阮天宇， 陳志堅(jiān)

(河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院， 南京 211100)

0 引言

傾倒變形是反傾邊坡普遍存在的一種變形破壞方式，變形時(shí)除了結(jié)構(gòu)面發(fā)生錯(cuò)動(dòng)外，邊坡上部巖體向臨空方向的一側(cè)產(chǎn)生明顯的彎曲變形[1]，巖板產(chǎn)生折斷，也稱“點(diǎn)頭哈腰”現(xiàn)象[2]。傾倒變形廣泛存在于公路鐵路、水利水電及露天采礦等工程邊坡中，對(duì)邊坡工程建設(shè)和人們的生產(chǎn)生活造成了嚴(yán)重的危害[3-5]。調(diào)查研究表明，傾倒變形多見于軟硬互層狀巖體[6-8]。但近年來一些邊坡工程實(shí)例表明，當(dāng)巖體中發(fā)育的優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面陡傾時(shí)，巖體被切割成陡立的巖板。當(dāng)邊坡坡面與陡傾結(jié)構(gòu)面近平行時(shí)，坡面上呈陡立分布的巖板在自重、開挖卸荷、地下水動(dòng)靜水壓力、地震等動(dòng)載荷的作用下，容易產(chǎn)生以彎曲、折斷為特征的傾倒變形[9-10]，并可進(jìn)一步沿巖板折斷面發(fā)生滑塌破壞。雖然這種傾倒變形發(fā)育的深度通常不大，但由于硬質(zhì)巖容易形成高陡邊坡，因此將會(huì)產(chǎn)生危害巨大的高位危巖體問題(圖1)。

圖1 傾倒變形產(chǎn)生的高位危巖體Figure 1 Toppling deformation caused raised instable rock mass

本文采用地質(zhì)分析、3DEC數(shù)值模擬與邊坡監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法，分析連云港東疏港高速公路路塹邊坡在開挖過程中的傾倒變形特征與破壞機(jī)理，并結(jié)合不同工況進(jìn)一步分析邊坡加固效果。

1 工程地質(zhì)條件

連云港東疏港高速公路采用明挖方式橫穿中云臺(tái)山，并在高速公路兩側(cè)形成高陡巖質(zhì)邊坡[11]，總體走向?yàn)?2.5°～232.5°。邊坡巖體由巖性單一、性質(zhì)堅(jiān)硬的變粒巖組成，僅在邊坡中部夾有一層厚度小于2m的綠泥石片巖。邊坡巖體主要發(fā)育兩組控制性裂隙：①NE向，產(chǎn)狀為32°/NW、SE∠74°～90°；②NW向，產(chǎn)狀為312°/SW、NE∠83°。當(dāng)與坡面近平行的裂隙傾向坡內(nèi)時(shí)，陡傾巖板向臨空方向彎曲折斷，此時(shí)邊坡的結(jié)構(gòu)類型為陡傾反向坡，“點(diǎn)頭哈腰”型傾倒變形普遍發(fā)育。

天然邊坡的調(diào)查結(jié)果表明，天然邊坡的地形特征及坡度總體上受到陡傾角裂隙控制，邊坡陡峻。邊坡巖體堅(jiān)硬完整，陡傾角裂隙將巖體切割成板狀，綠泥石片巖呈現(xiàn)稀疏的夾層狀分布。由于綠泥石夾層易風(fēng)化，因此夾層上覆的板狀巖體會(huì)失去下部支撐，并在重力作用下發(fā)生彎曲變形，巖板間的裂隙逐漸擴(kuò)張，從而表現(xiàn)為上寬下窄的形態(tài)。另外降雨入滲形成的動(dòng)靜水壓力作用于巖板上，使得傾倒變形進(jìn)一步加劇，直到巖板發(fā)生折斷。當(dāng)外側(cè)巖板發(fā)生傾倒折斷甚至滾落后，內(nèi)側(cè)巖板由于失去約束而相繼產(chǎn)生傾倒變形，從而形成階梯狀折斷面(圖2)。

圖2 邊坡144m平臺(tái)中部的巖板傾倒折斷面Figure 2 Slope 144m platform middle part rock slabtoppled fracture surface

在邊坡開挖條件下，巖體釋放內(nèi)部?jī)?chǔ)存的彈性勢(shì)能，并向臨空方向發(fā)生回彈變形，導(dǎo)致陡傾裂隙張開，雨水入滲增強(qiáng)。軟弱片巖在進(jìn)行坡面清渣時(shí)易被超挖，導(dǎo)致其上覆的巖板約束減弱甚至失去支撐，并且開挖形成的臨空面為邊坡發(fā)生傾倒變形提供了良好的邊界條件，所以卸荷傾倒變形是該路塹邊坡主要的破壞方式。因此這種傾倒變形既可以產(chǎn)生于天然邊坡，也可以產(chǎn)生于人工開挖邊坡。

