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        某山區(qū)公路巖質(zhì)邊坡開挖效果數(shù)值模擬分析

        2020-06-16 08:16:34輝,聶
        廣東土木與建筑 2020年6期
        關(guān)鍵詞:巖質(zhì)第四系覆蓋層

        黃 輝,聶 彪

        (中鐵科學(xué)研究院有限公司深圳分公司 深圳518000)

        0 前言

        近年來,關(guān)于巖體卸荷的研究獲得了很大進(jìn)展,吳玉山、李天斌和王蘭生等人開展了一系列巖石三軸試驗(yàn)的研究,G.Wu 和L.Zhang、李建林[1]和周小平等人在巖體卸荷的理論研究方面也有很大貢獻(xiàn)。以上的研究涉及邊坡巖體卸荷、卸荷力學(xué)、卸荷松弛帶等多個(gè)方面,并與開挖聯(lián)系起來,但采用數(shù)值模擬具體與工程實(shí)踐問題相聯(lián)系的相對(duì)較少。

        隨著山區(qū)公路建設(shè)的不斷深入,開挖穩(wěn)定問題也越來越突出,本文以具體工程為例,通過數(shù)值模擬分析邊坡開挖卸荷以及原有斷層對(duì)坡體變形、應(yīng)力變化的影響,為類似工程的開挖施工提供借鑒。

        1 工程概況

        某山區(qū)公路路塹巖質(zhì)邊坡相對(duì)坡高72 m,坡度35°~40°,巖性為礫巖夾細(xì)砂巖、局部為灰?guī)r;層面發(fā)育,巖層傾角21°~32°,以傾向坡內(nèi)為主。邊坡坡表為第四系覆蓋層,局部為崩坡積塊碎石層,邊坡以強(qiáng)-中風(fēng)化巖層為主。山區(qū)公路自山體中下部穿過,需進(jìn)行開挖施工。

        2 水文地質(zhì)條件

        本巖質(zhì)邊坡范圍大氣降水形成的地表(坡表)面流自地勢(shì)高處向地勢(shì)低洼處排泄較暢通,地下水主要為儲(chǔ)存在基巖裂隙及第四系覆蓋層、崩坡積塊碎石層的上層滯水,主要接受大氣降水補(bǔ)給。

        3 開挖卸荷理論

        巖體卸荷作用是邊坡(斜坡)巖體淺表層改造的一種重要外界營力,其主要表現(xiàn)方式之一的卸荷回彈是指邊坡(斜坡)巖土體發(fā)生變形破壞。巖體的卸荷作用從工程地質(zhì)角度上主要產(chǎn)生兩個(gè)效應(yīng),即巖體完整性的變差和物理力學(xué)性能的降低。邊坡卸荷帶是指伴隨著邊坡開挖或者自然演化河谷下切的過程,因?yàn)榈貞?yīng)力釋放,邊坡(斜坡)巖體向著臨空方向發(fā)生卸荷回彈變形,河谷(邊坡)地應(yīng)力場重新調(diào)整,而在邊坡(斜坡)的淺表部一定深度范圍內(nèi)(往往會(huì)結(jié)合原有結(jié)構(gòu)面)所形成的一套破裂變形體系,具體表現(xiàn)為原有結(jié)構(gòu)面的錯(cuò)動(dòng)加劇、張開加劇、或沿著巖體薄弱部位產(chǎn)生新的表生破裂結(jié)構(gòu)面體系,結(jié)果在河谷邊坡一定深度范圍內(nèi)形成類似于地下洞室(隧道)圍巖“松動(dòng)圈”的岸坡卸荷回彈分帶特征。開挖卸荷則是指上部巖土體挖除后,下部巖土體隨著上覆荷載的移除,將引起開挖面巖土體的向臨空面的變形[2,3]。

        4 數(shù)值模擬參數(shù)與模型

        模型及計(jì)算參數(shù)Rocscience Phase 2.0 是一款功能強(qiáng)大的巖土工程彈塑性有限元計(jì)算軟件、廣泛使用于各類工程數(shù)值模擬分析中。本文采用Phase 2.0 軟件模擬該巖質(zhì)邊坡開挖后應(yīng)力場、變形等的變化。

        根據(jù)工程地質(zhì)剖面圖及開挖設(shè)計(jì)方案建立該路塹巖質(zhì)邊坡有限元模型,如圖1所示[4],邊坡坡體內(nèi)長條狀為邊坡勘查孔揭示的斷層。

