張志勇，宋之恒，余化彪，胡朝赟，聶正一

(云南省建設(shè)投資控股集團(tuán)有限公司，云南 大理 671000)

0 引言

我國公路、鐵路、水利等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不可避免開挖大量的巖質(zhì)邊坡，巖質(zhì)邊坡中結(jié)構(gòu)面的存在極大削弱其穩(wěn)定性，使邊坡的破壞更具有突發(fā)性。為了邊坡的防災(zāi)、減災(zāi)及治災(zāi)，避免不必要的損失，有必要開展結(jié)構(gòu)面巖質(zhì)邊坡監(jiān)測預(yù)警研究。

斷續(xù)結(jié)構(gòu)面巖體以塊體移動方式失穩(wěn)時，首先是原有結(jié)構(gòu)面擴(kuò)展，生成新裂面，進(jìn)而使原有結(jié)構(gòu)面相互連通，構(gòu)成統(tǒng)一的失穩(wěn)分離面。近年來，諸多學(xué)者[1-11]開展了結(jié)構(gòu)面巖質(zhì)邊坡監(jiān)測的理論分析、模型試驗及數(shù)值模擬研究。其中，尤春安[3]采用明德林解推導(dǎo)出全長黏結(jié)錨桿在拉拔力作用下錨桿軸力和剪應(yīng)力的數(shù)學(xué)解析解，證實全長黏結(jié)錨桿能夠準(zhǔn)確的傳遞出邊坡內(nèi)部應(yīng)力場的變化，是應(yīng)力監(jiān)測的良好載體；朱訓(xùn)國[5]基于Boussinesq位移解，推導(dǎo)出與尤春安教授相同的錨桿應(yīng)力解析解數(shù)學(xué)表達(dá)式。在離心模型試驗研究中，姚裕春等[6]進(jìn)行離心模型試驗，采用在小鋼片貼應(yīng)變計的方法監(jiān)測邊坡內(nèi)部應(yīng)力變化，來反應(yīng)不同開挖支護(hù)時機(jī)對邊坡穩(wěn)定性的影響；楊明等[7]對斜坡堆積體的抗震防護(hù)措施進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)錨桿可以改善坡體內(nèi)部的應(yīng)力調(diào)整規(guī)律，能極大地減小地震作用下邊坡坡面變形以及改善抗滑樁受力狀態(tài)；郭永建[8]提出運用全長黏結(jié)錨桿作為“媒介”來反應(yīng)坡體內(nèi)應(yīng)力調(diào)整，從而對巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定狀況進(jìn)行預(yù)警；采用全長黏結(jié)錨桿對巖質(zhì)邊坡破壞過程中內(nèi)部應(yīng)力場的變化進(jìn)行研究，得出巖質(zhì)邊坡應(yīng)力敏感部位；晏長根等[9]開展均質(zhì)巖質(zhì)邊坡離心模型試驗，研究了錨桿的應(yīng)力響應(yīng)規(guī)律。在數(shù)值模擬分析中，廖小平等[10]對全長黏結(jié)式預(yù)應(yīng)力錨桿進(jìn)行數(shù)值模擬和現(xiàn)場實驗，得出全長黏結(jié)式預(yù)應(yīng)力錨桿能夠在預(yù)應(yīng)力損失的前提下，能保持較高的預(yù)應(yīng)力水平；何忠明[11]采用FLAC3D進(jìn)行加錨情況下順傾向巖質(zhì)邊坡的數(shù)值分析，結(jié)果表明：全長黏結(jié)錨桿的軸力分布函數(shù)是一條多峰值曲線，且錨桿軸力最大值均位于結(jié)構(gòu)面處，證實錨桿軸力最敏感部位處于滑動面位置。學(xué)者們對于均質(zhì)巖的邊坡研究較多，而在實際應(yīng)用和生活中，由于自然界的不確定因素，非均質(zhì)巖的邊坡研究就顯得尤為重要。

