黃土隧道邊坡穩(wěn)定性研究

劉謙彬， 張志強(qiáng)

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031)

黃土地層中隧道洞口會擾動隧道邊坡，因此研究隧道開挖后邊坡的位移、應(yīng)力變化對邊坡穩(wěn)定性研究具有重大災(zāi)害預(yù)防意義[1]，也對邊坡加固有著指導(dǎo)性作用[2-4]。

謝定義[5]對黃土結(jié)構(gòu)性和定量化評定進(jìn)行了分析。通過對工程土進(jìn)行試驗(yàn)研究，揭示黃土顆粒聯(lián)結(jié)的結(jié)構(gòu)特性，為黃土隧道的支護(hù)設(shè)計(jì)提供相關(guān)理論基礎(chǔ)。劉偉等[6]對黃土工程特性進(jìn)行了分析研究。柴華友等[7]通過試驗(yàn)研究，得出黃土在不排水時受到荷載作用易發(fā)生結(jié)構(gòu)軟化，產(chǎn)生液化現(xiàn)象。張培文等[8]研究了彈模和泊松比對邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響，給出了折減方法。邵珠山等[9]通過數(shù)值模擬分析了坡角、降水條件對邊坡穩(wěn)定性影響規(guī)律。王軍等[10]利用有限差分軟件和優(yōu)化的流變模型對邊坡聯(lián)合穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。

隧道開挖時及隧道開挖后邊坡的位移、塑性區(qū)分布特點(diǎn)還不夠清晰。本文將基于以上研究，以黃土隧道為例，研究隧道洞口施工過程中邊坡的穩(wěn)定性。

1 工程概況

某黃土隧道預(yù)穿越山體為黃土塬邊緣的黃土梁，其山頂標(biāo)高為1 370.0 m，山底標(biāo)高1 160.0 m，最大高差210.0 m。在山體北坡坡角及南坡坡角以及隧道入口附近均有黃土沖溝發(fā)育，總體由東北向西南方向發(fā)展。隧道入口坡體高30.0 m，坡角約35°，坡體成階梯狀，為人工開挖梯田，寬度6.0～10.0 m，高度4.0～8.0 m。隧道出口坡體高10.0 m，坡角約25°。圖1、圖2為隧道出、入口坡體形態(tài)。

圖2 隧道出口

2 基于極限平衡法的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算

2.1 模型建立及參數(shù)選取

本文利用Geo-Slope軟件中的Slope/W計(jì)算模塊，基于極限平衡法計(jì)算邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)并確定滑動面。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)資料和勘察報(bào)告，結(jié)合黃土室內(nèi)物理試驗(yàn)測試結(jié)果，有限元計(jì)算的參數(shù)取值見表1。

表1 計(jì)算參數(shù)取值

有限元計(jì)算模型見圖3，按平面應(yīng)變問題考慮，對自然狀態(tài)下黃土邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，其中上層為Q3粉質(zhì)黏土，下層為Q2粉質(zhì)黏土。

圖3 某黃土隧道入口邊坡計(jì)算分析模型

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

過去很少考慮含垂直節(jié)理的黃土邊坡的數(shù)值計(jì)算，本文運(yùn)用Geo-Slope數(shù)值模擬軟件中的Crack單元在Q3黃土中建立垂直節(jié)理，暴雨工況是在天然工況所得到的潛在畫面基礎(chǔ)上，依據(jù)飽和Q2、Q3黃土室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)所得到的參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)極限平衡法求得暴雨工況參數(shù)。最后將計(jì)算結(jié)果與無垂直節(jié)理工況進(jìn)行對比，數(shù)值計(jì)算結(jié)果見圖4～圖7。

圖4 天然-垂直節(jié)理邊坡穩(wěn)定性

圖5 天然-無垂直節(jié)理邊坡穩(wěn)定性

圖6 暴雨-垂直節(jié)理邊坡穩(wěn)定性

圖7 暴雨-無垂直節(jié)理邊坡穩(wěn)定性

2.2.1 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

(1) 隧道邊坡在天然-垂直節(jié)理下，穩(wěn)定性系數(shù)為1.092，為較穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)隧道邊坡在天然-無垂直節(jié)理下，穩(wěn)定性系數(shù)為1.262，為較穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)隧道邊坡在暴雨-垂直節(jié)理下，穩(wěn)定性系數(shù)為0.675，邊坡失穩(wěn)破壞。

(4)隧道邊坡在暴雨-無垂直節(jié)理下，穩(wěn)定性系數(shù)為0.892，邊坡失穩(wěn)破壞。

2.2.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果解讀

(1)天然工況下，隧道邊坡是否存在垂直節(jié)理對邊坡穩(wěn)定性影響較小，因?yàn)樗淼拦こ虆^(qū)分布的垂直節(jié)理雖分布較密集，但結(jié)合較緊密，且黃土具有很好的直立性，故天然工況下邊坡垂直節(jié)理對邊坡穩(wěn)定性無較大影響。但在暴雨工況下，有無垂直節(jié)理情況下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)差別巨大。在暴雨工況下，垂直節(jié)理為雨水的入滲提供了通道，由于Q2黃土滲透系數(shù)較小，雨水入滲以后，在Q2與Q3黃土地層分界面集聚，導(dǎo)致地層分界面處抗剪強(qiáng)度急劇降低，而垂直節(jié)理又為坡體的滑動提供了后緣拉裂面，從而導(dǎo)致了邊坡整體失穩(wěn)破壞。

(2)自然降雨及黃土邊坡是否分布垂直節(jié)理是影響隧道口邊坡穩(wěn)定性的主要因素。垂直節(jié)理降低了土體間的粘結(jié)，為邊坡的滑動破壞提供了后緣拉裂面以及為降雨的入滲提供了通道，降低了土體的粘聚力及內(nèi)摩擦角，導(dǎo)致了邊坡的滑動破壞。

