白亞妮，胡習(xí)文，毛振凱，袁秋霜，陳興周

(1.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院,西安 710054；2.中國葛洲壩集團(tuán)股份有限公司,武漢 430000；3.中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

深切峽谷中陡峻巖質(zhì)邊坡的開挖，是中大型電站建設(shè)過程中不可避免的工程問題；且?guī)靺^(qū)原生陡傾巖坡多數(shù)具有復(fù)雜的坡體結(jié)構(gòu)及易于伴隨工程活動(dòng)產(chǎn)生卸荷變形的應(yīng)力滲流環(huán)境。工程開挖與庫水蓄泄是誘導(dǎo)開挖邊坡發(fā)生變形甚或產(chǎn)生坍塌失穩(wěn)的主要因素，結(jié)合岸坡結(jié)構(gòu)與場(chǎng)區(qū)環(huán)境研究涉水巖質(zhì)岸坡的變形破壞特征，可為工程設(shè)計(jì)優(yōu)化及風(fēng)險(xiǎn)防范提供參考。陡高岸坡的開挖活動(dòng)是誘導(dǎo)岸坡發(fā)生應(yīng)力釋放與形成開挖卸荷巖體及誘發(fā)卸荷擾動(dòng)區(qū)裂隙網(wǎng)絡(luò)貫通的根本因素。與河流潛蝕過程滋生的岸坡自然卸荷變形相比，工程建設(shè)導(dǎo)致的岸坡開挖卸荷巖體往往具有應(yīng)力釋放迅速、原生結(jié)構(gòu)破壞顯著且變形短時(shí)間突出的顯著特點(diǎn),即開挖卸荷巖體與緊鄰岸坡原巖既存在結(jié)構(gòu)性差異，更存在力學(xué)參數(shù)衰減特征，是岸坡非特殊滑面之外所需支護(hù)的重點(diǎn)對(duì)象，也是防范庫水蓄泄過程產(chǎn)生滲透潛蝕作用的核心區(qū)域。關(guān)注岸坡開挖卸荷巖體的衍生機(jī)理及分析評(píng)價(jià)方法，既是合理評(píng)估開挖卸荷巖體范圍及其穩(wěn)定性研究所要解決的核心問題，也是實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)開挖巖坡變形規(guī)律及服務(wù)工程設(shè)計(jì)的有效途徑。因此，有必要結(jié)合庫岸邊坡結(jié)構(gòu)與賦存環(huán)境及初擬開挖設(shè)計(jì)方案，開展岸坡開挖卸荷巖體分析評(píng)價(jià)方法及其在場(chǎng)區(qū)環(huán)境或工程活動(dòng)干擾下長期力學(xué)特性與變形破壞機(jī)理方面的研究工作。