本文在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，以錨桿為測力媒介進(jìn)行了三組結(jié)構(gòu)面分布形式不同的斷續(xù)結(jié)構(gòu)面巖質(zhì)邊坡離心模型試驗，并用 FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，以探討三種斷續(xù)結(jié)構(gòu)面應(yīng)力敏感部位，研究成果可為斷續(xù)結(jié)構(gòu)面巖質(zhì)邊坡錨桿應(yīng)力監(jiān)測的推廣應(yīng)用提供參考。

1 邊坡離心模型試驗方案

1.1 材料選擇及制作

模型試驗采用TLJ-3土工離心試驗機(jī)，最大容量為 60 g-t，最大離心加速度為200 g，有效半徑為 2.0 m，模型箱長×寬×高為500 mm×360 mm×400 mm。該試驗是將土工模型置于高速旋轉(zhuǎn)的離心機(jī)中，讓模型承受離心加速度(大于重力加速度)，補(bǔ)償因模型縮尺帶來的自重?fù)p失，更接近于實際。邊坡模型材料按照石英砂∶重晶石粉∶石膏粉∶水=1∶1∶0.3∶0.42 的比例配制模擬軟巖[12-14]，通過試驗確定邊坡模型材料的物理力學(xué)參數(shù)見表1。模型采用填筑法制作，在模型箱內(nèi)側(cè)均勻涂抹凡士林以盡量消除邊界摩阻效應(yīng)，填筑至結(jié)構(gòu)面時鋪設(shè)裁好的塑料紙模擬結(jié)構(gòu)面，經(jīng)直剪試驗測得厚塑料紙內(nèi)摩擦角為29°，黏聚力為5 kPa。采用熟鐵片模擬全長黏接錨桿，橫截面積為 8 mm(寬)×1 mm(厚)，長10 cm，彈性模量約為200 GPa，上部貼設(shè)120-3AA無端子免焊接電阻應(yīng)變計進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測，模型加工時預(yù)留錨桿注漿孔道，采用超細(xì)水泥漿作為錨桿黏接劑[12]。

1.2 試驗設(shè)計

本文共設(shè)計三種不同斷續(xù)結(jié)構(gòu)面巖質(zhì)邊坡應(yīng)力監(jiān)測模型(圖1)，三種模型中斷續(xù)結(jié)構(gòu)面貫通率均為50%，結(jié)構(gòu)面傾角為49°。模型A設(shè)有2組沿在同一條直線分布的結(jié)構(gòu)面，模型B設(shè)有3組沿同一條直線分布的結(jié)構(gòu)面，模型C設(shè)有2組平行分布結(jié)構(gòu)面。沿模型坡面自上而下依次布置1號、2號、3號錨桿，錨桿間距為90 mm。1號錨桿布設(shè)監(jiān)測點1、2、3，2號錨桿布設(shè)監(jiān)測點4、5、6，3號錨桿布設(shè)監(jiān)測點7、8、9。各監(jiān)測點布設(shè)原則：1、4、7監(jiān)測點距離錨桿端頭20 mm，2、5、8監(jiān)測點距離錨桿端頭50 mm，3、6、9監(jiān)測點距離錨桿端頭80 mm，同時適當(dāng)調(diào)整位置以保證監(jiān)測點布置在結(jié)構(gòu)面處。

圖1 三種斷續(xù)結(jié)構(gòu)面邊坡模型

圖2 三種斷續(xù)結(jié)構(gòu)面邊坡模型實物圖

1.3 試驗加載

試驗中采用分級加速方法，離心加速度按每級提升20 g，模型A、B、C離心加速時間見表2。

表 2 三種模型(A，B，C)的離心加速時間

1.4 數(shù)據(jù)收集

離心機(jī)可實時監(jiān)控并傳輸試驗過程中錨桿的應(yīng)變數(shù)據(jù)，根據(jù)胡克定律可計算錨桿的應(yīng)力值。由于工程上主要以軸力描述錨桿的受拉狀態(tài)，通過公式F=n2EζA模(F為軸力，n為離心加速度，E為錨桿彈性模量，ζ為錨桿應(yīng)變，A模為錨桿截面積)將應(yīng)力值換算為軸力值。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 試驗現(xiàn)象

