許源華 譚化川 劉 品

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

在西南山區(qū)的公路建設(shè)中，經(jīng)常遇到反傾的層狀巖質(zhì)邊坡，在其巖層產(chǎn)狀與開挖坡面具有一定的反傾關(guān)系時，開挖切腳臨空后，導(dǎo)致有層理分割形成的板狀巖體在自重彎矩作用下向臨空方向產(chǎn)生懸臂梁式彎曲，并向坡體內(nèi)部發(fā)展，在變形積累到一定階段后產(chǎn)生巖塊轉(zhuǎn)動、傾倒等變形破壞。傾倒變形破壞演變過程見圖1[1-2]。

圖1 傾倒變形破壞演變過程圖

和其他邊坡變形失穩(wěn)過程相比，傾倒破壞與巖層、節(jié)理的切割、邊坡開挖的空間關(guān)系很大。同時在傾倒破壞過程中塊體的運(yùn)動及對其他塊體產(chǎn)生的影響也會對邊坡穩(wěn)定性造成較大的影響。

離散元法允許巖塊之間滑動、平移、轉(zhuǎn)動，以及巖體斷裂等復(fù)雜過程，具有宏觀上的不連續(xù)性，可以較真實(shí)、動態(tài)地模擬邊坡塊體在開挖過程中應(yīng)力、位移、變形狀態(tài)的變化特征，以及巖體破壞過程。因此，利用該方法對傾倒破壞進(jìn)行穩(wěn)定性分析具有較好的適宜性。

1 工程實(shí)例地質(zhì)條件

貴州省某高速公路互通匝道AK2+910-BK0+382左側(cè)挖方邊坡，于2014年12月4日第三級以上防護(hù)施工完成后，在進(jìn)行第二級邊坡開挖過程中，AK2+910-AK2+975段邊坡出現(xiàn)傾倒破壞，第二級邊坡平臺出現(xiàn)多條裂縫(見圖2，分布4條主要裂縫)，裂縫走向主要以N19°E為主，部分為N20°～30°E。裂縫斷續(xù)分布，單條長度不大于35 m、寬度多大于15 cm,最大寬度為40 cm。2014年12月15日，第三、四級邊坡平臺也出現(xiàn)裂縫。現(xiàn)場裂縫總體上以拉張變形為主，未發(fā)現(xiàn)明顯的剪切滑動或錯落。典型橫斷面見圖2。

圖2 典型橫斷面設(shè)計圖

場區(qū)上覆第四系殘坡積層碎石土，下伏三疊系中統(tǒng)許滿組薄至中厚層狀質(zhì)粉砂質(zhì)泥巖。巖土層從上至下為：

碎石土?；尹S色，碎石成分為粉砂質(zhì)泥巖，一般粒徑40～80 mm，最大達(dá)300 mm，含量55%～65%，其間充填黏土，結(jié)構(gòu)松散、稍濕，厚約2.2 m。

強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖?；尹S色，薄至中厚層狀，地層綜合產(chǎn)狀為248°∠61。節(jié)理裂隙發(fā)育，節(jié)理主要有J1：98°∠70°、J2：195°∠80°、2組，節(jié)理間距120～400 mm，單條節(jié)理裂隙地表延伸長度2～4 m。巖體破碎，巖石軟，巖芯呈塊狀、碎石狀，厚約15 m。

中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖：灰色，薄至中厚層狀，巖體較完整，巖石較軟，巖芯呈柱狀、塊狀。

根據(jù)邊坡變形現(xiàn)象和地質(zhì)條件分析，附近河流環(huán)場區(qū)繞行，在溝谷快速下切的過程中巖體卸荷回彈，導(dǎo)致巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎。巖層陡傾，開挖邊坡與巖層走向近平行，造成反傾邊坡，開挖臨空為邊坡產(chǎn)生傾倒破壞提供了條件。邊坡在施工開挖后經(jīng)歷多次連續(xù)降雨，軟化巖體強(qiáng)度，出現(xiàn)傾倒破壞。

2 計算結(jié)果及治理分析

2.1 計算模型

依據(jù)上述地質(zhì)調(diào)查資料，采用3DEC建立計算模型。根據(jù)工程實(shí)際情況，按照比例1∶1建模，模型總高100 m、寬130 m。為了簡化計算，通過3DEC軟件中Joint單元設(shè)置一組產(chǎn)狀248°∠61°、間距2 m的層面，來模擬實(shí)際邊坡。巖土體參數(shù)見表1，巖體層面參數(shù)見表2。計算采用摩爾-庫侖屈服條件的彈塑性模型。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

表2 巖體層面物理力學(xué)參數(shù)

由于匝道路基設(shè)計線為半徑80 m的曲線，為了較準(zhǔn)確地模擬邊坡的實(shí)際狀況，通過3DEC內(nèi)置的fish語言進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)本工程中邊坡曲線開挖的模型建立[3-5]。三維模型圖見圖3、圖4。

圖3 開挖前后模型圖

圖4 邊坡模型典型斷面圖

對該模型進(jìn)行邊界約束，在前后左右4個邊界通過約束單向的速度來實(shí)現(xiàn)空間半無限體的條件，對下邊界采用3個方向的速度約束條件。通過增加重力并計算穩(wěn)定來實(shí)現(xiàn)重力場的模擬[6]，結(jié)果顯示未開挖前邊坡穩(wěn)定性。之后對模型中“pit excavation”部分進(jìn)行開挖，計算分析開挖后坡體的變形受力狀態(tài)，并與工程實(shí)際進(jìn)行對比分析，驗證邊坡傾倒破壞的穩(wěn)定性理論計算。

