某料場高邊坡開挖有限元數值模擬研究

李 霍

(成都理工大學地質災害防治與環境保護國家重點實驗室,四川 成都 610059)

某料場高邊坡開挖有限元數值模擬研究

李 霍

(成都理工大學地質災害防治與環境保護國家重點實驗室,四川 成都 610059)

根據某料場高邊坡的實際地質地形特征,建立了三維邊坡開挖數值模型,模擬了該邊坡從天然工況到逐級開挖工況下的開挖變形形態、應力狀態及邊坡穩定性等,并進行了系統的研究.結果表明,數值計算模型能夠比較真實地反映邊坡實際情況,數值模擬的結果是可靠的、合理的,能夠在此基礎上對邊坡以后的應力場、形變場特征作出較好預測.

高邊坡;開挖;數值模擬

0 引 言

一般來說,邊坡穩定性評價范圍包括了開挖前的穩定性和逐級開挖過程中的穩定性,直至開挖完成.邊坡支護設計時往往根據后者進行分析計算,而邊坡在開挖階段的穩定性則采取“邊坡開挖一級支護一級”方式加以保證.但在實際施工中,為了加快進度與便于施工,施工方常采用一挖到底后再支護,以致部分邊坡在開挖階段就發生卸荷回彈.因此,開展對高邊坡開挖過程的研究以及開挖后的穩定性分析具有十分重要的現實意義.

1 工程地質條件

1.1 基本地質條件

研究場地地處北回歸線以南,屬亞熱帶季風性氣候,光熱充足,氣候溫和,雨量充沛,但年內降雨量的分配很不均勻,其中,汛期的4～9月的降雨量約占全年降雨量的85%,降雨多屬鋒面雨和熱帶氣旋雨.料場邊坡西側及南側與陸域相連,東側及南東側則直接臨海.該邊坡為構造侵蝕中山區,山勢陡峻,地形起伏大,林木叢生,荊棘密布.總體上地形北高南低,高差約 100 m,坡度 15～ 70°間,坡向 63～213°,坡頂高程約19～99 m,坡底零米標高為4.65 m,其最大相對高差約94 m,實地形貌如圖1所示.

圖1 高邊坡范圍示意圖

該場地位于華南褶皺系內,橫跨粵北—粵東北—粵中坳陷區和粵東隆起區兩個二級大地構造單元.在地震構造分區上,場地屬于東南沿海地震帶.該場地的斷裂最早在加里東運動時期就已經開始發育,在燕山期活動最強,但在華力西和印支構造期斷裂活動不明顯,基本以整體隆升剝蝕為主.

1.2 穩定性影響因素

通常,影響邊坡穩定性的因素包括風化卸荷作用、降雨作用、地下水的軟化泥化作用以及人類工程活動等.風化卸荷作用使得原有的結構面張開,有利于地下水入滲,加劇了巖體風化程度,大大降低了巖體的物理力學性能;地表水沿裂隙的入滲,一方面引起裂隙中的孔隙水壓力增高,加速了裂隙的進一步發展,另外也使得軟弱夾層軟化、泥化,進而導致其力學性能的降低;人類工程活動主要表現為人工開挖破壞了坡體內原有的應力平衡,導致邊坡產生一定范圍內應力調整,從而可能引起局部應力集中產生變形,同時,爆破的振動作用使得結構面進一步張開,不利于塊體的穩定.

2 邊坡開挖數值模擬分析

2.1 模型的建立

在工程地質條件分析的基礎上,建立料場高邊坡的地質概念模型,計算采用莫爾—庫侖屈服條件的彈塑性模型分別計算天然狀態和8級開挖各階段邊坡穩定性.目的在于分析邊坡的變形模式、開挖引起的大變形和破壞范圍,進行基于變形的穩定性分析,進而為設計施工提供可靠的依據.具體計算時,選用適合巖土體應力—應變分析的快速拉格朗日差分法(Flac-3D軟件).本次模擬計算的三維模型共劃分為881 123個單元和156 964個節點.計算模型如圖2所示.

2.2 物理力學參數選取

本研究的高邊坡主要由地表第四系堆積物、全風化的凝灰巖、強風化的凝灰巖、中風化的凝灰巖、微風化的凝灰巖組成.該邊坡主要發育結構面為:原生結構面,根據現場測繪,邊坡范圍內地層為沉積結構面,其產狀自南向北基本一致(160°～180°∠40°～60°),沒有大的變化,統計后的優勢產狀為160°∠51°;次生結構面(構造及淺表生),邊坡中主要發育有3組節理、多處破碎帶及多條小規模斷裂.對邊坡穩定性起主導作用的是構造結構面.