2 邊坡傾倒變形的離散元模擬與分析

基于離散元法的3DEC模擬軟件能夠定義和處理大量的結(jié)構(gòu)面，并且允許塊體發(fā)生位移、轉(zhuǎn)動(dòng)甚至互相分離。根據(jù)邊坡的工程地質(zhì)特征，采用離散元法來分析連云港東疏港高速公路路塹邊坡的傾倒變形問題是十分合適的。

2.1 計(jì)算模型及邊界條件

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查和勘查報(bào)告建立天然邊坡模型，模型的長(zhǎng)和寬分別為500m和250m，頂部高程為200m，底面高程假定為-50m，并根據(jù)風(fēng)化程度由表及里共分為三層(圖3)。由于該邊坡控制性結(jié)構(gòu)面條數(shù)多、組數(shù)多并且局部節(jié)理裂隙較為發(fā)育，精確建模難度大，因此該模型進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，主要對(duì)陡傾反向結(jié)構(gòu)面和綠泥石片巖夾層兩側(cè)的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行模擬，并適當(dāng)弱化巖體力學(xué)參數(shù)以體現(xiàn)其他結(jié)構(gòu)面對(duì)邊坡巖體的影響，巖體及結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)根據(jù)勘查資料和工程經(jīng)驗(yàn)選取，見表1、表2。通過FISH語(yǔ)言在邊坡模型中創(chuàng)建地下水面，并將地下水面以下的巖土體設(shè)置為飽和密度。模型采用對(duì)水平四個(gè)方向(x方向和y方向)和底面(z方向)的位移約束，數(shù)值計(jì)算采用摩爾—庫(kù)倫(Mohr-Coulomb)屈服條件的彈塑性模型，模型網(wǎng)格采用不同的尺寸劃分不同風(fēng)化層的巖體單元。

圖3 天然邊坡三維網(wǎng)格模型Figure 3 Natural slope 3D mesh model

表1 邊坡巖體力學(xué)參數(shù)

表2 邊坡控制性結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)

2.2 邊坡開挖數(shù)值模擬結(jié)果與分析

該路塹邊坡在實(shí)際施工中分為二十級(jí)臺(tái)階逐級(jí)開挖，因此對(duì)天然邊坡模型進(jìn)行二十級(jí)逐級(jí)開挖模擬，各階段的模擬結(jié)果見圖4。

開挖初期，邊坡開挖的方量小，巖體的卸荷量和回彈變形也較小，并且開挖坡高小于40m，因此硬質(zhì)巖邊坡整體的傾倒變形并不明顯(圖4a)。

隨著邊坡的不斷開挖，巖體的卸荷量逐漸增大，巖體內(nèi)部的彈性勢(shì)能得以釋放，卸荷回彈強(qiáng)烈，同時(shí)隨著坡高逐漸增加，巖體向臨空方向的水平位移不斷增大，其中12級(jí)臺(tái)階處(當(dāng)前開挖階段的邊坡坡腳)巖體的位移最大(圖4b)。

開挖中期，巖體卸荷量和邊坡坡高進(jìn)一步增加，傾倒變形剪切錯(cuò)動(dòng)從邊坡表層開始向深部發(fā)展。巖板沿陡傾結(jié)構(gòu)面互相錯(cuò)動(dòng)和蠕滑變形，并在重力彎矩的作用下向臨空方向彎曲變形，形成“臺(tái)階狀”傾倒變形帶。另外綠泥石片巖夾層性質(zhì)軟弱，隨著邊坡的開挖該軟弱夾層貫通邊坡上部巖體并且具有底滑面的性質(zhì)，在重力的作用下巖板深部沿軟弱夾層發(fā)生滑移，邊坡上部巖體向臨空方向的傾倒變形進(jìn)一步發(fā)展(圖4c)。

開挖后期，傾倒變形剪切錯(cuò)動(dòng)向邊坡深部擴(kuò)展，巖板深部的折斷破裂面將逐漸發(fā)育并與后緣拉裂面貫通，此時(shí)邊坡具有滑坡的特征(圖4d、圖4e)。

圖4 開挖過程中邊坡傾倒變形數(shù)值模擬Figure 4 Slope toppling deformation numerical simulation during excavation process

