基于UDEC的邊坡開挖穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

潘 勇,韓琳琳,吳龍科

(廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530029)

0 引言

對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析并采取有效的支護(hù)設(shè)計(jì)是公路施工過程中的重中之重[1]。巖石高邊坡具有各向異性,且節(jié)理裂隙的發(fā)育和結(jié)構(gòu)面的膠結(jié)程度會(huì)影響巖石邊坡的穩(wěn)定性[2]。因此,在計(jì)算巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性時(shí),傳統(tǒng)的極限平衡法、有限元法均不允許介質(zhì)發(fā)生較大的位移而具有局限性。離散元法正好打破上述局限,將巖體的各向異性和非連續(xù)性考慮在內(nèi),允許介質(zhì)發(fā)生較大位移,是分析巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的有效方法[3-4]。

UDEC作為離散元分析的代表軟件,模擬過程中預(yù)估的巖石材料的抗拉強(qiáng)度不會(huì)偏高,破壞面的位置可被追蹤和獲取,因此在巖石力學(xué)特性模擬中得到廣泛應(yīng)用[5]。相比較于物理模擬試驗(yàn),數(shù)值模擬因成本低、結(jié)果定量化,具有更廣泛的用途[6]。本文選用UDEC軟件對某高速公路巖質(zhì)邊坡開挖前后狀態(tài)進(jìn)行穩(wěn)定性分析,預(yù)測滑動(dòng)剪出位置,為支護(hù)提供理論依據(jù)。

1 工程概況

該邊坡項(xiàng)目位于桂西北區(qū)域,屬于構(gòu)造侵蝕低山地貌,每年5～10月屬多雨季節(jié)。經(jīng)過地質(zhì)勘察,邊坡地層主要為粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化砂巖和中風(fēng)化砂巖,砂巖內(nèi)局部夾泥巖。巖性描述為:(1)粉質(zhì)黏土,硬塑,黃色,土質(zhì)較均勻,強(qiáng)度及韌性中等,屬Ⅲ級硬土;(2)強(qiáng)風(fēng)化砂巖,褐色,砂質(zhì)結(jié)構(gòu),中厚層狀構(gòu)造,巖質(zhì)較軟,巖體破碎,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖芯多呈塊狀,土石工程分級為Ⅳ級軟石;(3)中風(fēng)化砂巖,灰色,砂質(zhì)結(jié)構(gòu),中厚層狀構(gòu)造,巖質(zhì)硬,夾少量中風(fēng)化泥巖,局部節(jié)理裂隙發(fā)育,裂隙面鐵錳質(zhì)侵染,局部裂隙間隙充填方解石,巖體破碎,土石工程分級屬Ⅳ級軟石-Ⅴ級次堅(jiān)石。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料并結(jié)合地質(zhì)調(diào)查及鉆孔資料,勘察區(qū)附近地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育,區(qū)域內(nèi)巖石裂隙很發(fā)育,巖體較破碎,小型褶皺發(fā)育,巖層產(chǎn)狀多變,區(qū)域未見滑坡、崩塌等不良地質(zhì)災(zāi)害。在山體內(nèi)測得巖層產(chǎn)狀為45°∠55°,測得兩組優(yōu)勢節(jié)理分別為J1和J2。J1的產(chǎn)狀是175°∠85°,密度為3條/m;J2的產(chǎn)狀是255°∠20°,密度是3條/m,屬于逆向坡。

邊坡原設(shè)計(jì)方案為:1∶1放坡+格梁錨桿+格梁錨索(第二級邊坡)+抗滑樁,邊坡加固施工完成后,發(fā)現(xiàn)坡體出現(xiàn)不同程度變形。經(jīng)現(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn),距邊坡后緣開口線約20 cm位置出現(xiàn)一條長約30 m、寬約22～25 cm的裂縫。錨桿格梁出現(xiàn)不同程度裂縫,寬2～3 mm,錨索格梁完整性較好,但邊坡中部拱起,與坡面脫空。因此,進(jìn)行了設(shè)計(jì)變更,變更后的斷面如圖1所示。

圖1 變更后邊坡設(shè)計(jì)方案示意圖

2 計(jì)算模型及參數(shù)

2.1 計(jì)算模型

根據(jù)山體地質(zhì)情況和邊坡橫斷面情況,經(jīng)過一定簡化后建立了如圖2所示的邊坡UDEC分析模型。模型全長430 m,高132 m,坡體斜面坡長228 m,坡高60 m。模型底部邊界固定,即底部水平、垂直位移為零;左右邊界水平方向固定,即水平位移為零;頂部地表為自由邊界。