        圖1 公路巖質(zhì)邊坡有限元計(jì)算模型Fig.1 Finite Element Calculation Model of Rock Slope

        邊坡開挖僅涉及表部,天然以及開挖條件下的應(yīng)力及位移場特征的有限元計(jì)算不考慮構(gòu)造地應(yīng)力場影響,僅考慮邊坡自重應(yīng)力影響。計(jì)算中巖土體物理力學(xué)參數(shù)、斷層物理力學(xué)參數(shù)取值詳如表1所示。

        表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)取值Tab.1 Physical and Mechanical Parameters of Rock and Soil

        5 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析

        5.1 應(yīng)力場特征

        計(jì)算結(jié)果表明,天然狀態(tài)下邊坡應(yīng)力符合一般斜坡應(yīng)力場特征,應(yīng)力在風(fēng)化界線附近有一定的變化,在斷層及裂隙周圍出現(xiàn)應(yīng)力集中,天然狀態(tài)下斜坡應(yīng)力隨深度變化,從坡表到坡體內(nèi)應(yīng)力逐漸增大,如圖2所示。

        邊坡開挖后,伴隨邊坡應(yīng)力場的重分布[5],開挖坡面的最大主應(yīng)力值介于0.00~2.00 MPa(見圖3a)。在開挖面坡度變化處出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象,由開挖前的1.00 MPa 增大為2.00 MPa。最小主應(yīng)力范圍為-0.01~0.28 MPa,巖體卸荷回彈[6]導(dǎo)致開挖面局部出現(xiàn)拉應(yīng)力(集中在開挖面及斷層附近),即最小主應(yīng)力為負(fù)值(見圖3b)。

        圖2 天然狀態(tài)主應(yīng)力云圖Fig.2 Cloud Chart of Principal Stress in Natural State

        圖3 開挖后主應(yīng)力云圖Fig.3 Cloud Chart of Principal Stress after Excavation

        5.2 邊坡開挖的最大剪應(yīng)變能特征

        邊坡開挖的最大剪應(yīng)變能如圖4所示,開挖后最大剪應(yīng)變發(fā)生在坡頂?shù)谒南蹈采w層,最大值為0.015。由于開挖方量小,開挖面部位最大剪應(yīng)變值基本為零。剪應(yīng)變能在斷層處有較明顯體現(xiàn),最大值為0.005,表明斷層部位出現(xiàn)較明顯剪切變形,順傾坡外的斷層在開挖面附近有局部破壞失穩(wěn)的可能[7,8]。

        5.3 坡體位移場及破壞區(qū)分布特征

        本路塹巖質(zhì)邊坡開挖后總位移如圖5a所示,由于開挖對(duì)邊坡第四系覆蓋層[9]的擾動(dòng)且第四系覆蓋層本身穩(wěn)定性較差[10],最大位移發(fā)生在第四系覆蓋層的開挖面處,量值為3.7 cm。開挖面巖體卸荷回彈,在開挖路基前緣處位移較明顯,達(dá)1.3 cm。開挖后邊坡塑性區(qū)分布特征如圖5b所示,塑性破壞主要分布在第四系覆蓋層和斷層帶,以拉、剪破壞為主,覆蓋層有失穩(wěn)的可能,發(fā)生剪切破壞的可能性較大。

        圖5 邊坡開挖后的整體位移云圖及破壞分布圖Fig.5 Cloud Chart of Overall Displacement and Failure Distribution after Slope Excavation

        6 結(jié)論

        以上數(shù)值計(jì)算根據(jù)巖質(zhì)邊坡工程地質(zhì)斷面圖建立計(jì)算模型,對(duì)邊坡開挖后的應(yīng)力、應(yīng)變及可能破壞的情況進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。數(shù)值模擬結(jié)果體現(xiàn)了天然及開挖邊坡總體穩(wěn)定性較好;另一方面,體現(xiàn)了巖質(zhì)邊坡開挖后開挖面巖土體卸荷回彈的變形特征、變形總體情況及對(duì)應(yīng)量值,可能發(fā)生破壞的部位及破壞類型,即第四系覆蓋層開挖面處和開挖面斷層處是薄弱位置易發(fā)生較大的變形或發(fā)生破壞的部位;數(shù)值模擬的結(jié)果還著重體現(xiàn)了邊坡各部位斷層在開挖過程中應(yīng)力及變形破壞方面發(fā)生的變化。以上數(shù)值模擬結(jié)果可供實(shí)際開挖施工過程中進(jìn)行參考,有針對(duì)性的對(duì)位移較大部位及時(shí)進(jìn)行碾壓,對(duì)易發(fā)生破壞的部位進(jìn)行預(yù)加固,避免滑塌發(fā)生。

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