試驗加載至約120 g時，各邊坡模型發(fā)生破壞，試驗破壞側(cè)視圖見圖3。由圖3a可知，邊坡模型A破壞時滑動面為直線型，開挖邊坡發(fā)現(xiàn)監(jiān)測錨桿均被壓彎，上部錨桿彎折幅度較小，中下部錨桿彎折幅度較大。由圖3b可知，邊坡模型B產(chǎn)生近似圓弧型滑動，開挖邊坡發(fā)現(xiàn)上部監(jiān)測錨桿被拔出且有小幅彎折，中下部錨桿被壓彎。由圖3c可知，邊坡模型C破壞時滑動面近似“S”型，開挖邊坡發(fā)現(xiàn)，中上部錨桿大幅度彎折，下部錨桿彎折幅度較小。

圖3 三種模型的邊坡破壞側(cè)視圖

2.2 錨桿監(jiān)測結(jié)果分析

模型A各監(jiān)測點軸力歷時曲線見圖4。由圖4可知，在660 s之前，監(jiān)測點1、2、3軸力值為負(fù)，錨桿1為受壓狀態(tài)，監(jiān)測點4、5、6、7、8、9軸力值為正，錨桿2、3為受拉狀態(tài)。監(jiān)測點7約480 s時產(chǎn)生明顯應(yīng)力響應(yīng)，其他監(jiān)測點在700～900 s時產(chǎn)生明顯應(yīng)力響應(yīng)。在900～1620 s，監(jiān)測點3、5、7分別相對于錨桿1、2、3上的其他監(jiān)測點響應(yīng)量值及增速更大，則模型A應(yīng)力敏感區(qū)域位于結(jié)構(gòu)面貫通區(qū)，且監(jiān)測點3、5、7位于邊坡破壞直線型滑面上，驗證模型A試驗現(xiàn)象。監(jiān)測點1～9軸力終值趨于收斂，分別為 41 kN、60 kN、78 kN、52 kN、96 kN、35 kN、103 kN、42 kN、14 kN。監(jiān)測點5、7的軸力增長速率及軸力終值均大于監(jiān)測點3，說明模型A中下部比上部更為敏感，但監(jiān)測點5、7的軸力增長速率較為相近，下文采用數(shù)值模擬分析模型A最敏感部位。

圖4 模型A監(jiān)測點軸力-時間變化曲線

模型B各監(jiān)測點軸力歷時曲線見圖5。由圖5可知，在360 s之前，錨桿1、2、3為受壓狀態(tài)，邊坡相對穩(wěn)定。監(jiān)測點7約在540 s時產(chǎn)生明顯應(yīng)力響應(yīng)，其他監(jiān)測點在800～900 s時產(chǎn)生明顯應(yīng)力響應(yīng)。在900～1610 s時，監(jiān)測點2、5、7分別相對于錨桿1、2、3上的其他監(jiān)測點響應(yīng)量值及增速更大，證明模型B應(yīng)力敏感區(qū)域位于潛在滑動面處，且監(jiān)測點2、5、7位于邊坡破壞圓弧滑面上，驗證模型B試驗現(xiàn)象。監(jiān)測點1～9軸力終值趨于收斂，分別為42 kN、78 kN、45 kN、54 kN、97 kN、80 kN、106 kN、88 kN、31 kN。監(jiān)測點5/7的軸力增長速率及軸力終值均大于監(jiān)測點2，同時監(jiān)測點8監(jiān)測量值及變化速率也較大，綜合分析模型B應(yīng)力最敏感位置在靠近邊坡下部坡腳剪出口。