3 基于動態(tài)強(qiáng)度折減法的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算

3.1 計(jì)算理論概述

本文提出了動態(tài)強(qiáng)度折減法研究邊坡從穩(wěn)定狀態(tài)到局部破壞再到整體失穩(wěn)的整個過程，計(jì)算過程見圖8。

圖8 動態(tài)強(qiáng)度折減計(jì)算過程

本文強(qiáng)度準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，并且利用屈服接近度YAI確定動態(tài)強(qiáng)度折減計(jì)算過程中的屈服區(qū)域。其中YAI的取值0～1，當(dāng)YAI=0時，土體發(fā)生屈服；當(dāng)YAI=1時，土體處于最穩(wěn)定狀態(tài)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，巖土體在加載過程中發(fā)生屈服的應(yīng)力值約為峰值強(qiáng)度的80%，故本文中取80%的安全閾值確定折減計(jì)算中的屈服范圍，即YAI<0.2的區(qū)域視為發(fā)生屈服。

3.2 ABAQUS建模及參數(shù)選取

根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)資料和勘察報(bào)告，并結(jié)合黃土物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，有限元計(jì)算所用到的參數(shù)取值如表2所示。

表2 有限元計(jì)算參數(shù)

計(jì)算模型網(wǎng)格圖見圖9，同樣按平面應(yīng)變問題考慮，對自然狀態(tài)下黃土邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。模型共分3層，上層為Q3黃土，中層為Q2黃土，下層為基巖，模型總高和寬為140 m和370 m。

圖9 隧道進(jìn)口邊坡有限元計(jì)算模型

3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

對于天然狀態(tài)下的邊坡，僅施加重力荷載。本次分析計(jì)算設(shè)置2種工況。

3.3.1 天然工況

經(jīng)過15步動態(tài)強(qiáng)度折減，求解后得到邊坡的等效塑性應(yīng)變結(jié)果如圖10～圖12所示。

圖10 天然工況未折減塑性分布

圖11 天然工況第5步折減塑性分布

圖12 天然工況第15步折減塑性分布

從圖10～圖12可以看出，在土體強(qiáng)度未折減時，僅在坡頂處有小范圍的塑性區(qū)分布，土體強(qiáng)度未充分發(fā)揮，尚有安全儲備。隨著折減程度加大，坡腳處的塑性區(qū)逐漸擴(kuò)大，坡腳塑性區(qū)應(yīng)變值大于坡肩塑性區(qū)應(yīng)變值，且坡腳塑性區(qū)進(jìn)一步向上部及坡面發(fā)展，并逐漸貫通，最終邊坡發(fā)生破壞。當(dāng)強(qiáng)度繼續(xù)折減時，計(jì)算不再收斂。

通過圖13可以看出，以數(shù)值計(jì)算不收斂評價(jià)邊坡穩(wěn)定性，對應(yīng)的FV1為1.13，即安全系數(shù)Fs=1.13，以位移的拐點(diǎn)評價(jià)，則Fs=1.11。

圖13 天然工況U1隨FV1(場變量)的變化關(guān)系

3.3.2 暴雨工況

經(jīng)過21步動態(tài)強(qiáng)度折減，求解后得到邊坡的等效塑性應(yīng)變變化過程如圖14～圖16所示。

圖15 暴雨工況第10步折減塑性分布

圖16 暴雨工況第21步折減塑性分布

從圖中可以看出，在土體強(qiáng)度未折減時，暴雨工況下由于水的作用，土的抗剪強(qiáng)度較天然工況下有一定程度的降低，此時土體也仍有一定強(qiáng)度的安全儲備，僅在坡腳及坡頂有小范圍的塑性分布。隨著折減程度增加，坡腳處塑性區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，塑性應(yīng)大于坡肩塑性應(yīng)變，且坡腳塑性區(qū)不斷向上部及坡面發(fā)展并逐漸貫通，邊坡發(fā)生破壞。

強(qiáng)度折減至第21步時，坡肩和坡面處塑性區(qū)域趨于穩(wěn)定，坡腳處塑性應(yīng)變急劇增大，塑性區(qū)貫通坡面。當(dāng)強(qiáng)度繼續(xù)折減時計(jì)算不收斂。

通過圖17可以看出，若以數(shù)值計(jì)算不收斂評價(jià)邊坡穩(wěn)定性，安全系數(shù)取為Fs=0.88，以位移拐點(diǎn)評價(jià)，安全系數(shù)Fs=0.83。

圖17 暴雨工況U1隨FV1(場變量)的變化關(guān)系

4 結(jié)論

本文基于極限平衡法和動態(tài)強(qiáng)度折減法，通過有限元軟件對邊坡安全系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算研究得到幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)自然狀態(tài)下，邊坡是否存在垂直節(jié)理對邊坡穩(wěn)定性影響較小。但暴雨?duì)顟B(tài)下，垂直節(jié)理對邊坡穩(wěn)定性影響巨大。

(2)黃土邊坡的垂直節(jié)理和天然降雨是影響隧道邊坡穩(wěn)定性的主要因素。垂直節(jié)理降低了土體間的連接效果，雨水入滲也會降低土體的粘聚力及內(nèi)摩擦角，易導(dǎo)致邊坡破壞。

(3)土體強(qiáng)度未折減時，邊坡塑性區(qū)主要分布于坡腳和坡頂部，隨著土體強(qiáng)度不斷折減，坡腳處塑性區(qū)逐漸向上部坡面發(fā)展，并逐漸貫通，形成邊坡破壞。