國內(nèi)學(xué)者哈秋舲[1]于1997年首次提出了“卸荷巖體力學(xué)”概念，在此之前，工程開挖巖體問題的研究多數(shù)基于加載巖體力學(xué)理論，所得結(jié)論與工程實(shí)際觀測(cè)結(jié)果很不一致。此后，諸多學(xué)者基于卸荷巖體力學(xué)理念，開展了多因素復(fù)合作用下巖體開挖卸荷變形機(jī)理及分析方面的研究工作。張永興[2]提出了卸荷巖體力學(xué)分析方法—變剛度迭代法，通過取不同卸荷區(qū)域巖體力學(xué)參數(shù)有效模擬了巖體卸荷非線性特征。李建林等[3]通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了卸荷巖體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及變形參數(shù)隨卸荷階段的變化規(guī)律。周濟(jì)芳等[4]研究得到隨著卸荷量的增大，巖體的宏觀力學(xué)參數(shù)衰減，巖體質(zhì)量不斷劣化的規(guī)律，為卸荷巖體力學(xué)特性的進(jìn)一步深入研究提供了依據(jù)。劉泉聲等[5]通過對(duì)高應(yīng)力條件下花崗巖進(jìn)行卸荷試驗(yàn)，得出卸荷過程中巖石橫向變形劇烈、擴(kuò)容顯著，變形參數(shù)損傷劣化的規(guī)律與初始圍壓相關(guān)等結(jié)論。王興霞等[6]應(yīng)用卸荷巖體理論計(jì)算得到開挖邊坡水平位移值是常規(guī)算法所得位移值的2～4倍，驗(yàn)證了邊坡巖體工程采用卸荷巖體力學(xué)理論更符合工程實(shí)踐情況。柏俊磊等[7]通過三維有限元模擬考慮巖體開挖卸荷作用的影響，對(duì)比分析了邊坡模型的應(yīng)力應(yīng)變過程及塑性區(qū)變化范圍。胡田飛等[8]以偏應(yīng)力增量為主要評(píng)判指標(biāo)，依托數(shù)值分析法確定了邊坡開挖松弛區(qū)范圍。劉爽等[9]基于巖體損傷力學(xué)理論，構(gòu)建了考慮巖體材料非均勻性和損傷特性的邊坡分步開挖卸荷數(shù)值計(jì)算模型，并通過案例分析給出了開挖過程中松弛區(qū)范圍及松弛程度。陳興周等[10]指出依據(jù)邊坡巖體的卸荷量級(jí)對(duì)卸荷擾動(dòng)巖體進(jìn)行分區(qū)，并根據(jù)卸荷巖體分區(qū)結(jié)果提出加固及相應(yīng)的支護(hù)方案。李寧等[11]提出邊坡潛在滑動(dòng)面力學(xué)參數(shù)最小取值準(zhǔn)則，為有效進(jìn)行邊坡初始場(chǎng)巖體力學(xué)參數(shù)的遴選提供了思路。

本文采用室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值仿真研究方法，以對(duì)象邊坡巖體為試樣載體，開展室內(nèi)常規(guī)三軸壓縮及三軸卸荷試驗(yàn)；對(duì)比加載與卸荷過程中試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化規(guī)律，獲取試樣卸荷量級(jí)與彈性模量降低百分比之間的相關(guān)性，為后續(xù)數(shù)值分析中巖體變形參數(shù)的確定提供參考；構(gòu)建邊坡分級(jí)開挖數(shù)值計(jì)算模型，依托地勘報(bào)告和數(shù)值計(jì)算結(jié)果開展初始場(chǎng)參數(shù)細(xì)化及遴選工作，并依據(jù)應(yīng)力卸荷量開展開挖松弛區(qū)域劃分與對(duì)應(yīng)巖體力學(xué)參數(shù)取值及本構(gòu)模型適應(yīng)性對(duì)比；同時(shí)考慮支護(hù)設(shè)計(jì)及庫水影響下巖體變形穩(wěn)定問題，為岸坡開挖卸荷巖體分析評(píng)價(jià)提供參考。

1 室內(nèi)卸荷試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方案

結(jié)合地勘報(bào)告和工程類比手段，并參考GB/T 50266-2013《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)范要求，將砂巖制備成50 mm×100 mm(直徑×高度)的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體巖樣，表面無明顯可見節(jié)理，整體完整性較好。為減小試驗(yàn)結(jié)果的離散性，對(duì)巖樣進(jìn)行了縱波波速測(cè)定，并剔除結(jié)果異常的巖樣，選定巖樣如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)巖樣

采用巖石THMC多場(chǎng)耦合三軸流變測(cè)試系統(tǒng)，針對(duì)試驗(yàn)巖樣分別開展不同圍壓下(8、12、16 MPa)的三軸壓縮及三軸卸荷試驗(yàn)。綜合實(shí)際工程坡體開挖強(qiáng)度及三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果，選取不同圍壓下三軸峰值抗壓強(qiáng)度的70 %作為卸荷試驗(yàn)的軸向應(yīng)力水平；并從邊坡開挖過程巖體應(yīng)力環(huán)境入手，三軸卸荷試驗(yàn)的應(yīng)力路徑最終選定為恒軸壓卸圍壓。

