開挖巖體邊坡力學性狀及塑性區演變特征研究

陳志峰

巫山至巫溪(巫溪段)二級公路位于重慶市巫溪縣南部地區。起點位于龍溪金家溝，里程K86+000，終點在花栗路口，里程K109+875.993，全長23.875km。路線路段主要跨越大泉山山脈，地形較復雜，沿線多高陡邊坡，受巖性影響，有很多高邊坡在開挖過程中出現失穩現象。研究路段位于柚子樹境內，起止里程樁號K88+840～K88+950，全長110m。該段內邊坡為路塹邊坡，切坡最高為32m，最低為21m。場地內出露地層主要為第四系全新統殘坡積碎石土（Q4el+dl），厚度0.4~1.5m；以及三疊系中統巴東組（T2b3）泥灰巖，厚度大于30m。

1理論模型

1.1 基本假設

(1) 處于塑性區(極限平衡區)內任何節點的的正應力與剪應力滿足莫爾-庫侖強度準則：

其中，為斜面上的抗剪強度；，分別為巖體的粘聚力和內摩擦角；為斜面上的正應力，其值；，為方向余弦。

(2) 分析過程中不考慮體積力的影響。

(3) 巖體是彈塑性材料，且各向同性。

1.2 基本方程

在處于塑性區(極限平衡狀態)的巖體，應力滿足平衡微分方程：

1.3 本構模型

本研究采用ansys有限元法求解邊坡穩定問題時，采用了理想彈塑性模型，其本構模型采Drucker-Prager 準則：

式中：,分別表示應力張量的第一不變量和應力偏張量的第二不變量。、為與巖土材料內摩擦角和粘聚力有關的常數，，。屈服面在平面上為不等角度的六邊形的外接圓。

2高邊坡開挖應力場

為了解邊坡開挖的力學效應,對K88+680斷面邊坡進行了二維彈塑性有限元計算分析。計算模型邊界為：底部為173m,高為112m,分別為開挖寬度和深度的4倍多，基本可以消除邊界對應力的影響。底部取x、y方向

位移約束，側面施加x方向位移約束。模型網格的稀密對二維彈塑性有限元計算有著一定的影響，為了提高計算精度，所以在開挖區域及周邊敏感部位對網格采取加密措施。模型是由5544個節點組成的5688個單元。用“殺死”單元法開挖掉3710個單元。

2.1 計算參數的選取

本次模擬考慮到了地層巖性的差異，計算區域中所涉及的巖體主要有坡積土(Q4dl+el) 和強風化泥灰巖(T2b)，通過巖體物理力學試驗和工程地質類比，最后確定了各巖體的計算參數(表1)

摘要：邊坡開挖過程的力學性狀變化是一個復雜的過程，同時其塑性區演變趨勢也是一個復雜的過程。文章通過假設邊坡完全處于理想彈塑性狀態，并以Drucker-Prager 準則為本構模型，運用ANSYS有限元軟件對巫山至巫溪（巫溪段）公路K88段高邊坡開挖過程應力調整過程及塑性區變化過程進行了模擬，得出了開挖過程中應力最大處為坡腳。邊坡塑性區是一個動態調整過程，最終位于強風化泥灰巖與弱風化泥灰巖交界處。

關鍵詞：開挖巖體邊坡；力學性狀；塑性區演變特征

巫山至巫溪(巫溪段)二級公路位于重慶市巫溪縣南部地區。起點位于龍溪金家溝，里程K86+000，終點在花栗路口，里程K109+875.993，全長23.875km。路線路段主要跨越大泉山山脈，地形較復雜，沿線多高陡邊坡，受巖性影響，有很多高邊坡在開挖過程中出現失穩現象。研究路段位于柚子樹境內，起止里程樁號K88+840～K88+950，全長110m。該段內邊坡為路塹邊坡，切坡最高為32m，最低為21m。場地內出露地層主要為第四系全新統殘坡積碎石土（Q4el+dl），厚度0.4~1.5m；以及三疊系中統巴東組（T2b3）泥灰巖，厚度大于30m。

1理論模型

1.1 基本假設

(1) 處于塑性區(極限平衡區)內任何節點的的正應力與剪應力滿足莫爾-庫侖強度準則：

其中，為斜面上的抗剪強度；，分別為巖體的粘聚力和內摩擦角；為斜面上的正應力，其值；，為方向余弦。

(2) 分析過程中不考慮體積力的影響。

(3) 巖體是彈塑性材料，且各向同性。

1.2 基本方程

在處于塑性區(極限平衡狀態)的巖體，應力滿足平衡微分方程：

式中：,分別表示應力張量的第一不變量和應力偏張量的第二不變量。、為與巖土材料內摩擦角和粘聚力有關的常數，，。屈服面在平面上為不等角度的六邊形的外接圓。

2高邊坡開挖應力場

為了解邊坡開挖的力學效應,對K88+680斷面邊坡進行了二維彈塑性有限元計算分析。計算模型邊界為：底部為173m,高為112m,分別為開挖寬度和深度的4倍多，基本可以消除邊界對應力的影響。底部取x、y方向