圖5 模型B監(jiān)測點軸力-時間變化曲線

模型C各監(jiān)測點軸力歷時曲線見圖6。由圖6可知，在加速之后，各監(jiān)測點軸力值均為正值，錨桿1、2、3為受拉狀態(tài)，邊坡產(chǎn)生相對滑動趨勢。監(jiān)測點2、4、5、7約500 s產(chǎn)生明顯應(yīng)力響應(yīng)，其他監(jiān)測點在600～800s時產(chǎn)生明顯應(yīng)力響應(yīng)。在800～1640 s時，監(jiān)測點2、7分別相對于錨桿1、3上的其他監(jiān)測點響應(yīng)量值及增速更大；監(jiān)測點4、5對邊坡內(nèi)部應(yīng)力調(diào)整均較為敏感，可推測2號錨桿軸力最大值位于監(jiān)測點4、5之間。綜合監(jiān)測點2、4、5、7監(jiān)測數(shù)據(jù)，模型C應(yīng)力敏感區(qū)域位于結(jié)構(gòu)面貫通區(qū)，同時可驗證模型C試驗現(xiàn)象。監(jiān)測點1～9軸力終值趨于收斂，分別為45 kN、105 kN、33 kN、65 kN、85 kN、35 kN、96 kN、47 kN、18 kN。監(jiān)測點2軸力增長速率及軸力終值均大于其他監(jiān)測點，則模型C應(yīng)力最敏感部位位于結(jié)構(gòu)面貫通區(qū)上部。

圖6 模型C監(jiān)測點軸力-時間變化曲線

3 FLAC3D數(shù)值模擬

3.1 模型建立與參數(shù)選取

巖體本構(gòu)關(guān)系采用莫爾-庫倫模型，邊界條件采用將構(gòu)造應(yīng)力作為安全儲備的位移邊界條件，模型網(wǎng)格劃分主要采用六面體單元，局部采用四面體單元；單元劃分時主要在潛在滑體以及全長黏結(jié)錨桿位置處加密，其他位置相對較大[15-16]。

根據(jù)模擬相似材料物理力學(xué)參數(shù)，參照我國相關(guān)規(guī)范[17]附錄D對工程巖體物理力學(xué)參數(shù)的建議，選取泊松比為0.3。采用彈性求解法生成數(shù)值模型初始地應(yīng)力，然后采用莫爾-庫倫本構(gòu)模型進(jìn)行計算，可得出摩爾庫倫模型中的

結(jié)構(gòu)面采用 FLAC3D中的 interface 接觸面單元進(jìn)行模擬，interface參數(shù)見表3。錨桿入射角為18°，直徑為22 mm，長度取10 m，鉆孔直徑取75 mm，采用cable單元模擬，取cable單元物理力學(xué)參數(shù)表見表4。

表3 Interface 參數(shù)

表4 Cable 單元參數(shù)

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

提取各模型錨桿監(jiān)測點在不同重力加速度下錨桿軸力數(shù)據(jù)并繪制監(jiān)測點-軸力加速度曲線圖，在重力加速度為1.2 g的情況下邊坡的剪應(yīng)變增量云圖(對應(yīng)于邊坡在120 g離心加速度情況邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞的狀態(tài))見圖7b、圖8b、圖9b，錨桿各監(jiān)測點在不同重力加速度下錨桿軸力數(shù)據(jù)并繪制監(jiān)測點-軸力加速度曲線，見圖7a、圖8a、圖9a。

圖7 模型A監(jiān)測點軸力-加速度曲線(a)與模型A應(yīng)變增量云圖和錨桿軸力分布云圖(b)

圖8 模型B監(jiān)測點軸力-加速度曲線(a)與模型B應(yīng)變增量云圖和錨桿軸力分布云圖(b)

