尹威江 賴國(guó)泉

基金項(xiàng)目：中國(guó)中鐵股份有限公司科技研究開發(fā)計(jì)劃（2022-重大專項(xiàng)-07）；甘肅省技術(shù)創(chuàng)新引導(dǎo)計(jì)劃-企業(yè)研發(fā)機(jī)構(gòu)能力建設(shè)專項(xiàng)資助（23CXJA0011）

第一作者簡(jiǎn)介：尹威江（1982-），男，工程師。研究方向?yàn)閹r土工程。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.13.021

摘? 要：以西南山區(qū)某高速公路高陡崖邊坡對(duì)坡腳擬建橋梁影響分析為例，采用工程地質(zhì)調(diào)查分析結(jié)合有限元強(qiáng)度折減法分析可知，該陡崖邊坡整體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，變形模式為錯(cuò)落式滑坡變形。采取有限元-離散元耦合分析技術(shù)動(dòng)態(tài)模擬研究邊坡失穩(wěn)對(duì)橋梁安全的影響。由模擬分析結(jié)果可知，陡崖邊坡產(chǎn)生錯(cuò)落變形后，錯(cuò)落巖體最終與橋梁墩臺(tái)底部發(fā)生撞擊，橋墩從根部斷裂，橋梁整體倒塌?；诜治鼋Y(jié)果，提出預(yù)應(yīng)力錨索加固陡崖邊坡、坡腳設(shè)置攔截?fù)鯄?、邊坡失穩(wěn)范圍內(nèi)避免設(shè)置橋墩3種方案應(yīng)對(duì)高陡邊坡對(duì)擬建橋梁的破壞性影響。

關(guān)鍵詞：巖土工程；高陡危巖體；有限元強(qiáng)度折減法；錯(cuò)落式變形；橋梁安全

中圖分類號(hào)：U45 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）13-0086-05

Abstract： Taking the analysis of the influence of the high and steep cliff slope of an expressway in the southwest mountain area on the proposed bridge at the foot of the slope as an example， the engineering geological investigation and analysis based on the finite element strength reduction method shows that the whole cliff slope is in an unstable state. The deformation mode is staggered landslide deformation. The finite element-discrete element coupling analysis technique is used to dynamically simulate the influence of slope instability on bridge safety. The simulation results show that after the staggered deformation of the steep slope， the staggered rock mass finally collides with the bottom of the bridge pier and abutment， the pier breaks from the root and the bridge collapses as a whole. Based on the analysis results， this paper puts forward three schemes to deal with the destructive influence of the high and steep slope on the proposed bridge， strengthening the steep slope with prestressed anchor cable， setting the retaining wall at the foot of the slope and avoiding the pier in the range of slope instability.

Keywords： geotechnical engineering; high and steep dangerous rock mass; finite element strength reduction method; staggered deformation; bridge safety

高陡巖質(zhì)危巖變形是西南山區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)經(jīng)常面臨的重大工程地質(zhì)問題之一[1-4]。特別是高陡崖體邊坡下方為橋梁、路基等構(gòu)筑物時(shí)，更要構(gòu)建高陡崖體的變形破壞模式。

國(guó)內(nèi)大量學(xué)者對(duì)高陡危巖邊坡變形破壞模式、變形機(jī)制及防治措施進(jìn)行了大量研究。陳洪凱等[5-7]結(jié)合三峽庫區(qū)大量崩塌地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)崩塌分類、破壞模式及防治措施進(jìn)行了詳細(xì)研究。趙志南等[8]通過斷裂力學(xué)分析，提出了在我國(guó)西南山區(qū)柱狀危巖體壓裂潰屈型破壞機(jī)制及分析穩(wěn)定性的方法。魏正發(fā)等[9]通過工程地質(zhì)調(diào)查及分析，深入剖析了西寧北山崩塌成因、形成機(jī)理及變形破壞模式，提出了防治措施建議。李彩華[10]通過建立三維模型，分析得出了受落石沖擊作用下橋梁的動(dòng)力特性。

本文以貴州山區(qū)某高速公路高陡崖邊坡破壞后下方擬建橋梁是否安全分析為例，首先采用有限元強(qiáng)度折減法結(jié)合工程地質(zhì)調(diào)查分析了該高陡崖體的破壞模式，基于此破壞模式，結(jié)合有限元-離散元耦合分析技術(shù)研究高陡崖體邊坡失穩(wěn)對(duì)橋梁安全性的影響，并提出治理建議。