位移約束，側面施加x方向位移約束。模型網格的稀密對二維彈塑性有限元計算有著一定的影響，為了提高計算精度，所以在開挖區域及周邊敏感部位對網格采取加密措施。模型是由5544個節點組成的5688個單元。用“殺死”單元法開挖掉3710個單元。

2.1 計算參數的選取

本次模擬考慮到了地層巖性的差異，計算區域中所涉及的巖體主要有坡積土(Q4dl+el) 和強風化泥灰巖(T2b)，通過巖體物理力學試驗和工程地質類比，最后確定了各巖體的計算參數(表1)

巖體 (kg/m3) (MPa) (KPa)

坡積土 2100 150 0.38 25 21

強風化泥灰巖 2300 1800 0.32 60 23

弱風化泥灰巖 2400 2600 0.26 130 24

灰巖(基巖) 2400 4500 0.18 400 35

2.2 初始應力場

巖體的初始應力場, 取正應力以壓為正（在ansys中數值上表示為負）, 其大主應力方向在近地表呈不規則的鋸齒型，深部接近水平，深部應力值為2.6MPa左右(圖1)；小主應力方向在近地表處基本上與坡面輪廓線平行, 深部接近水平，深部應力值為0.57MPa左右(圖2)。

2.3 開挖應力場

經計算, 在開挖過程中, 初始應力場不斷受到擾動與調整, 開挖區左右及下部的擾動范圍在1倍開口寬度以內, 開挖面附近大主應力方向接近垂直開挖面方向, 坡面局部地區由壓應力變為拉應力,小主應力方向接近于平行開挖面方向,路基近表面是處于受拉狀態。在左右坡腳處存在不同程度的應力集中現象,右邊坡腳處最大壓應力值為0.17MPa，左邊坡腳處最大壓應力0.98MPa。

2.4 受拉區域

邊坡切削完成后，由于卸荷回彈，整個路基近表面及左切坡的第一臺階中部出現了拉應力區，并受地質構造等因素的影響而呈現出不同的分布形式。在路基上出現呈矩形狀拉應力區，其大主應力值為30～75kPa，左切坡上有一個呈等邊三角形狀的拉應力區，其大主應力值為5～27kPa。

3塑性區演變特征

根據計算區內的地層結構，在建模的時候分成四層不同巖性的巖體，該邊坡分四個階段開挖來分析其塑性區的演變情況。隨開挖深度的增加, 塑性區范圍不斷增大。當開采深度達到一定深度, 邊坡的穩定性就會受到很大威脅。

3.1 第一次開挖

第一次開挖主要是把近地表的坡積土挖除，兼挖強風化泥灰巖層上部，因為原地表斜坡比較陡峭，且開挖坡比高大(1∶0.5~1∶0.3)。此部分開挖后，觀察有限元計算結果，可以看出在坡腳除出現了應力集中，并有小范圍的塑性變形，其等效塑性應變區的值為：0.395×10-5～0.673×10-4 。

3.2 第二次開挖

第二次開挖是將強風化泥灰巖層切掉，坡腳已達到強風化泥灰巖與弱風化泥灰巖交界處，坡腳雖然有應力集中現象，但是塑性區是出現在層間，與第一次開挖的塑性區是相連接的。塑性區外的彈性區應力有增加的趨勢，這是因為此處巖體發生塑性變形，將應力釋放轉移到彈性區巖體內。塑性應變出現在坡面臨空面，其等效塑性區內的值為：0.163×10-4～0.277×10-3 。

3.3 第三次開挖

第三次開挖是沿第二次開挖的基礎上往下開挖5m左右，坡角處出現應力集中現場，并出現小范圍的塑性區，在強風化泥灰巖與弱風化泥灰巖的交界處的塑性區范圍進一步擴大，并出現滑移變形。層間塑性區的等效塑性應變為：0.124×10-4～0.210×10-3；開挖坡腳塑性區的等效塑性應變為：0.124×10-4～0.111×10-3。

3.4 第四次開挖

此次開挖是將邊坡切削到路基設計標高，整個路基是處在弱風化泥灰巖層中。強風化泥灰巖和弱風化泥灰巖交界處出現大面積的塑性區，坡腳排水溝處出現應力集中，有塑性區分布，并在路肩上了出現塑性變形。第三階段的開挖坡腳塑性區消失，這是因為隨著開挖的深入，此處的應力集中消失。層間塑性區的等效塑性應變為0.208×10-4～0.187×10-3 ，其值較第三階段小，這是由于開挖卸荷后應力調整，使得部分變形反彈；坡腳塑性區的等效塑性應變為0.208×10-4～0.229×10-3 。

4結論

（1）隨著自上而下開挖推進, 應力不斷調整，位移、塑性區范圍也不斷增大。開挖結束后, 左邊坡腳處最大壓應力0.98MPa 。雖然坡體總體上處于穩定狀態, 但通過對應力、位移及塑性區計算結果分析知道,坡面出現了拉應力區,有局部破壞的危險，應力集中區坡腳處。

（2）隨著開挖的進行，在強風化泥灰巖與弱風化泥灰巖交界處塑性區范圍逐漸擴大，從云圖中可以看出有向下滑移的趨勢；坡腳處塑性區隨著開挖的深入而位置也發生移動。