戴敏澤，孫淼軍，胡澤宇

(1.杭州市地鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司，浙江 杭州 310019；2.浙江華東建設(shè)工程有限公司，浙江 杭州 310010；3.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310010；4.新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047)

0 引 言

邊坡失穩(wěn)破壞造成的不良地質(zhì)環(huán)境給人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)非常嚴(yán)重的影響，而且還可能導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境的失穩(wěn)和破壞，引起更大范圍和更加深遠(yuǎn)的影響。節(jié)理巖體的強(qiáng)度和剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于完整巖石，因此對(duì)巖體優(yōu)勢(shì)節(jié)理的重要特性進(jìn)行系統(tǒng)研究十分重要[1- 4]。在工程實(shí)際中，通常用赤平投影法和數(shù)值模擬法分析巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性[5-10]，其中數(shù)值模擬法可以很好地將邊坡的變形響應(yīng)和力學(xué)響應(yīng)特征展現(xiàn)出來(lái)。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)這方面的關(guān)注度也越來(lái)越高，通過(guò)采用數(shù)值模擬并結(jié)合工程實(shí)例的方法進(jìn)行研究。朱繼良[11]采用3DEC軟件對(duì)巖石高邊坡開(kāi)挖過(guò)程中的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了研究。韓萬(wàn)東等[12]采用FLAC3D對(duì)邊坡的穩(wěn)定性及應(yīng)力和位移分布特征進(jìn)行了研究。以上研究成果為邊坡治理提供了理論依據(jù)。但目前大多數(shù)研究都側(cè)重于理論方面的研究，對(duì)工程中遇到的一些實(shí)際問(wèn)題的研究還不夠充分。為此，本文運(yùn)用數(shù)值模擬法并結(jié)合工程實(shí)例，在考慮工程擾動(dòng)的情況下，研究?jī)?yōu)勢(shì)節(jié)理的幾何特征對(duì)巖質(zhì)邊坡變形的影響，可為其他類(lèi)似工程提供參考。

1 項(xiàng)目概況

以西南某巖質(zhì)邊坡為例，坡高42.96 m，未開(kāi)挖前實(shí)際坡長(zhǎng)為91.52 m。前期挖方邊坡采用1∶1坡率進(jìn)行分級(jí)開(kāi)挖，分級(jí)高度為8 m，每2級(jí)開(kāi)挖邊坡之間設(shè)置1道寬為2 m的馬道平臺(tái)。第1級(jí)由設(shè)計(jì)開(kāi)挖點(diǎn)向下開(kāi)挖8 m，然后進(jìn)行邊坡支護(hù)，待支護(hù)完成后再進(jìn)行第2級(jí)開(kāi)挖。該處邊坡的土層共3層。為簡(jiǎn)化計(jì)算，土層被簡(jiǎn)化為厚度均勻的3層，分別為第1層紅黏土、第2層強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r、第3層中風(fēng)化灰?guī)r。其中，第1層厚為4.2 m，第2層厚為5.5 m，以下土層皆為中風(fēng)化灰?guī)r。邊坡現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖1。

圖1 邊坡現(xiàn)場(chǎng)

2 模擬方案

2.1 離散元軟件分析

通用離散元程序(UDEC)是一款利用顯式解題方案為巖土工程提供精確有效分析的工具。顯式解題方案可以為不確定的物理過(guò)程給出較為準(zhǔn)確的解，同時(shí)還能夠模擬巖體的失效過(guò)程。該軟件十分適用于模擬巖體節(jié)理系統(tǒng)和非連續(xù)塊體集合系統(tǒng)在靜力荷載或動(dòng)力荷載條件下的響應(yīng)，是對(duì)巖體節(jié)理進(jìn)行數(shù)值模擬的非常有效的方法。