由圖7a可知，3、5、7號監(jiān)測點曲線增長速度和變化量值均遠(yuǎn)大于同錨桿其他監(jiān)測點，且由圖7b可知，模型A邊坡最大剪應(yīng)變增量位于潛在的結(jié)構(gòu)面貫通區(qū)，證實離心試驗中模型A敏感區(qū)域位于潛在的結(jié)構(gòu)面貫通區(qū)。5、7號監(jiān)測點的軸力最大值相近，但在離心加速度為80 g～100 g 時，5號監(jiān)測點軸力值比7號監(jiān)測點變化速率快，應(yīng)力響應(yīng)更為敏感，故模型A的應(yīng)力最敏感部位位于潛在結(jié)構(gòu)面貫通區(qū)的中部。

由圖8a可知，2、5、7號監(jiān)測點曲線增長速度和變化量值均遠(yuǎn)大于同錨桿其他監(jiān)測點，且由圖8b可知，模型B邊坡最大剪應(yīng)變增量呈現(xiàn)圓弧形，證實模型B離心試驗產(chǎn)生類似的圓弧形滑動，敏感區(qū)域位于2、5、7號監(jiān)測點構(gòu)成的潛在圓弧滑面。在離心加速度為80 g～100 g時，7號監(jiān)測點軸力值比5號監(jiān)測點變化速率快，應(yīng)力響應(yīng)更為敏感，故模型B的應(yīng)力最敏感部位位于坡腳部位。

由圖9a可知，2、7號監(jiān)測點曲線增長速度和變化量值均遠(yuǎn)大于同錨桿其他監(jiān)測點，且由圖9b可知，模型C邊坡最大剪應(yīng)變增量位于潛在的結(jié)構(gòu)面貫通區(qū)，證實模型試驗中模型C敏感區(qū)域位于潛在的結(jié)構(gòu)面貫通區(qū)。4、5號監(jiān)測點數(shù)據(jù)均比較大，側(cè)面反映邊坡在錨桿2的4、5監(jiān)測點之間產(chǎn)生貫通區(qū)。在離心加速度為80 g～100 g時，2號監(jiān)測點軸力值比7號監(jiān)測點變化速率快，應(yīng)力響應(yīng)更為敏感，故模型C的應(yīng)力最敏感部位位于潛在結(jié)構(gòu)面貫通區(qū)的上部。

4 結(jié)論

本文利用離心模型試驗和數(shù)值方法對巖質(zhì)邊坡三種斷續(xù)結(jié)構(gòu)面的分布形式進(jìn)行模擬，通過兩種不同的方法得到的結(jié)果能互相印證綜合對比得出以下結(jié)論：

1)在貫通率都為50%的情況下，斷續(xù)結(jié)構(gòu)面的不同分布形式對邊坡的穩(wěn)定性及邊坡破壞模式產(chǎn)生較大影響。邊坡模型A破壞時滑動面為直線型，邊坡模型B破壞時產(chǎn)生近似圓弧型滑動，邊坡模型C破壞時滑動面近似“S”型。

2)隨著離心加速度的增大，大部分監(jiān)測點軸力值呈現(xiàn)階梯式增長趨勢。模型A的7號監(jiān)測點在1620 s時產(chǎn)生軸力最大值為103.34 kN，模型B的7號監(jiān)測點在1560 s時產(chǎn)生軸力最大值為106.09 kN，模型C的2號監(jiān)測點在1620 s時產(chǎn)生軸力最大值為105.63 kN。

3)斷續(xù)結(jié)構(gòu)面的不同分布形式影響邊坡內(nèi)部應(yīng)力場調(diào)整，邊坡模型A應(yīng)力敏感區(qū)域位于結(jié)構(gòu)面貫通區(qū)，且結(jié)構(gòu)面貫通區(qū)中部的應(yīng)力最敏感；邊坡模型B應(yīng)力敏感區(qū)域位于潛在滑動面處，且滑動面坡腳剪出口處應(yīng)力最敏感；邊坡模型C應(yīng)力敏感區(qū)域位于結(jié)構(gòu)面貫通區(qū)，且結(jié)構(gòu)面貫通區(qū)上部的應(yīng)力最敏感。