1? 工程地質(zhì)環(huán)境條件

1.1? 地形、地貌

研究區(qū)受溶蝕、侵蝕作用影響，地形起伏大，相對(duì)高差約300 m。在大橋的右側(cè)，計(jì)劃建造一座高達(dá)約190 m的灰?guī)r高陡邊坡。該巖體中的節(jié)理（裂隙）較為發(fā)達(dá)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，受強(qiáng)烈的降雨影響，該區(qū)域發(fā)生了一定規(guī)模的崩塌。陡壁頂部的邊坡覆蓋著茂盛的植被，并且相對(duì)平緩。具體如圖1所示。

圖1? 擬建大橋側(cè)高陡邊坡

1.2? 地層巖性

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查顯示，研究區(qū)的地層從上往下依次為覆蓋層、殘坡積層（Qel+dl）以及粉質(zhì)黏土?；鶐r位于這些地層之下，是二疊系下統(tǒng)的棲霞組和茅口組（P1q+m），主要由灰色和深灰色的灰?guī)r以及泥灰?guī)r構(gòu)成。具體地層巖性特征見表1。

1.3? 地質(zhì)構(gòu)造

本次研究的地區(qū)位于黃平復(fù)式向斜東側(cè)，地質(zhì)構(gòu)造總體上較弱，與此同時(shí)受到北東向構(gòu)造的迭加影響，地層具有單斜產(chǎn)出的特征，總體構(gòu)造主要為南北向和東西向，綜合產(chǎn)狀為350°∠8°。在該區(qū)域內(nèi)，節(jié)理裂隙主要發(fā)育在近東西向和近南北向方向上。

現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查研究表明，高陡灰?guī)r巖體中節(jié)理比較發(fā)育。

1.4? 水文地質(zhì)

該研究區(qū)的年平均降水量為1 243 mm，其中83%的降雨量集中在4—10月。該區(qū)域的氣候特點(diǎn)是降雨分布不均，且暴雨頻發(fā)。日最大降雨量達(dá)到了189.9 mm。

在該研究區(qū)，主要有2種地下水：強(qiáng)風(fēng)化層基巖裂隙水和碳酸巖巖溶裂隙水。這2種地下水中，碳酸巖巖溶裂隙水的含水量通常更高。此外，這些地下水主要形成于大氣降水的垂直補(bǔ)給過程中。也就是說，在降雨時(shí)一部分水會(huì)滲透到地下，最終造成這些地下水資源在大氣降雨時(shí)，部分水分會(huì)沿著巖層和節(jié)理面向下滲透并進(jìn)行補(bǔ)給。場(chǎng)區(qū)灰?guī)r節(jié)理發(fā)育，局部有溶蝕裂隙、溶洞分布，透水性好，為地下水貯藏、運(yùn)動(dòng)提供較好的空間，為場(chǎng)區(qū)主要含水巖層。

2? 危巖體穩(wěn)定性及變形模式分析

2.1? 穩(wěn)定性定性分析

這個(gè)坡面高約190 m，由巨厚層灰?guī)r夾雜著薄層泥灰?guī)r構(gòu)成。東側(cè)和北側(cè)幾乎垂直向下，形成一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的陡崖高邊坡。受自身重力和煤礦采空區(qū)的影響，巖體中的節(jié)理裂隙得以進(jìn)一步發(fā)育，底部巖體已經(jīng)開始出現(xiàn)開裂變形的狀況。與此同時(shí)，該區(qū)域內(nèi)處于長(zhǎng)期卸荷狀態(tài)，在頂部具有逐步擴(kuò)張并相互貫通的節(jié)理裂隙，假設(shè)這種情況存在較久，極有可能會(huì)出現(xiàn)新的巖體傾倒和崩塌破壞的現(xiàn)象，根據(jù)地質(zhì)調(diào)查報(bào)告，目前整個(gè)施工區(qū)域坡體存在較大危險(xiǎn)，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，而這將對(duì)擬建大橋的施工和運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生較大的威脅。

為了評(píng)估這個(gè)陡崖高邊坡的穩(wěn)定性，我們選取了一個(gè)典型的斷面，并結(jié)合工程地質(zhì)條件和計(jì)算目的建立了一個(gè)數(shù)值計(jì)算模型（圖2）。該計(jì)算模型考慮到了巖體結(jié)構(gòu)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的控制作用，將坡體材料分為巖塊和節(jié)理兩部分。表2中詳細(xì)列出了各項(xiàng)材料的物理力學(xué)參數(shù)。通過考慮重力作用，我們對(duì)坡體進(jìn)行了應(yīng)力場(chǎng)分布計(jì)算，以此為依據(jù)，對(duì)邊坡有可能出現(xiàn)拉裂裂縫的區(qū)域進(jìn)行分析，同時(shí)分析其穩(wěn)定性。

