于海濤

（1、廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司 廣州 510500；2、廣東省建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測(cè)總站有限公司 廣州 510500）

0 引言

近年隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，高挖低填使得城市建筑用地內(nèi)出現(xiàn)很多建筑巖質(zhì)邊坡，邊坡穩(wěn)定性研究與治理成為關(guān)注焦點(diǎn)［1］。由于施工簡(jiǎn)便、加固整體性強(qiáng)等特點(diǎn)，格構(gòu)梁聯(lián)合錨桿是邊坡加固的常用方案，加固后邊坡穩(wěn)定性分析一直是研究重點(diǎn)，穩(wěn)定性影響因素主要有水文地質(zhì)條件、地震作用等［2-4］，目前分析方法眾多，主要有定性分析法、及包括極限平衡法和數(shù)值分析法的定量分析法等，選用合理分析方法評(píng)判實(shí)際邊坡穩(wěn)定性極其重要［5-7］。

本文針對(duì)一處實(shí)際邊坡，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)其坡高和坡率，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘探、原位測(cè)試和室內(nèi)試驗(yàn)得到各巖土層分層和物理力學(xué)參數(shù)，采用有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件FLAC 3D［8-9］，基于不同本構(gòu)模型分別計(jì)算邊坡在天然狀態(tài)、降雨作用、地震作用條件下的穩(wěn)定性，分析得到邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)、最大位移量及其潛在滑移位置，本文研究成果可為該邊坡監(jiān)測(cè)和治理設(shè)計(jì)提供依據(jù)，也可為今后類似工程邊坡的穩(wěn)定性分析提供參考借鑒。

1 工程概況

圖1 格構(gòu)梁聯(lián)合錨桿支護(hù)巖質(zhì)邊坡Fig.1 Rock Slope Supported by Lattice Beams and Bolts

2 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 分析斷面選擇

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)該邊坡第一級(jí)邊坡長(zhǎng)約205 m、高約12 m，第二級(jí)邊坡長(zhǎng)約122 m、高約12 m。兩級(jí)邊坡的設(shè)計(jì)坡率均為1∶0.35。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況結(jié)合勘探資料，選擇在勘察報(bào)告中計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)最低的剖面1和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)坡高最高的剖面2 附近各選取了一處典型斷面，現(xiàn)場(chǎng)采用全站儀實(shí)測(cè)其坡高和坡率，根據(jù)實(shí)測(cè)情況進(jìn)行邊坡現(xiàn)狀穩(wěn)定性計(jì)算。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘探揭露，兩個(gè)典型剖面的巖土分層情況分別為：1#剖面自上而下的各巖土層為素填土、強(qiáng)風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化砂巖和中風(fēng)化砂礫巖；2#剖面自上而下的巖土層為素填土、強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化砂礫巖和中風(fēng)化砂巖。

2.2 模型建立

計(jì)算模型除坡面外均外擴(kuò)1/5H（H為坡高），如圖2所示。經(jīng)過(guò)反復(fù)試算對(duì)比模型尺寸對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，發(fā)現(xiàn)1/5H的外擴(kuò)距離可基本消除模型邊界對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。

圖2 模型邊界范圍Fig.2 Model Boundary Range

邊坡各剖面的計(jì)算分析屬于平面應(yīng)變問(wèn)題，采用FLAC 3D 軟件計(jì)算時(shí)，在縱向只劃分一個(gè)單元，施加縱向約束即可模擬平面應(yīng)變問(wèn)題。

在邊坡模型的構(gòu)建中，巖土體采用實(shí)體單元（zone），格構(gòu)梁采用FLAC 3D 內(nèi)置的beam 結(jié)構(gòu)單元，坡頂擋土墻和噴射混凝土面層采用shell結(jié)構(gòu)單元，錨桿采用cable 結(jié)構(gòu)單元。網(wǎng)格根據(jù)巖體分區(qū)劃分為不同的Group，分別對(duì)應(yīng)不同巖性和風(fēng)化程度的巖土層。根據(jù)實(shí)測(cè)坡度、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的支護(hù)結(jié)果情況、勘探獲得的工程地質(zhì)條件和巖土分層情況，建立了兩個(gè)剖面的FLAC3D 數(shù)值模型，如圖3 所示。其中，1#剖面共劃分952 個(gè)單元，包含2 034 個(gè)節(jié)點(diǎn)；2#剖面共劃分1 186個(gè)單元，包含2 522個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖3 1#剖面及2#剖面數(shù)值模型Fig.3 1# Section and 2# Section Numerical Model

