黃 輝，聶 彪

（中鐵科學研究院有限公司深圳分公司 深圳518000）

0 前言

近年來，關于巖體卸荷的研究獲得了很大進展，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。以上的研究涉及邊坡巖體卸荷、卸荷力學、卸荷松弛帶等多個方面，并與開挖聯系起來，但采用數值模擬具體與工程實踐問題相聯系的相對較少。

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

1 工程概況

某山區(qū)公路路塹巖質邊坡相對坡高72 m，坡度35°～40°，巖性為礫巖夾細砂巖、局部為灰?guī)r；層面發(fā)育，巖層傾角21°～32°，以傾向坡內為主。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-中風化巖層為主。山區(qū)公路自山體中下部穿過，需進行開挖施工。

2 水文地質條件

本巖質邊坡范圍大氣降水形成的地表（坡表）面流自地勢高處向地勢低洼處排泄較暢通，地下水主要為儲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角度上主要產生兩個效應，即巖體完整性的變差和物理力學性能的降低。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，因為地應力釋放，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）地應力場重新調整，而在邊坡（斜坡）的淺表部一定深度范圍內（往往會結合原有結構面）所形成的一套破裂變形體系，具體表現為原有結構面的錯動加劇、張開加劇、或沿著巖體薄弱部位產生新的表生破裂結構面體系，結果在河谷邊坡一定深度范圍內形成類似于地下洞室（隧道）圍巖“松動圈”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 數值模擬參數與模型

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

根據工程地質剖面圖及開挖設計方案建立該路塹巖質邊坡有限元模型，如圖1所示［4］，邊坡坡體內長條狀為邊坡勘查孔揭示的斷層。

圖1 公路巖質邊坡有限元計算模型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力及位移場特征的有限元計算不考慮構造地應力場影響，僅考慮邊坡自重應力影響。計算中巖土體物理力學參數、斷層物理力學參數取值詳如表1所示。

表1 巖土體物理力學參數取值Tab.1 Physical and Mechanical Parameters of Rock and Soil

5 數值模擬計算結果分析

5.1 應力場特征

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

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

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

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

5.2 邊坡開挖的最大剪應變能特征

邊坡開挖的最大剪應變能如圖4所示，開挖后最大剪應變發(fā)生在坡頂第四系覆蓋層，最大值為0.015。由于開挖方量小，開挖面部位最大剪應變值基本為零。剪應變能在斷層處有較明顯體現，最大值為0.005，表明斷層部位出現較明顯剪切變形，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

本路塹巖質邊坡開挖后總位移如圖5a所示，由于開挖對邊坡第四系覆蓋層［9］的擾動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 結論

以上數值計算根據巖質邊坡工程地質斷面圖建立計算模型，對邊坡開挖后的應力、應變及可能破壞的情況進行了數值模擬分析。數值模擬結果體現了天然及開挖邊坡總體穩(wěn)定性較好；另一方面，體現了巖質邊坡開挖后開挖面巖土體卸荷回彈的變形特征、變形總體情況及對應量值，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；數值模擬的結果還著重體現了邊坡各部位斷層在開挖過程中應力及變形破壞方面發(fā)生的變化。以上數值模擬結果可供實際開挖施工過程中進行參考，有針對性的對位移較大部位及時進行碾壓，對易發(fā)生破壞的部位進行預加固，避免滑塌發(fā)生。