根據(jù)圖3和圖4所示的自重荷載作用下的邊坡計(jì)算結(jié)果，我們可以發(fā)現(xiàn)最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力云圖基本上與自然坡面平行，并且在2組結(jié)構(gòu)面的共同影響下，局部出現(xiàn)了鋸齒狀分布現(xiàn)象。整體而言，應(yīng)力分布與斜坡的應(yīng)力分布規(guī)律較為契合，同時(shí)可發(fā)現(xiàn)圖中出現(xiàn)明顯的高山峽谷應(yīng)力分布特征。

換言之，該現(xiàn)象將導(dǎo)致在坡腳河谷位置會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時(shí)陡坡坡面則會(huì)存在受拉區(qū)。在自重作用下，邊坡底部將會(huì)首先出現(xiàn)剪切破壞并引發(fā)錯(cuò)落式滑坡，或者高位的陡崖會(huì)出現(xiàn)崩塌落石等地質(zhì)災(zāi)害。圖5是天然狀態(tài)下的巖體的屈服區(qū)分布圖（節(jié)理屈服為實(shí)線，巖塊受拉屈服為圓圈，巖塊剪切屈服為叉）。從圖中可以知道，坡體在自重應(yīng)力作用下，坡腳位置出現(xiàn)了剪切屈服現(xiàn)象，然而坡頂則出現(xiàn)受拉屈服區(qū)。不過從整體看來，屈服區(qū)主要存在于坡體內(nèi)部，并未形成貫通面從坡腳延伸至坡頂，這與當(dāng)前坡體的穩(wěn)定狀態(tài)相符，即自然工況下，整個(gè)坡體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2? 有限元計(jì)算模型

圖4? 最小主應(yīng)力云圖

2.2? 破壞模式分析

我們采用強(qiáng)度折減法來確定邊坡體在各種自然荷載作用下的失穩(wěn)破壞模式。該方法是通過不斷折減邊坡巖體材料的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，直至坡體達(dá)到極限平衡狀態(tài)的過程。這樣，我們可以確定邊坡體在自然營(yíng)力的不同作用下所呈現(xiàn)出的失穩(wěn)破壞模式。

我們使用強(qiáng)度折減法將邊坡計(jì)算至極限平衡狀態(tài)，圖6為分析計(jì)算結(jié)果圖，從中可知，錯(cuò)落式破壞為該陡崖邊坡在發(fā)生破壞時(shí)產(chǎn)生的主要破壞模式。持續(xù)施加上部自重荷載，伴隨著的是巖土體參數(shù)的持續(xù)降低弱化，剪應(yīng)力在邊坡底部持續(xù)出現(xiàn)集中現(xiàn)象，最終在達(dá)到極限抗剪強(qiáng)度后產(chǎn)生破壞，剪切塑性變形首先從邊坡底部出現(xiàn)，于此同時(shí)巖體開始從距離坡腳約10 m的位置向外裂開并剪切破壞，形成了貫通的破壞面（圖7）?；潞缶壍睦衙娣浅６盖停▋A角為83°），因此滑體主要向下發(fā)生錯(cuò)落變形，導(dǎo)致了錯(cuò)落式滑坡的形成。

圖5? 巖體屈服區(qū)分布圖

圖6? 強(qiáng)度折減至極限平衡時(shí)坡體變形圖

3? 陡崖體失穩(wěn)對(duì)橋梁安全分析

由前述分析可知，陡崖高邊坡自重荷載作用下，整體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，破壞模式為整體錯(cuò)落式變形。擬建橋梁距陡崖體最小凈距為40 m，陡崖高邊坡一旦變形，是否會(huì)危及擬建橋梁安全，非常有必要進(jìn)行詳細(xì)分析。

根據(jù)陡崖高邊坡可能的破壞范圍，結(jié)合橋梁幾何位置及工程地質(zhì)條件，建立數(shù)值計(jì)算模型，如圖8所示。根據(jù)破壞模式，將坡體材料分為滑體、滑帶和滑床，滑體和滑帶視為彈塑性損傷材料，服從Druker-Prager屈服準(zhǔn)則，滑床視為線彈性材料，橋梁混凝土結(jié)構(gòu)視為損傷彈塑性材料，均采用實(shí)體單元模擬。具體材料物理力學(xué)參數(shù)見表3。