2.3 本構(gòu)模型和邊界條件

邊坡2個(gè)剖面在天然狀態(tài)、暴雨條件下的位移計(jì)算和安全系數(shù)求解均采用摩爾庫(kù)倫模型，地震作用下的安全系數(shù)求解采用擬靜力法［10-11］，地震作用下的邊坡位移計(jì)算采用考慮地震歷時(shí)的非線性動(dòng)力分析方法。

靜力計(jì)算將坡面設(shè)置成自由邊界，模型底部為固定邊界條件，模型的側(cè)邊界為法向約束邊界。動(dòng)力計(jì)算在水平方向上采用自由場(chǎng)邊界，在模型底部采用靜態(tài)粘滯邊界，用以消除應(yīng)力波在邊界上的反射效應(yīng)。

看到這么多同學(xué)來(lái)媽媽這里吃早點(diǎn)，顧曉琳頓時(shí)明白了，這就是李蘊(yùn)涵所說(shuō)的“初一(2)班的秘密”，她一時(shí)感動(dòng)得不知說(shuō)什么好，只有誠(chéng)懇地說(shuō)：“俞敏杰，謝謝你！”

2.4 分析工況

⑴地震作用：根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50011—2010》，所在地的抗震設(shè)防烈度為6 度，設(shè)計(jì)基本加速度峰值為0.05g，地震作用下的邊坡動(dòng)力計(jì)算參數(shù)如下：局部阻尼為0.157 1，地震歷時(shí)24.96 s。

地震產(chǎn)生加速度隨地震歷時(shí)變化曲線如圖4所示。

圖4 地震歷時(shí)曲線Fig.4 Earthquake Duration Curve

⑵地下水及降雨：根據(jù)所在地國(guó)家氣象站降水資料，50年一遇最大日設(shè)計(jì)降水為208.3 mm。降雨對(duì)邊坡的影響除了形成水壓力，還將造成巖土體的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生弱化，數(shù)值計(jì)算中考慮降雨作用時(shí)，采用飽和狀態(tài)下的巖土參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

⑶支護(hù)結(jié)構(gòu)：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查檢測(cè)得到的實(shí)際格構(gòu)梁尺寸和鋼筋配置、擋土墻尺寸、噴射混凝土厚度等結(jié)果，結(jié)合錨桿檢測(cè)報(bào)告，按邊坡實(shí)際支護(hù)情況建立邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值模型。其中，1#剖面第一級(jí)共布置4 排錨桿，第二級(jí)布置3 排錨桿，間距2 m；2#剖面兩級(jí)均為5 排錨桿，間距2 m，錨桿、格構(gòu)梁和噴混凝土的數(shù)值模型如圖3所示。

2.5 巖土物理力學(xué)參數(shù)

計(jì)算參數(shù)選取依據(jù)土工試驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合相關(guān)規(guī)范和地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，具體如表1所示。

表1 各巖土層的物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and Mechanical Parameters of Each Stratum

2.6 計(jì)算結(jié)果分析

2.6.1 自重平衡計(jì)算建立邊坡的數(shù)值模型之后，首先進(jìn)行邊坡在自重應(yīng)力下的平衡計(jì)算，得到邊坡的初始應(yīng)力狀態(tài)。

2.6.2 邊坡位移計(jì)算

自重平衡之后，將初始位移清零，保留邊坡的自重應(yīng)力場(chǎng)，計(jì)算邊坡在天然狀態(tài)和暴雨條件下的位移發(fā)展情況。邊坡在天然狀態(tài)下的位移云圖如圖5所示。

圖5 邊坡1#剖面及2#剖面天然條件下位移云圖Fig.5 Displacement Cloud Image of Slope 1# Section and 2# Section under Natural Conditions

現(xiàn)狀條件下，1#剖面天然狀態(tài)下的最大位移發(fā)生在第一級(jí)邊坡中下部，坡腳以上2 m左右位置，最大位移14 mm；2#剖面的最大位移約3 mm，發(fā)生在第二級(jí)邊坡底部，馬道上方。兩處位移計(jì)算數(shù)據(jù)與加固后沒(méi)經(jīng)暴雨過(guò)程的邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合。