圖2 邊坡幾何模型和監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖

模型考慮了兩組節(jié)理,第一組節(jié)理是層面,產(chǎn)狀為45°∠55°,在剖面中的傾角是-15.2°,在強(qiáng)風(fēng)化層和中風(fēng)化層中存在,假設(shè)節(jié)理間距為6 m且貫穿巖體;另外一組考慮節(jié)理產(chǎn)狀為255°∠20°,在剖面中的傾角是15.4°,假設(shè)在中風(fēng)化層中和強(qiáng)風(fēng)化層中的節(jié)理間距平均為3 m且貫穿巖體;其余節(jié)理為虛擬節(jié)理。關(guān)于地應(yīng)力,只考慮重力引起而不考慮構(gòu)造應(yīng)力。

2.2 計(jì)算參數(shù)

巖體采用基于Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則的理想彈塑性模型來考慮,物理力學(xué)參數(shù)如表1所示;節(jié)理采用節(jié)理面摩爾-庫侖滑移模型,參數(shù)如表2所示。

表1 計(jì)算用的物理力學(xué)參數(shù)表

表2 節(jié)理物理力學(xué)參數(shù)表

2.3 計(jì)算工況

本次邊坡模擬分為三個(gè)工況:

工況1:未開挖時(shí)降雨工況。

工況2:第一次設(shè)計(jì)方案完成后邊坡開挖降雨工況。

工況3:第二次設(shè)計(jì)方案完成后邊坡開挖降雨工況。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 應(yīng)力應(yīng)變分析

工況1:從模型的應(yīng)力跡線圖中可以看出,最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力(見圖3)均在坡體底面達(dá)到最大值,且都表現(xiàn)為壓應(yīng)力。在降雨?duì)顟B(tài)下,整個(gè)坡體處于一種受壓狀態(tài),坡體內(nèi)未出現(xiàn)塑性應(yīng)變區(qū)。

(a)最大主應(yīng)力

工況2:第一次設(shè)計(jì),邊坡按照1∶1放坡。開挖臨空面附近的巖層節(jié)理出現(xiàn)受拉破壞或剪切破壞,形成坡面楔形體,同時(shí)開挖臨空面附近出現(xiàn)坡體塊體塑性破壞區(qū)域,并發(fā)展形成一個(gè)貫通的滑動(dòng)區(qū)域,整個(gè)貫通區(qū)域的坡體容易發(fā)生滑塌。從圖4可以看出,應(yīng)力塑性區(qū)集中在坡體中部以上,主要是因?yàn)殚_挖卸荷造成坡頂應(yīng)力集中,形成貫通滑動(dòng)面,邊坡出現(xiàn)局部滑塌。實(shí)際施工過程中,邊坡后緣出現(xiàn)拉裂隙,裂隙寬度最大達(dá)到2.4 m,錨索格梁在2級坡面中部拱起,與坡面脫空,判斷坡體從2級坡面中部剪出。

(a)節(jié)理塑性滑移區(qū)

工況3:第二次設(shè)計(jì)在第一次設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上,繼續(xù)放緩坡,按照1∶1.25放坡。由邊坡塑性區(qū)(圖5)可以看出,開挖臨空面附近的強(qiáng)風(fēng)化巖層節(jié)理出現(xiàn)塑性滑移,附近強(qiáng)風(fēng)化層和覆蓋層巖土體出現(xiàn)坡體塊體塑性破壞區(qū)域,并發(fā)展形成一個(gè)貫通的滑動(dòng)區(qū)域,整個(gè)貫通區(qū)域的坡體容易發(fā)生滑塌。邊坡坡率放緩后,坡體塑性區(qū)范圍減小,應(yīng)力集中現(xiàn)象減弱,但邊坡仍處于不穩(wěn)定狀態(tài),需要進(jìn)行支護(hù)處理。因此,第二次設(shè)計(jì)將格梁錨桿變?yōu)楦窳哄^索,并加大了錨索的錨固長度。按照第二次邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)后,六級錨索格梁的錨墩出現(xiàn)個(gè)別開裂破損,但邊坡整體穩(wěn)定性良好。

(a)節(jié)理塑性滑移區(qū)