1.2 變形參數(shù)特征分析

依據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，繪制了8、12、16 MPa圍壓下常規(guī)三軸壓縮及三軸卸荷試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2 不同應(yīng)力路徑下應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著初始圍壓的增加，巖樣的峰值抗壓強(qiáng)度逐漸增大，主要因圍壓對(duì)試樣環(huán)向變形約束越大，對(duì)新生微裂隙發(fā)育的抑制作用、對(duì)原有微裂隙擴(kuò)展的束縛作用越明顯，故承載能力有所增強(qiáng)。卸荷試驗(yàn)結(jié)果表明，不同圍壓下卸圍壓過程中試樣環(huán)向應(yīng)變?cè)鲩L迅速；圍壓越高，卸荷過程中環(huán)向變形越大。究其原因在于模擬開挖方式的同等卸荷速率條件下，試樣初期應(yīng)力環(huán)境越高，卸荷過程中應(yīng)力釋放量級(jí)越大，類似于為試樣環(huán)向承受拉剪作用提供了更大荷載，從而導(dǎo)致了試樣環(huán)向微裂隙的迅速滋生、擴(kuò)展、貫通。因此，試樣卸荷破壞主要因環(huán)向擴(kuò)容顯著所致，加載破壞主要因軸向壓縮變形較大所致。

依據(jù)三軸卸荷試驗(yàn)結(jié)果可知，初始圍壓水平一致時(shí)，試樣彈性模量隨卸荷量的增加而減小，且隨著卸荷量級(jí)的增大，彈性模量降低百分比增量急劇增加，主要因圍壓卸載引起試樣強(qiáng)烈的卸荷回彈變形及沿卸荷方向張性擴(kuò)容，進(jìn)而導(dǎo)致力學(xué)性質(zhì)劣化。

不同初始圍壓下卸荷量與試樣彈性模量降低百分比關(guān)系見表1。當(dāng)卸荷量小于40 %時(shí)，彈性模量降低約5 %以內(nèi)；卸荷量在40 %至80 %，彈性模量削減量在5%～14%；大于80 %時(shí)，由于巖樣環(huán)向擴(kuò)容顯著、變形急劇增加，處于結(jié)構(gòu)性破壞狀態(tài)，內(nèi)部裂隙貫通，試樣的力學(xué)性質(zhì)大幅度劣化，彈性模量降低約60 %。

表1 不同初始圍壓下卸荷量與彈性模量降低百分比關(guān)系

結(jié)合表1試驗(yàn)參數(shù)特征，針對(duì)邊坡分步開挖計(jì)算模型，以圍壓卸荷量為60 %和巖樣接近破碎時(shí)所對(duì)應(yīng)的彈性模量削減百分比作為初步參考值，以模擬邊坡分步開挖過程中產(chǎn)生的不同卸荷松弛影響區(qū)域?qū)r體力學(xué)參數(shù)的影響，實(shí)現(xiàn)邊坡開挖過程中變形參數(shù)的遴選匹配。

2 模型構(gòu)建與參數(shù)遴選

2.1 模型構(gòu)建

依據(jù)工程地質(zhì)剖面圖構(gòu)建邊坡分級(jí)開挖模型，模型總高度為150 m，寬度290 m，坡頂至坡腳采用臺(tái)階式放坡開挖，共分5級(jí)開挖。采用生死單元算法模擬邊坡分步開挖，選取四節(jié)點(diǎn)四邊形單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分為12036個(gè)單元、12212個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中坡面網(wǎng)格劃分密集，遠(yuǎn)離坡面的區(qū)域劃分相對(duì)稀疏，并在坡面和坡體間采用過渡單元，以減小計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生的誤差。

模型底部為固端約束，兩側(cè)為水平約束，坡面為自由邊界，允許其發(fā)生變形；整個(gè)計(jì)算過程只考慮坡體自重作用，忽略構(gòu)造應(yīng)力和外部載荷的影響。本構(gòu)模型采用理想彈-塑性模型，屈服準(zhǔn)則選取Mohr-Coulomb準(zhǔn)則和Drucker-Prager準(zhǔn)則對(duì)比分析。

數(shù)值計(jì)算模型及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。為了更加直觀反映隨邊坡分步開挖，卸荷效應(yīng)對(duì)坡體變形的影響，沿坡面從上至下布置4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)依次為1～4號(hào)。主要選取位于第四級(jí)邊坡中部的監(jiān)測(cè)點(diǎn)3號(hào)為例進(jìn)行數(shù)值計(jì)算結(jié)果討論。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