2.3 不同工況下邊坡的傾倒變形特征

由于該路塹邊坡開挖高度超過200m，開挖方量超過7 000萬m3，邊坡在開挖后將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的回彈變形， 因此該邊坡在實(shí)際開挖過程中采用錨桿進(jìn)行適時(shí)支護(hù)。為了方便數(shù)值模擬，邊坡模型采用全坡面錨桿支護(hù)，每級(jí)臺(tái)階支護(hù)的起點(diǎn)和終點(diǎn)根據(jù)開挖面邊界來確定(圖5)。選取無支護(hù)開挖工況和適時(shí)支護(hù)開挖工況來模擬開挖后邊坡的傾倒變形情況，并分析邊坡加固效果。

圖5 全坡面錨桿支護(hù)示意圖Figure 5 Schematic diagram of entire slope anchor bolt support

在無支護(hù)開挖工況下，邊坡中上部出現(xiàn)“臺(tái)階狀”傾倒變形帶。開挖面附近的巖體Y(臨空)方向位移呈現(xiàn)先增大后減小的分布特征(圖6)。這是由于越靠近坡腳(包括各級(jí)臺(tái)階的坡腳)巖體的完整性越好，風(fēng)化程度越小，開挖時(shí)產(chǎn)生的卸荷回彈量越大，同時(shí)坡腳處約束作用也越強(qiáng)。隨著邊坡開挖，坡體內(nèi)部應(yīng)力調(diào)整，最外側(cè)巖板受到的約束作用減弱，坡腳處巖體在重力和上部巖板的推力作用下產(chǎn)生滑移破壞，傾倒變形始于坡腳(圖7)。

圖6 邊坡Y方向位移云圖Figure 6 Slope Y displacement nephogram

圖7 坡腳傾倒變形示意圖Figure 7 Schematic diagram of slope toe toppling deformation

在適時(shí)支護(hù)開挖工況下，邊坡上部巖體的傾倒變形特征和位移分布規(guī)律與無支護(hù)開挖工況類似，但是邊坡Y(臨空)方向的位移已經(jīng)明顯減小(圖8)。這是由于錨桿加大了陡傾巖板間的錯(cuò)動(dòng)阻力，起到阻止巖板互相滑動(dòng)的作用，從而抑制了傾倒變形的發(fā)展。由于邊坡上部巖體傾倒變形的強(qiáng)度減弱，坡腳處巖體的滑移也減小(圖9)。

圖8 邊坡Y方向位移云圖Figure 8 Slope Y displacement nephogram

圖9 支護(hù)后坡腳傾倒變形示意圖Figure 9 Schematic diagram of slope toe topplingdeformation after support

3 邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

為確保運(yùn)營(yíng)期安全，預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，該路塹邊坡建立了安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中包括邊坡內(nèi)部水平位移監(jiān)測(cè)。起于建設(shè)期，止于2019年10月，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，該路塹邊坡仍存在一定的向高速公路路面的水平位移。其中2018—2019年度邊坡內(nèi)部水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明(圖10，其中A方向?yàn)榕R空方向)，本年度邊坡內(nèi)部向臨空方向的水平位移持續(xù)增長(zhǎng)，水平位移量從邊坡表層向深部逐漸減小，說明該邊坡傾倒變形問題突出，未見收斂趨勢(shì)。坡巖體在臨空方向的水平位移呈現(xiàn)先增大后減小的分布特征，符合數(shù)值模擬的位移分布規(guī)律。

圖10 2018—2019年度邊坡內(nèi)部水平位移觀測(cè)結(jié)果Figure 10 Slope internal horizontal displacement observed results during 2018～2019

4 結(jié)論

1)地質(zhì)分析、3DEC數(shù)值模擬與邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)硬質(zhì)巖邊坡被陡傾結(jié)構(gòu)面切割成陡立的巖板時(shí)，在自重、開挖卸荷作用、地下水壓力等因素影響下，巖板也可以發(fā)生傾倒變形。

2)在人工開挖卸荷條件下，邊坡坡高與卸荷量持續(xù)增加，巖體內(nèi)部彈性勢(shì)能迅速釋放，為邊坡傾倒變形提供了良好的發(fā)育條件。

3)傾倒變形始于坡腳，越靠近坡腳的巖體卸荷量越大，并且越靠近坡腳約束作用越強(qiáng)。

4)錨桿加大了巖板間的錯(cuò)動(dòng)阻力，阻止巖板互相滑動(dòng)，有明顯的加固效果，邊坡傾倒變形的程度減小。

5)目前該邊坡傾倒變形問題突出，邊坡仍存在向臨空方向持續(xù)增長(zhǎng)的水平位移。