巖質高邊坡穩定性數值分析

賀健 袁敏

1 工程概況

1.1 工程地質概況

某巖質高邊坡所在地兩岸谷坡陡峻,基巖裸露,自然坡度一般40°～65°,相對高差一般在 600 m 以上,河谷呈“V”形峽谷,向下游河谷相對寬緩。兩岸零星發育Ⅰ,Ⅱ級階地,Ⅰ級階地拔河高度8 m～15 m,為基座—堆積階地;Ⅱ級階地拔河高度20 m～30 m,為基座階地。邊坡基巖以澄江期花崗巖類為主,按工程巖體質量劃分標準分為4級。邊坡巖層分布為順坡向,巖層傾角小于開挖邊坡傾角,由邊坡表面向內部依次分布的巖體質量等級為Ⅴ1級、Ⅴ2級、Ⅳ級、Ⅲ級、Ⅱ級花崗巖巖體。基巖中分布有節理裂隙、斷層、巖脈發育,節理裂隙主要發育有6組,斷層破碎帶寬多在0.1 m～3 m之間,脈巖出露寬度一般0.5 m～10 m。邊坡所在地第四系松散堆積物主要有沖積、洪積、崩坡積等。邊坡一帶地形坡度35°～40°,地表崩坡積層分布較廣,水平厚度約10 m～20 m,垂直厚度10 m～15 m,其邊坡坡腳高程1 035 m,坡高約 80 m～110 m,設計開挖坡比 1∶0.5～1∶0.7。1 120 m高程以上地形較緩,地表基本上為崩坡積層所覆蓋;該高程以下地形較陡,且基巖裸露。

邊坡所在地地下水類型按賦存條件可分為基巖裂隙水和第四系松散堆積層孔隙潛水兩種類型。坡址區應力場是構造應力和自重應力疊加的應力場,而構造應力是坡體應力場的主要組成部分。

1.2 計算范圍

邊坡地層較為復雜,穿插有多處巖脈和斷層,由于剖面出露的斷層對邊坡的穩定性不起控制作用,在此作簡化處理。采用FLAC3D建立計算模型,以順河流方向為 Y軸,豎直方向為 Z軸,垂直河流并指向坡內方向為X軸。為了消除邊界效應,分析邊坡變形破壞特征及穩定狀況,模型的計算范圍以邊坡為中心,模型順河流方向長600 m,垂直河流方向長710 m,最大相對高度為728 m。

1.3 力學參數取值

根據壩址巖體和結構面物理力學試驗成果以及巖體結構、地質構造、水文地質條件等,并經工程類比,提出邊坡巖土體的物理力學參數建議值(見表1)。

表1 邊坡巖土體物理力學參數取值

1.4 計算模型建立

巖體本構模型選用摩爾—庫侖模型,需要用到的物理力學參數有體積模量(K)、剪切模量(G)、內摩擦角(φ)、粘聚力(c)和抗拉強度(σt)等(見表1)。其中,體積模量和剪切模量計算為:K=計算中采用改變強度參數的彈塑性求解法。

建成的網格模型進行初始地應力平衡的計算,其最大主應力云圖見圖1。

表2 不同計算條件下的應力與位移

2 計算結果分析

計算按四種情況考慮:1)不考慮卸荷裂隙XL(與坡體表面近似平行,深度一般為50 m～100 m)的影響,計算自然情況下的穩定狀況,以便于與后面各個工況的計算結果進行對比,得出邊坡在不同工況下位移的凈增量和應力場的變化情況。2)模擬邊坡按設計方案開挖、加固但未考慮卸荷時的穩定狀況。通過開挖加固后的計算結果可以分析比較坡體在施工過程中應力應變的變化,以及最終開挖完畢時坡體中應力應變場的情況。3)考慮卸荷裂隙XL的影響,節理的連通率為50%,將Ⅳ類巖體的強度進行折減,彈性模量折減10%,摩擦角取33°,粘聚力取350 kPa。4)考慮卸荷裂隙XL的影響,節理的連通率為60%,將Ⅳ類巖體的強度進行折減,彈性模量折減10%,摩擦角取31.8°,粘聚力取280 kPa。

計算結果見表2。

1)位移分析。邊坡指向坡外的位移考慮卸荷比不考慮卸荷要大,指向坡內的位移考慮卸荷比不考慮卸荷要大,豎直向上的位移考慮卸荷比不考慮卸荷要大(見圖2)。隨著連通率的增加,卸荷效應逐漸減弱。

2)應力分析。整個邊坡基本上處于受壓狀態,在邊坡的表面有較小的拉應力,基本上以壓應力為主,即邊坡若發生破壞,以“壓—剪”破壞模式為主。卸荷裂隙部位出現較明顯的應力集中現象。由圖3最大主應力及最小主應力出現的位置得出:最大主應力與最小主應力均隨著高程的降低逐漸增大。考慮卸荷影響的最大主應力,最小主應力的最大拉應力比不考慮卸荷影響的要小,但最大壓應力變化不大,表明卸荷之后拉應力減小。不同連通率下的最大應力變化不大。

3)塑性區分析。不同條件下邊坡中曾出現的塑性區域的分布位置都相同,邊坡開挖前在坡頂和Ⅳ級Ⅴ級圍巖的層間曾經出現了連通的塑性區域,沿著這些區域可能會產生滑動面影響到邊坡的穩定性。而當考慮卸荷裂隙XL時,邊坡開挖前曾出現的塑性區域增大,且隨著連通率的變大,塑性區域增大的趨勢變緩。

計算結果顯示的是以Mohr-Coulomb屈服準則為依據的塑性區分布情況,邊坡實際的穩定性狀態可能要比計算結果顯示好一些。

3 結語

1)整個邊坡豎向相對位移主要以卸荷回彈變形為主。2)邊坡塑性區主要沿Ⅴ類巖體底部(或強風化下限)及開挖坡面分布,并在部分剖面上呈貫通趨勢,表明邊坡淺表層巖體的穩定性較差,應及時支護。3)卸荷裂隙對邊坡的位移變形有顯著影響,但隨著連通率增大,卸荷裂隙的影響變緩。

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