2.2 參數(shù)遴選

巖體力學(xué)參數(shù)的選取極大的影響數(shù)值計(jì)算結(jié)果，也是決定計(jì)算結(jié)果是否符合工程實(shí)踐的關(guān)鍵因素。本文主要依托已構(gòu)建的邊坡初始場(chǎng)模型，以李寧等[11]提出的潛在滑動(dòng)面力學(xué)參數(shù)最小取值原則為思路及地勘報(bào)告所建議的巖體力學(xué)參數(shù)范圍為參考進(jìn)行試算。計(jì)算結(jié)果分析如下。

圖4為初始場(chǎng)應(yīng)力矢量分布圖。由圖4可知，坡面附近最大主應(yīng)力方向與坡表近于平行，最小主應(yīng)力與坡面近于垂直。隨邊坡深度的增加，任一點(diǎn)最大、最小主應(yīng)力增大且方向互相近于垂直，即深處巖體應(yīng)力分布近似處于靜水壓力狀態(tài)。

圖4 初始場(chǎng)應(yīng)力矢量分布

圖5為初始場(chǎng)剪應(yīng)變等值線圖。自然環(huán)境下邊坡坡體表面巖體風(fēng)化剝蝕較為嚴(yán)重，故剪應(yīng)變較大值主要集中在坡面中上部和坡腳位置處，此時(shí)剪應(yīng)變區(qū)域尚未貫通，坡體深處剪應(yīng)變值較??；自然狀態(tài)下經(jīng)過長期的地質(zhì)構(gòu)造作用，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 初始場(chǎng)剪應(yīng)變等值線 單位：%

結(jié)合初始場(chǎng)應(yīng)力應(yīng)變?cè)囁憬Y(jié)果，以地勘報(bào)告巖體參數(shù)范圍為參考，遴選確定出基本吻合對(duì)象邊坡的巖體力學(xué)參數(shù)，如表2所示。

表2 Mohr-Coulumb準(zhǔn)則下試算確定的初始參數(shù)

為探討不同本構(gòu)模型對(duì)開挖卸荷巖體的適用性，采用關(guān)聯(lián)法則推導(dǎo)出與M-C準(zhǔn)則匹配的D-P準(zhǔn)則參數(shù)計(jì)算公式，如下所示：

(1)

(2)

公式(1)～(2)中：k、α為材料常數(shù)；c為黏聚力, MPa；φ為內(nèi)摩擦角,(°)。

依據(jù)表2所得參數(shù)，利用公式(1)和公式(2)，計(jì)算得出Drucker-Prager準(zhǔn)則等效參數(shù)，如表3所示。

表3 Drucker-Prager準(zhǔn)則下的等效參數(shù)

2.3 邊坡開挖卸荷分區(qū)試算

邊坡在長期地質(zhì)構(gòu)造作用下處于穩(wěn)定狀態(tài)，工程開挖擾動(dòng)造成坡體局部巖體應(yīng)力釋放，應(yīng)力發(fā)生重分布，臨近坡表巖體逐漸向臨空面移動(dòng)、發(fā)生變形及破裂，隨著分步開挖的進(jìn)行，其變形破裂程度由開挖面向坡內(nèi)逐級(jí)遞減，巖體的力學(xué)性質(zhì)也由于應(yīng)力釋放量不同而發(fā)生不同程度的劣化[12]。由于邊坡開挖的進(jìn)程導(dǎo)致坡體不同區(qū)域卸荷程度不斷變化，即巖體的卸荷模擬應(yīng)該是一個(gè)不斷調(diào)整的動(dòng)態(tài)過程；因而在數(shù)值分析中，需根據(jù)邊坡開挖卸荷擾動(dòng)程度，對(duì)應(yīng)將坡體不同卸荷區(qū)域取與之對(duì)應(yīng)的巖體力學(xué)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)吻合工程開挖實(shí)際情況。