圖7? 極限平衡時(shí)屈服區(qū)分布圖

（a）? 幾何模型? ? ? ? ? ? ? ? （b）? 網(wǎng)格劃分

圖8? 有限元模型

表3? 材料物理力學(xué)參數(shù)

采用有限元-離散元耦合分析技術(shù)研究邊坡失穩(wěn)對(duì)橋梁安全性的影響。不同時(shí)刻邊坡及鄰近橋梁的變形圖如圖9所示。

從圖9中可直觀地觀察到邊坡發(fā)生破壞的整個(gè)過程，首先邊坡從局部破裂，隨著滑坡的持續(xù)發(fā)育，直至坡體失穩(wěn)形成滑坡，滑坡體錯(cuò)落并產(chǎn)生解體崩塌，以高速掉落并滑進(jìn)河谷地區(qū)，因此橋梁受到?jīng)_擊作用而產(chǎn)生垮塌。通過對(duì)圖9的分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，陡崖高邊坡首先自底部開始發(fā)生剪切破壞，破壞面沿著豎向節(jié)理向上擴(kuò)展直至坡頂，導(dǎo)致整個(gè)邊坡出現(xiàn)錯(cuò)落式滑坡?；w整體向下墜落，但受拉應(yīng)力的影響導(dǎo)致滑坡解體，并沿著滑道滑動(dòng)，最終滑入河谷中。由于滑坡體積相對(duì)較大，在滑坡過程中速度較快，雖然河床與滑體之間存在一定的摩擦作用，但由于滑坡體重量大且存在滾動(dòng)的現(xiàn)象，因此前述的摩擦力并不能阻止滑體滑動(dòng)，因此，錯(cuò)落巖體將會(huì)繼續(xù)向前滑動(dòng)，離橋梁越來越近。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際可知，擬建橋梁與陡崖邊坡的水平凈距只有40 m，錯(cuò)落體很容易將會(huì)到達(dá)橋梁位置，從而對(duì)橋梁產(chǎn)生沖擊作用，最終與橋梁墩臺(tái)底部發(fā)生撞擊，橋墩從根部斷裂，橋梁整體倒塌。

（a）? t=0.7 s

（b）? t=1.4 s

（c）? t=3.15 s

（d）? t=4.2s

（e）? t=5.25 s

（f）? t=6.65 s

圖9? 邊坡失穩(wěn)及對(duì)橋梁影響全過程變形圖

通過以上分析可知，陡崖高邊坡容易在自重應(yīng)力作用下產(chǎn)生破壞，繼而出現(xiàn)失穩(wěn)，出現(xiàn)滑塌體，嚴(yán)重威脅鄰近橋梁安全。為避免邊坡滑塌災(zāi)害對(duì)橋梁造成破壞，建議采取以下3個(gè)方案進(jìn)行治理。一是主動(dòng)加固陡崖高邊坡，即對(duì)陡崖邊坡進(jìn)行錨固，比如采取預(yù)應(yīng)力錨索加固等，確保邊坡穩(wěn)定；二是被動(dòng)攔截，即在陡崖坡腳處設(shè)置攔截?fù)鯄Γ謸趸禄蚪档突禄瑒?dòng)速度；三是在邊坡失穩(wěn)影響范圍內(nèi)避免設(shè)置橋墩。

4? 結(jié)論

1）采取工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)合有限元強(qiáng)度折減法分析可知，自重荷載作用下，該陡崖邊坡整體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，變形模式為錯(cuò)落式滑坡變形。

2）采取有限元-離散元耦合分析技術(shù)研究邊坡失穩(wěn)對(duì)橋梁安全性的影響。由分析結(jié)果可知，陡崖邊坡產(chǎn)生錯(cuò)落變形后，錯(cuò)落巖體最終與橋梁墩臺(tái)底部發(fā)生撞擊，橋墩從根部斷裂，橋梁整體倒塌。

3）提出預(yù)應(yīng)力錨索加固陡崖邊坡、坡腳設(shè)置攔截?fù)鯄?、邊坡失穩(wěn)范圍內(nèi)避免設(shè)置橋墩3種方案應(yīng)對(duì)高陡邊坡對(duì)擬建橋梁安全的影響。

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