采用UDEC離散元軟件對(duì)工程中的邊坡進(jìn)行建模，主要從塊體模型和節(jié)理模型2個(gè)方面考慮，塊體模型采用的是M-C模型，節(jié)理模型采用的是庫(kù)侖滑動(dòng)模型(完全彈塑性)。根據(jù)已有工程地質(zhì)資料和施工資料，給出M-C模型的巖土體物理力學(xué)參數(shù)(見(jiàn)表1)以及庫(kù)侖滑動(dòng)模型節(jié)理參數(shù)(見(jiàn)表2)。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

表2 節(jié)理參數(shù)

由于項(xiàng)目區(qū)地表水系不發(fā)育，區(qū)內(nèi)未見(jiàn)河流、塘、堰等地表水體分布，地下水則認(rèn)為已做降水處理，故本次模擬過(guò)程中不考慮地下水的影響，同時(shí)不考慮邊坡周邊的建筑物荷載。選取的邊坡開(kāi)挖深度為16 m，橫向開(kāi)挖寬度為51.78 m。通過(guò)參考其他研究人員的建模經(jīng)驗(yàn)，模型寬度橫向取91.52 m，豎向高度取43 m，使邊坡模型在模擬開(kāi)挖過(guò)程中符合工程實(shí)際[13-14]。邊坡開(kāi)挖前的邊坡二維數(shù)值模型見(jiàn)圖2。

圖2 邊坡二維數(shù)值模型示意

通過(guò)UDEC軟件模擬邊坡的形狀、節(jié)理以及土層的分層情況，土層共有3層，節(jié)理傾角為26°。在模擬過(guò)程中，巖土體只考慮重力影響。模型邊界條件見(jiàn)圖3。在模型的左右兩側(cè)施加橫向約束限制其水平位移，在模型底部施加豎向約束限制其豎向位移。

圖3 模型邊界條件

2.2 位移分析

選取模型中坡頂位置為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并記錄監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎直方向的位移數(shù)據(jù)，得到模型的總位移矢量(見(jiàn)圖4)及測(cè)點(diǎn)處的豎向位移(見(jiàn)圖5)。從圖4可以看出，邊坡模型初始狀況下，邊坡坡頂處于穩(wěn)定狀態(tài)。在工程開(kāi)挖的過(guò)程中，每開(kāi)挖1層就會(huì)導(dǎo)致坡頂?shù)奈灰圃龃?。且模型出現(xiàn)了順層滑移型破壞，在開(kāi)挖完成之后，第1層留下的臺(tái)階也發(fā)生了滑移破壞，這是因?yàn)槟M是在無(wú)支護(hù)的條件下進(jìn)行邊坡開(kāi)挖。從圖5可以看出，坡頂位移的變化是由于開(kāi)挖擾動(dòng)的影響，每次開(kāi)挖擾動(dòng)都會(huì)使位移有一個(gè)顯著的增長(zhǎng)，坡頂處監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎直方向的位移模擬值為1.92 mm。

圖4 邊坡總位移矢量

圖5 測(cè)點(diǎn)處豎直方向的位移

模擬完成后的邊坡位移見(jiàn)圖6。從圖6可以看出，水平方向的位移主要發(fā)生第2開(kāi)挖臺(tái)階的邊角處2.7～10.1 m范圍內(nèi)和坡頂下方6.4 m處的裂縫處距邊界6.02～30.9 m范圍內(nèi)。豎直方向的位移主要集中在坡頂附近15.3 m范圍內(nèi)發(fā)生順層滑移型破壞的部位和第2開(kāi)挖臺(tái)階的邊角處2.7～10.1 m范圍內(nèi)，其他部分位移較小。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是邊坡模型在開(kāi)挖過(guò)程中產(chǎn)生了下部臨空面，而且其優(yōu)勢(shì)節(jié)理傾角角度相對(duì)較大，最終導(dǎo)致邊坡出現(xiàn)滑移破壞。