室內(nèi)三軸卸荷試驗(yàn)結(jié)果表明，試樣彈性模量隨圍壓卸荷量的增加而折減，說明卸荷量與開挖巖體的力學(xué)性質(zhì)有一定聯(lián)系。參考王瑞紅等[13]研究提出的通過比較開挖前后應(yīng)力場(chǎng)變化，將降低比值相同的區(qū)域劃分為巖體同一開挖卸荷帶思想，即利用應(yīng)力卸荷量構(gòu)建考慮巖體開挖卸荷應(yīng)力松弛效應(yīng)的數(shù)值計(jì)算模型。

假設(shè)開挖前邊坡巖體所受應(yīng)力為σa，開挖后的應(yīng)力為σb，則應(yīng)力變化百分比Δσ表示為：

(3)

通過公式(3)可將應(yīng)力變化百分比相同的區(qū)域劃分為同一開挖卸荷帶，根據(jù)應(yīng)力變化值從高到低將邊坡巖體劃分為強(qiáng)卸荷區(qū)、弱卸荷區(qū)和原巖區(qū)。

依據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)所得變形參數(shù)特征，對(duì)應(yīng)取應(yīng)力變化百分比為50 %和10 %作為依據(jù)劃分出強(qiáng)、弱卸荷區(qū)域。針對(duì)強(qiáng)、弱卸荷區(qū)域巖體彈性模量分別降低50 %和10 %，主要依托有限元分析軟件內(nèi)置方法實(shí)現(xiàn)邊坡開挖對(duì)強(qiáng)弱卸荷影響區(qū)內(nèi)材料參數(shù)的動(dòng)態(tài)折減，以模擬邊坡開挖卸荷過程，使其更加吻合工程開挖實(shí)際情況。

3 邊坡開挖卸荷數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 分步開挖進(jìn)程應(yīng)力應(yīng)變分析

(1)位移分析

工程巖體隨開挖卸荷進(jìn)程損傷逐漸累積，近坡面處巖體由于應(yīng)力釋放，不斷滋生微小裂隙，且張開微裂隙不斷形成、擴(kuò)張，直至最后貫通，巖體破碎，承載力下降。圖6為開挖過程卸荷分區(qū)后水平位移凈增量變化圖，由圖可知，水平位移增量較大值主要分布在近坡面中下部，坡腳位移增量最大；主要因巖體的風(fēng)化程度隨埋深的增加而減小，巖層穩(wěn)定性逐漸向好，故遠(yuǎn)離開挖面位移增量較小?？拷旅嬷邢虏课灰频戎稻€連續(xù)，而靠近邊坡開挖第一級(jí)臺(tái)階處，等值線出現(xiàn)明顯變化，主要因巖層交界面處巖體性質(zhì)差異較大導(dǎo)致。

圖6 水平位移凈增量變化 單位：m

室內(nèi)卸荷條件下，巖樣破壞形式通常為形成貫通的剪切破裂帶，此時(shí)，剪應(yīng)變可反映巖體破壞程度。圖7為開挖完成后坡體剪應(yīng)變等值線圖。由于對(duì)巖體力學(xué)參數(shù)按卸荷擾動(dòng)程度的不同進(jìn)行了折減，靠近坡面為強(qiáng)卸荷區(qū)域，故開挖完成后邊坡表面變形影響范圍增大。較初始場(chǎng)剪應(yīng)變分布圖，開挖面附近剪應(yīng)變等值線幾近貫通，且主要在坡頂、坡面中下部分布較為集中，為張拉破壞；坡腳剪應(yīng)變分布最為密集，且數(shù)值較大，為壓剪破壞。

圖7 開挖完成后剪應(yīng)變等值線 單位：%

圖8為監(jiān)測(cè)點(diǎn)3號(hào)隨開挖水平位移凈增量圖，從第2步開始進(jìn)行第一臺(tái)階坡體開挖，水平位移增量隨分級(jí)開挖呈增長趨勢(shì)；12步開始開挖第四級(jí)臺(tái)階，故越靠近開挖面，擾動(dòng)程度越大，位移增量越顯著。綜合分析，工程開挖中采用考慮卸荷松弛效應(yīng)對(duì)巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整的計(jì)算方法，所得結(jié)果對(duì)優(yōu)化工程設(shè)計(jì)和風(fēng)險(xiǎn)防范更具有參考意義。