3.2 位移變化

對三種工況下設(shè)置的4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行位移時(shí)程監(jiān)測。由圖6可以看出,工況1自然降雨?duì)顟B(tài)下,坡頂點(diǎn)A的位移隨時(shí)間的增加先增大后趨于穩(wěn)定,整體位移變化較小,邊坡是穩(wěn)定的。由圖7可知,工況2開挖降雨?duì)顟B(tài)下,坡頂A、B兩點(diǎn)位移啟動(dòng)較快,0.5 s后兩者都迅速滑動(dòng),并在3.5 s時(shí)趨于穩(wěn)定。A點(diǎn)位移x方向達(dá)到3.62 m、y方向達(dá)到2.51 m;B點(diǎn)位移x方向達(dá)到3.43 m、y方向達(dá)到2.67 m,坡頂位移很大。說明開挖后形成的臨空面巖土體失穩(wěn)破壞發(fā)生滑坡,需要進(jìn)行支護(hù)。而圖8表明,工況3二次設(shè)計(jì)開挖降雨?duì)顟B(tài)下,C、D監(jiān)測點(diǎn)位移隨時(shí)間增長先穩(wěn)定后增加,說明剛剛開挖完成后,坡體處于應(yīng)力釋放自我平衡狀態(tài),后才出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,在4.6 s坡頂監(jiān)測點(diǎn)才出現(xiàn)下滑,C點(diǎn)x方向達(dá)到1.35 m、y方向位移達(dá)到0.99 m。經(jīng)過二次設(shè)計(jì)坡率放緩后,坡頂位移有所減少,但坡體仍處于不穩(wěn)定狀態(tài),需進(jìn)行支護(hù)處治。

(a)x方向位移

(a)x方向位移

(a)x方向位移

對邊坡整體的位移矢量進(jìn)行模擬分析,見后頁圖9。由圖9可知:三種工況下,邊坡的位移狀態(tài)是一致的,均為坡頂位移大、坡底位移小。未開挖狀態(tài)下,邊坡的坡頂位移較小,邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài);第一次設(shè)計(jì)開挖后,坡頂位移達(dá)到6.732 m,位移很大,出現(xiàn)滑塌現(xiàn)象;坡率放緩后,坡頂位移減小至1.763 m,位移雖然減小,但仍需要支護(hù)才能達(dá)到穩(wěn)定性要求。

(a)工況1

3.3 穩(wěn)定性分析

對三種工況下邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析,得到穩(wěn)定系數(shù)如表3所示。由表3可知,未開挖狀態(tài),即使在降雨條件下,邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)可達(dá)到1.46,處于穩(wěn)定狀態(tài);而開挖后,邊坡穩(wěn)定性系數(shù)均<1.1,說明邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài),需要支護(hù)。

表3 不同工況下的穩(wěn)定性系數(shù)表

根據(jù)應(yīng)變塑性區(qū)和位移矢量圖可以推斷,第一次開挖后,巖塊塑性區(qū)和節(jié)理塑性滑動(dòng)區(qū)布滿已開挖的2級及以上坡面,且從位移判斷滑動(dòng)面從已開挖的2級坡面中部剪出。施工現(xiàn)場發(fā)現(xiàn),坡體后緣開口線出現(xiàn)拉裂隙,2級坡面格梁錨索拱起凸出,坡體變形已從2級邊坡中部剪出。計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果在滑動(dòng)面已經(jīng)貫通、滑動(dòng)體范圍和滑動(dòng)面從已開挖的2級坡面中部剪出等方面比較一致。二次變更設(shè)計(jì)后,塑性應(yīng)變區(qū)集中在6級、7級坡體內(nèi)。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查,6級格梁錨索的錨墩出現(xiàn)個(gè)別開裂破損,錨索應(yīng)力計(jì)數(shù)值顯著增大,邊坡局部滑面出現(xiàn)但未貫通。對比數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)際工況,說明采用離散元方法預(yù)測巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性及滑動(dòng)軌跡是可行有效的。

4 結(jié)語

采用UDEC軟件對實(shí)際工程中的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析,建立了三種工況下的模型,對比分析了不同工況下坡體的應(yīng)力、位移變化及穩(wěn)定性系數(shù),得出以下結(jié)論:

(1)未開挖降雨?duì)顟B(tài)下,坡體內(nèi)應(yīng)力主要為壓應(yīng)力,未形成塑性區(qū),坡頂監(jiān)測點(diǎn)位移較小,穩(wěn)定性系數(shù)高于1.2,整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)第一次設(shè)計(jì)開挖后,開挖臨空面附近出現(xiàn)了塑性變形區(qū),連接成片貫穿中風(fēng)化巖層、強(qiáng)風(fēng)化巖層和粉質(zhì)黏土層形成滑動(dòng)面,坡頂測點(diǎn)A、B位移很大,邊坡出現(xiàn)滑塌,整體穩(wěn)定系數(shù)僅為0.83。

(3)第二次設(shè)計(jì),坡率放緩后,在坡頂形成應(yīng)力集中區(qū),出現(xiàn)塑性變形并形成小型滑動(dòng)面,坡頂C、D監(jiān)測點(diǎn)位移有所減小,但坡體仍處于不穩(wěn)定狀態(tài),需要處治。