計算表明，隨著運(yùn)行時步的增加，坡體上位移幅度逐漸增大，位移最大值由運(yùn)行12 000步時的0.089 m增加到運(yùn)行20 000步時0.517 m，位移矢量云圖見圖5，同時位移最大區(qū)域逐漸突出、集中在A匝道小樁號方向第二級坡面位置，與邊坡實(shí)際情況相符。如不采取工程措施，坡面第二級拉裂傾倒區(qū)域?qū)⑴c后緣沉降區(qū)域貫通，邊坡將進(jìn)入蠕滑變形階段，進(jìn)而產(chǎn)生后續(xù)的滑動破壞，典型剖面位移矢量云圖見圖6。

圖5 位移矢量云圖(單位：m)

圖6 典型剖面位移矢量云圖(單位：m)

圖7為典型剖面xy方向剪應(yīng)力圖。

圖7 典型剖面xy方向剪應(yīng)力圖(單位：Pa)

由圖7可見，最大剪應(yīng)力集中出現(xiàn)在坡腳和第二級平臺區(qū)域，第三級坡面及第四級坡面局部也出現(xiàn)較大剪應(yīng)力。結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查及受力分析，認(rèn)為坡腳位置由于開挖切腳臨空，存在剪切滑出的趨勢，因此屬于剪應(yīng)力較大區(qū)域；第二級平臺以下的巖體在相鄰2個層面之間的巖體剪應(yīng)力存在正負(fù)相伴的現(xiàn)象，根據(jù)受力平衡分析即存在順向的彎矩，在變形上表現(xiàn)為彎曲，與現(xiàn)場調(diào)查的情況相符。

數(shù)值模擬結(jié)果顯示，第二級平臺以下的巖體存在彎曲傾倒現(xiàn)象，與傾倒破壞的懸臂梁式彎曲理論相符，該區(qū)域為邊坡變形失穩(wěn)的關(guān)鍵區(qū)域，若能制止該區(qū)域的變形發(fā)展，將有助于制止傾倒破壞的進(jìn)一步發(fā)展，避免傾倒破壞區(qū)域與坡體后緣沉降區(qū)域貫通，造成邊坡失穩(wěn)破壞[7-10]。

2.2 治理方案及效果

由于第三～第五級邊坡防護(hù)已經(jīng)實(shí)施，且在第二級邊坡發(fā)生傾倒坡壞的情況下沒有發(fā)生破壞，在保證原有防護(hù)的前提下，不具備放緩邊坡的條件。從數(shù)值模擬的結(jié)果來看，坡腳的開挖臨空是傾倒破壞的主要誘發(fā)因素之一，根據(jù)邊坡傾倒拉裂變形機(jī)理，結(jié)合實(shí)際地形條件，采取“以抗滑樁固腳+放緩邊坡及加強(qiáng)邊坡排水”的綜合治理措施。

治理方案示意見圖8。

圖8 典型邊坡治理方案示意(單位：m)

AK2+910-AK2+980第一級邊坡采用2 m×3 m抗滑樁，樁長18 m，懸臂10 m，樁間距6 m，樁間采用掛網(wǎng)噴射混凝土(錨桿長4.5 m)支護(hù)；放緩第二級邊坡坡比為1∶1.2；完善坡面及坡體的排水系統(tǒng)；為避免爆破對邊坡造成擾動，高程429 m以下的邊坡開挖采用非爆破方式。

施工及運(yùn)營期間連續(xù)觀測結(jié)果表明，坡體變形趨于穩(wěn)定，說明邊坡加固治理措施有效、合理，邊坡加固實(shí)際效果見圖9。

圖9 邊坡加固實(shí)際效果圖

3 結(jié)語

在總結(jié)分析已有傾倒破壞穩(wěn)定性評價的基礎(chǔ)上，用采用3DEC模擬驗證傾倒變形破壞的動態(tài)變形過程及應(yīng)力、位移的變化，進(jìn)而對巖質(zhì)邊坡的傾倒破壞進(jìn)行穩(wěn)定性分析，通過實(shí)例研究得到如下結(jié)論。

1) 陡傾的板狀巖體在自重彎矩作用下發(fā)生懸臂梁式彎曲，伴隨互相錯動、拉裂，這種破壞模式在反傾層狀巖質(zhì)邊坡發(fā)生傾倒破壞時較為常見，在整體或局部傾倒破壞時，邊坡將會伴隨出現(xiàn)更多的貫通滑面及變形。

2) 通過3DEC內(nèi)置的fish語言進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)了巖質(zhì)邊坡曲線開挖的模型建立，較準(zhǔn)確地模擬了邊坡的實(shí)際狀況，數(shù)值計算可以較好地模擬實(shí)際的變形破壞。

3) 利用3DEC較直觀地反映了傾倒破壞的變形破壞趨勢，在坡腳開挖后開始出現(xiàn)坡體淺表層位移，隨著變形發(fā)展，坡面第二級拉裂傾倒區(qū)域?qū)⑴c后緣沉降區(qū)域呈貫通趨勢，為進(jìn)一步的治理方案提供支撐。

4) 在對邊坡傾倒破壞進(jìn)行穩(wěn)定性判斷的基礎(chǔ)上，綜合分析地質(zhì)條件和施工條件，采用“以抗滑樁固腳+放緩邊坡及加強(qiáng)邊坡排水”的綜合治理措施，治理效果良好，達(dá)到了設(shè)計要求。