圖8 監(jiān)測(cè)點(diǎn)3號(hào)隨邊坡開挖水平位移凈增量

(2)應(yīng)力分析

隨邊坡分級(jí)開挖，初始場(chǎng)應(yīng)力受到擾動(dòng)，距開挖面距離不同，應(yīng)力釋放量不同。因只考慮自重應(yīng)力的影響，故上覆巖體的開挖，使第三主應(yīng)力總體呈下降趨勢(shì)。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)3號(hào)第三主應(yīng)力變化趨勢(shì)如圖9所示。開挖級(jí)數(shù)越多，開挖面附近應(yīng)力變化越明顯，卸荷松弛效應(yīng)也更加顯著，第三主應(yīng)力減小；巖體開挖卸荷回彈導(dǎo)致局部坡體開挖面附近產(chǎn)生拉應(yīng)力，即第14步開挖以后，巖體應(yīng)力由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)為拉應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力值為負(fù)。依據(jù)室內(nèi)卸荷試驗(yàn)，可知巖體的承載力下降，脆性特征增加，從側(cè)面反映了邊坡抗滑力隨工程開挖不斷減小，邊坡整體穩(wěn)定性下降

圖9 監(jiān)測(cè)點(diǎn)3號(hào)隨邊坡開挖第三主應(yīng)力變化

3.2 巖體開挖下M-C與D-P準(zhǔn)則結(jié)果分析

Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則能較好地描述巖土材料的強(qiáng)度特性，在巖土工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但計(jì)算時(shí)忽略了中間主應(yīng)力對(duì)破壞面的影響，且其屈服面在π平面上為不等角六邊形，存在尖頂和棱角，數(shù)值計(jì)算存在一定困難。Drucker-Prager準(zhǔn)則屈服面在π平面上為圓形，表述簡(jiǎn)單且數(shù)值計(jì)算效率高[14]。針對(duì)其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，通過對(duì)比邊坡開挖卸荷下選用兩種屈服準(zhǔn)則的計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證摩爾匹配D-P準(zhǔn)則在邊坡開挖工程中的適用性。

圖10為兩種屈服準(zhǔn)則下監(jiān)測(cè)點(diǎn)3號(hào)水平位移凈增量對(duì)比圖。圖10表明，D-P準(zhǔn)則計(jì)算得到的位移增量普遍略大于M-C準(zhǔn)則的計(jì)算結(jié)果，主要由于摩爾匹配D-P準(zhǔn)則屈服面為M-C屈服面的內(nèi)切圓，計(jì)算時(shí)低估了材料的抗屈服能力，因此屈服區(qū)較大，且不存在尖頂處數(shù)值計(jì)算問題，故計(jì)算結(jié)果略大。圖11為兩種屈服準(zhǔn)則下計(jì)算迭代次數(shù)對(duì)比。D-P準(zhǔn)則較M-C準(zhǔn)則總迭代次數(shù)略多，各步迭代次數(shù)分散更加均勻，收斂更快。對(duì)于數(shù)值分析而言，屈服準(zhǔn)則表述越簡(jiǎn)單，計(jì)算越易收斂，計(jì)算時(shí)間越短。結(jié)果表明，選用D-P屈服準(zhǔn)則計(jì)算時(shí)間為26 s，選用M-C準(zhǔn)則計(jì)算時(shí)間為55 s，時(shí)間縮短至一半，但結(jié)果相差不大。綜合分析，說明摩爾匹配D-P準(zhǔn)則具有一定的可信度，在數(shù)值模擬邊坡開挖卸荷分析中，根據(jù)實(shí)際需求可采用D-P屈服準(zhǔn)則，提高計(jì)算效率。