圖6 模擬完成后的邊坡位移

2.3 應(yīng)力分析

模擬完成后的應(yīng)力云圖見(jiàn)圖7。從圖7可以看出，水平方向應(yīng)力的特點(diǎn)在于應(yīng)力在節(jié)理的兩側(cè)發(fā)生變化，這是因?yàn)楣?jié)理造成的應(yīng)力不連續(xù)性，且在坡頂下方23.1 m處發(fā)生了明顯的調(diào)整，由拉應(yīng)力變成了壓應(yīng)力，深度為43.2 m處為400 kPa，邊坡的坡腳下方20.12 m處的土層受到較大的水平應(yīng)力，為800 kPa。豎直方向應(yīng)力在坡頂下方25.5 m處為500 kPa，再向下21.8 m處為1 000 kPa，基本上是隨著深度的增長(zhǎng)而逐步增長(zhǎng)，符合工程規(guī)律。

圖7 邊坡開(kāi)挖后的應(yīng)力云圖

3 模擬結(jié)果分析

本文在其他參數(shù)不變的條件下，節(jié)理傾角θ分別取15°、30°、60°和90°，提取測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，分析優(yōu)勢(shì)節(jié)理的傾角θ對(duì)邊坡變形響應(yīng)的影響。最終得到在不同節(jié)理傾角模型中測(cè)點(diǎn)處豎向位移(見(jiàn)圖8)和位移數(shù)值擬合曲線(見(jiàn)圖9)。從圖8可以看出，隨著節(jié)理傾角θ的變化，測(cè)點(diǎn)處的豎向位移也發(fā)生了變化。θ=15°時(shí)最大豎向位移為0.8 mm；θ=30°時(shí)最大豎向位移為1.6 mm；θ=60°時(shí)最大豎向位移為0.98 mm；θ=90°時(shí)最大豎向位移為0.25 mm。從圖9可知，隨著節(jié)理傾角與邊坡坡角的比值由小到大，在坡頂固定位置的位移先增大后減小，節(jié)理傾角與邊坡坡角的比值接近0.65時(shí)達(dá)到了峰值。

圖8 不同節(jié)理傾角測(cè)點(diǎn)處邊坡豎直方向的位移

圖9 測(cè)點(diǎn)處豎向位移擬合曲線

從上述結(jié)論可以看出，原邊坡模型節(jié)理傾角與邊坡夾角的比值為0.48處于一個(gè)較為危險(xiǎn)的狀態(tài)，在開(kāi)挖過(guò)程中會(huì)因?yàn)橄虏颗R空面的產(chǎn)生而發(fā)生滑移破壞。建議在開(kāi)挖過(guò)程中采用支擋結(jié)構(gòu)(擋土墻、抗滑樁等)，防止邊坡破壞。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于工程實(shí)例，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，對(duì)優(yōu)勢(shì)節(jié)理控制下的巖質(zhì)邊坡的變形響應(yīng)進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

(1)邊坡模型最終出現(xiàn)順層滑移破壞，坡頂?shù)谋O(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移每次開(kāi)挖時(shí)都會(huì)發(fā)生明顯變化，最終模擬值為1.92 mm。邊坡模型水平方向的位移主要發(fā)生在第2開(kāi)挖臺(tái)階的邊角處2.7～10.1 m范圍內(nèi)和坡頂下方6.4 m處的裂縫處距邊界6.02～30.9 m范圍內(nèi)。豎直方向的位移主要集中在坡頂附近15.3 m范圍內(nèi)發(fā)生順層滑移型破壞的部位和第2開(kāi)挖臺(tái)階的邊角處2.7～10.1 m范圍內(nèi)。

(2)隨著節(jié)理傾角與邊坡坡角的比值由小到大，坡頂固定位置的位移值先增大后減小，節(jié)理傾角與邊坡坡角的比值接近于0.65左右時(shí)邊坡的變形最大。

(3)邊坡在開(kāi)挖過(guò)程中因?yàn)橄虏颗R空面的產(chǎn)生而發(fā)生滑移破壞，建議在開(kāi)挖過(guò)程中采用支擋結(jié)構(gòu)(擋土墻、抗滑樁等)，防止邊坡破壞。