邊坡在暴雨條件下的位移計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 邊坡1#剖面及2#剖面暴雨條件下位移云圖Fig.6 Displacement Cloud Image of Slope 1# Section and 2# Section under Heavy Rain Condition

在暴雨作用下，由于邊坡的排水設(shè)施布置不符合設(shè)計(jì)要求而導(dǎo)致排水不暢，邊坡在暴雨飽和狀態(tài)下的位移明顯增大。其中，1#剖面在暴雨條件下的最大位移約24 mm，發(fā)生在第一級(jí)邊坡中下部；2#剖面的最大位移約5 mm，發(fā)生在第二級(jí)邊坡底部接近馬道處。計(jì)算數(shù)據(jù)與暴雨過(guò)后的邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合。

2.6.3 穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算

FLAC 3D 程序內(nèi)置邊坡安全系數(shù)計(jì)算功能，通過(guò)程序特有的fish 語(yǔ)言編制計(jì)算程序，設(shè)置不同狀態(tài)下的本構(gòu)模型、巖土參數(shù)和邊界條件，分別計(jì)算得到邊坡在天然狀態(tài)、暴雨條件及地震作用下的穩(wěn)定性系數(shù)，其匯總結(jié)果如表2所示。

表2 邊坡各狀態(tài)下穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算匯總Tab.2 Summary of Slope Stability Coefficient Calculation under Each State

本邊坡屬于一級(jí)永久邊坡，依據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范：GB 50330—2013》，邊坡在一般工況（天然狀態(tài)、暴雨條件）下的穩(wěn)定安全系數(shù)Fst=1.35，在地震工況下的穩(wěn)定安全系數(shù)Fst=1.15，故邊坡1#剖面的穩(wěn)定性狀態(tài)為“基本穩(wěn)定”；2#剖面在天然狀態(tài)和地震作用下的穩(wěn)定性狀態(tài)為“穩(wěn)定”，在暴雨條件下的穩(wěn)定性狀態(tài)為“基本穩(wěn)定”。綜合兩個(gè)剖面在不同工況下的計(jì)算結(jié)果，邊坡整體的穩(wěn)定狀態(tài)為“基本穩(wěn)定”。

2.6.4 潛在滑移面分析

邊坡安全系數(shù)計(jì)算過(guò)程可得到在極限狀態(tài)條件下的有效剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D，通過(guò)該云圖可分析得到邊坡在極限狀態(tài)下的潛在滑移面，1#剖面潛在滑移面位于坡面位置在第一級(jí)邊坡底部，2#剖面潛在滑移面位于坡面位置在第一級(jí)邊坡頂部，如圖7所示。

圖7 1#剖面及2#剖面極限狀態(tài)下有效剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍DFig.7 Nephogram of Effective Shear Strain Increment in Limit State of 1# Section and 2# Section

3 結(jié)論

本文以廣東某地邊坡為例，詳細(xì)論述基于FLAC 3D的針對(duì)格構(gòu)梁聯(lián)合錨桿加固巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析計(jì)算方法。主要結(jié)論如下：

⑴綜合分析天然作用、暴雨作用和地震作用下的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，邊坡經(jīng)格構(gòu)梁聯(lián)合錨桿加固后達(dá)到基本穩(wěn)定，暴雨與地震作用對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較大。

⑵現(xiàn)狀條件下和暴雨條件下，邊坡最大位移位置基本一致，最大位移發(fā)生在暴雨作用下第一級(jí)邊坡的中下部，位移量約24 mm，與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合。

⑶經(jīng)有效剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D分析，極限狀態(tài)下潛在滑移面位于坡面位置均處于第一級(jí)邊坡范圍，與最大位移發(fā)生位置有所偏移。

以上結(jié)論證明了基于FLAC3D 數(shù)值方法對(duì)格構(gòu)梁聯(lián)合錨桿加固巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算的適用性和準(zhǔn)確性，分析成果可為該邊坡監(jiān)測(cè)和治理設(shè)計(jì)提供依據(jù)，也可為今后類似工程邊坡的穩(wěn)定性分析提供參考借鑒。