圖10 兩種屈服準(zhǔn)則下監(jiān)測(cè)點(diǎn)3號(hào)水平位移凈增量對(duì)比

圖11 兩種屈服準(zhǔn)則下計(jì)算迭代次數(shù)對(duì)比

4 開挖支護(hù)與蓄水下數(shù)值計(jì)算結(jié)果

結(jié)合邊坡分步開挖劃分的卸荷帶區(qū)域，對(duì)邊坡巖體采用錨桿和錨索聯(lián)合支護(hù)。圖12為開挖支護(hù)前后監(jiān)測(cè)點(diǎn)3號(hào)水平位移凈增量對(duì)比圖，由圖可知，邊坡巖體僅開挖下變形趨勢(shì)最顯著，隨分級(jí)開挖的進(jìn)行變形迅速增大；對(duì)邊坡巖體邊開挖邊進(jìn)行支護(hù)，因加固措施改變了邊坡開挖應(yīng)力場(chǎng)，減小了其卸荷量，故水平位移凈增量有所減小。

圖12 支護(hù)前后監(jiān)測(cè)點(diǎn)3號(hào)水平位移凈增量對(duì)比

水庫蓄水后，庫岸邊坡受力狀態(tài)發(fā)生改變，隨著蓄水高度的增加，邊坡巖體在水的軟化作用下，礦物聯(lián)結(jié)力降低，導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度下降，變形增加。

圖13為監(jiān)測(cè)點(diǎn)3號(hào)在蓄水前后水平位移凈增量變化圖，隨水庫水位的增加，邊坡變形增大，尤其在邊坡巖體開挖完成后至水庫開始蓄水至正常水位時(shí)位移凈增量幅度最大，可見蓄水對(duì)邊坡變形影響顯著。因此，對(duì)于水電站庫岸邊坡考慮水庫蓄水影響下邊坡的變形特征，具有實(shí)踐意義。

圖13 蓄水工況下監(jiān)測(cè)點(diǎn)3號(hào)水平位移凈增量變化

5 結(jié) 論

本文以庫岸工程地質(zhì)剖面及開挖邊坡卸荷巖體為對(duì)象，結(jié)合室內(nèi)卸荷試驗(yàn)參數(shù)特征分析，構(gòu)建了考慮卸荷效應(yīng)的邊坡分級(jí)開挖數(shù)值計(jì)算模型，分析了開挖卸荷對(duì)坡體變形的影響及庫水作用下邊坡的變形特征，并研究了M-C與D-P準(zhǔn)則在卸荷巖體分析中的適用性，形成結(jié)論如下：

(1)開展室內(nèi)試驗(yàn)，界定了不同卸荷量級(jí)下變形參數(shù)取值范圍，隨圍壓的降低，彈性模量發(fā)生不同程度的削減。卸荷作用誘導(dǎo)巖樣沿卸荷方向發(fā)生卸荷回彈變形、裂隙張性擴(kuò)容以及產(chǎn)生一定量的拉剪裂隙，使變形參數(shù)呈現(xiàn)出非線性劣化特征。

(2)邊坡開挖巖體隨應(yīng)力釋放和應(yīng)力重分布，卸荷損傷逐漸累積，其中不同卸荷范圍影響區(qū)內(nèi)的巖體力學(xué)參數(shù)發(fā)生不同程度的弱化。根據(jù)開挖前后邊坡應(yīng)力場(chǎng)變化特征劃分卸荷帶，且卸荷分帶區(qū)域可為邊坡支護(hù)范圍及變形預(yù)測(cè)提供參考。

(3)開挖巖體變形顯著，近坡面最大剪應(yīng)變區(qū)域逐漸貫通。隨開挖邊坡的進(jìn)行，坡面最小主應(yīng)力釋放誘導(dǎo)坡面巖體結(jié)構(gòu)松弛，局部產(chǎn)生拉應(yīng)力，但坡腳主要為壓應(yīng)力集中帶。

(4)采用摩爾匹配D-P準(zhǔn)則和M-C準(zhǔn)則分析計(jì)算結(jié)果相差不大，說明該準(zhǔn)則具有一定的可信度，并且計(jì)算時(shí)間較短，迭代次數(shù)多，計(jì)算效率更高。考慮邊坡支護(hù)與蓄水下邊坡變形計(jì)算成果，對(duì)于邊坡巖體變形預(yù)測(cè)具有重要的實(shí)踐意義。