為剪脹角。

在應(yīng)變軟化模型中，強度參數(shù)與軟化參數(shù)(圖3)之間的關(guān)系表達式如下：

(6)

(7)

式中：cp為峰值黏聚力；cr為殘余黏聚力；φp為峰值內(nèi)摩擦角；φr為殘余內(nèi)摩擦角；ηp為峰后軟化開始時的軟化參數(shù)；ηr為軟化結(jié)束進入殘余階段時的軟化參數(shù)。

等效塑性剪應(yīng)變增量：

(8)

圖3 強度參數(shù)變化示意圖

4.2 路塹邊坡漸進性破壞機理分析

4.2.1 巖土材料特性及數(shù)值建模

為保證該文數(shù)值建模的合理以及可靠性，首先通過Auto CAD輸出的圖形交互文件，導入Midas建立對應(yīng)的邊坡網(wǎng)格模型。再通過Midas_to_FLAC3D接口程序，生成FLAC3D模型。模型邊界為左、右側(cè)面邊界采用水平約束，底面邊界采用水平、垂直全約束。

根據(jù)邊坡數(shù)值建模與實際邊坡各開挖階段邊坡破壞特征與安全系數(shù)一致性要求，基于滑坡極限狀態(tài)分析以及滑裂面位置，對背景工程坡體強度參數(shù)進行反演分析。參考相關(guān)文獻，該節(jié)選取設(shè)計報告中的強度參數(shù)，綜合確定了各巖土層物理力學參數(shù)如表1所示。

表1 計算模型參數(shù)取值

4.2.2 路塹邊坡漸進性破壞數(shù)值分析

路塹高邊坡漸進性破壞時由于坡腳開挖，致使開挖應(yīng)力釋放，巖土體應(yīng)力狀態(tài)重新調(diào)整，產(chǎn)生塑性屈服、應(yīng)變累積以及卸荷松動，邊坡穩(wěn)定狀態(tài)降低，當塑性區(qū)延伸擴展至貫通時，邊坡失穩(wěn)。利用FLAC3D內(nèi)嵌應(yīng)變軟化模型，對原始坡體以及5次刷坡坡體分別進行了模擬分析，得到其塑性區(qū)演變過程。

從演變過程可知：邊坡開挖初期(第1、2次刷坡)，即邊坡上端的坡體少量開挖，對天然穩(wěn)定狀態(tài)的斜坡應(yīng)力狀態(tài)改變較小，邊坡整體仍能維持平衡，土體中未形成塑性區(qū)。隨著開挖量的增加，坡腳出現(xiàn)應(yīng)力集中，坡腳處出現(xiàn)塑性屈服，塑性區(qū)隨著開挖量的增加不斷向上延伸。當邊坡臨近極限狀態(tài)時，即進行第5次刷坡時，塑性區(qū)迅速貫通，邊坡整體失穩(wěn)。

圖4為第5次刷坡考慮應(yīng)變軟化的邊坡塑性區(qū)隨開挖時步的變化圖，在軟化初期，坡腳處出現(xiàn)張拉屈服以及剪切屈服，隨著時步的增大，剪切塑性區(qū)不斷延伸，坡頂以及坡體表面出現(xiàn)張拉屈服，坡體表面產(chǎn)生裂縫，這也與背景工程整體失穩(wěn)時的裂縫出現(xiàn)位置相符。

圖5～7為考慮應(yīng)變軟化第5次刷坡時剪應(yīng)變增量、滑裂面強度參數(shù)黏聚力以及內(nèi)摩擦角隨時步的變化。從圖5～7可以看出：邊坡的破壞其實質(zhì)上是由于滑裂面上強度參數(shù)的劣變，且參數(shù)的劣變發(fā)展規(guī)律與剪應(yīng)變增量的延伸規(guī)律一致，表明參數(shù)劣化與該處的剪應(yīng)變增量相關(guān)。

圖4 塑性區(qū)隨開挖時步變化

圖5 剪應(yīng)變增量隨開挖時步變化

圖6 黏聚力值隨開挖時步變化(單位：kPa)

圖7 內(nèi)摩擦角值隨開挖時步變化[單位：(°)]

5 結(jié)論

基于邊坡漸進性破壞的特點，考慮破壞時滑動面上強度參數(shù)的應(yīng)變軟化特性，基于FLAC3D有限差分軟件平臺，分析坡腳開挖誘發(fā)的高路塹邊坡的漸進性破壞過程。得出以下結(jié)論：

(1) 高路塹邊坡的破壞是由于邊坡坡腳開挖，導致坡腳阻滑塊體缺失，其實質(zhì)是由于滑裂面強度參數(shù)的劣變。

(2) 邊坡的失穩(wěn)是由局部變形累積、延伸直至貫通的整體破壞漸進過程，在此漸進性發(fā)展過程中，滑裂面上強度參數(shù)的折減速率與剪應(yīng)變增量有關(guān)。

(3) 隨著開挖級數(shù)增大，邊坡穩(wěn)定狀態(tài)降低。邊坡漸進性破壞的各階段具有不同的穩(wěn)定狀態(tài)和安全系數(shù)。