巖土體物理力學參數的選取采用工程地質類比法,主要參考該高邊坡巖土工程勘察報告書中巖土工程性質測試專題中物理力學試驗資料與《工程巖體分級標準(GB50218-94)》條文說明中巖體及結構面物理力學參數取值,具體見表1.

表1 料場高邊坡力學參數取值表

2.3 天然狀態坡體應力場分析

在進行邊坡開挖模擬前,有必要對坡體天然應力場做簡要分析,以此作為開挖后應力分析的對比基礎.邊坡天然應力場具體表現如圖3所示,具體而言:

圖3 天然狀態應力圖

1)最大主應力量值總體上與埋深呈正比,分布比較均勻,在巖層分界部位產生分異,巖層分界上下應力量值大小產生均勻變化,在側坡內表現較為明顯,整個邊坡基本上沒有拉應力區出現.

2)中間主應力分布情況為,在整個坡體中部淺表層有部分零星處呈拉應力狀態,在坡體表面上部有部分拉應力,達0.6MPa.

3)最小主應力分布受軟弱夾層分布影響較大.整個坡體最小主應力隨埋深增加按正比例線性增大,最大達0.7 MPa;在坡體上部黏土層地表出露帶附近出現了部分拉應力區,主剖面高程96 m左右出現拉應力區,最大拉應力為0.02 MPa.

2.4 分級開挖后坡體應力場分析

模擬中按設計施工的開挖順序進行分級開挖,開挖過程如圖4所示,開挖結果見圖5,計算中不平衡推力收斂過程見圖6.

圖4 邊坡開挖過程示意圖

圖5 邊坡開挖后地形圖

圖6 開挖過程中不平衡推力收斂圖

邊坡開挖過程中,邊坡內部原有應力狀態將隨著開挖的進程而發生變化,引起應力重分布,在局部出現應力集中效應.

1)從最大主應力分布隨分級開挖演變過程來看(見圖7),開挖使邊坡最大主應力發生變化的范圍是是有限的,主要對淺表層產生影響,開挖過程中最大主應力變化比較均勻,沒有產生過大的應力集中 和突變現象,從0.5 MPa逐步遞減到0.03 MPa.在主剖面中從第5次開挖到開挖結束,第4、5、6級開挖面出現了輕微的應力變化,應力從0.03 MPa增加到0.5 MPa,在整個開挖過程中沒有出現拉應力.

圖7 分級開挖主剖面最大主應分布演變過程

2)圖8反映了工程開挖后,在坡體頂部、坡面等處出現了零星拉應力,同時在坡腳處明顯出現了一條張拉應力帶,而坡緣呈現出一條明顯的拉應力帶,在北側邊界處拉應力區范圍較大,各級邊坡頂部也有一定的拉應力條帶,拉應力最大值可達 0.05 MPa,在坡腳處,由于巖體內部卸荷回彈的影響,同一數量級的應力帶隨著開挖的加深呈現隆起狀,使得坡腳地表面出現張拉應力帶.

圖8 分級開挖主剖面最小主應分布演變過程

3)剪應力τ yz特征見圖9,在主剖面第5、6、7級開挖處附近等部位產生了應力集中.在坡腳外側、開挖平臺等附近部位出現了拉應力,最大值為0.03 MPa.

圖9 開挖八級τ yz分色圖

總體上分析,工程開挖對坡體的應力場分布有較為明顯影響.開挖邊坡坡緣、邊坡頂部、4.95 m平臺以下較大深度范圍巖土體與軟弱夾層之上一定范圍處于受拉應力狀態,而且4.95 m平臺以下及坡腳處還處于張剪應力狀態;剖面第6級和第7級開挖處應力集中較為明顯;坡腳處最大主應力有集中現象,但不十分明顯,坡腳表面上多處最小主應力為拉應力則顯而易見.上述應力必然會對坡體穩定性產生一定程度的負面影響,特別是對巖性較差部位如何保持其穩定性,需要在工程進行中著重考慮.

3 結 論

通過上述模擬分析,本研究得到以下結論:

1)坡體天然狀態下整體處于穩定狀態,坡面以下一定深度發生卸荷回彈,坡體內部無較大的應力集中帶,但局部區域呈現受拉應力狀態,可能形成局部滑塌.

2)工程開挖使坡體的應力場大幅度調整.開挖坡面上最小主應力顯著降低,甚至呈拉應力狀態,最大主應力在坡腳處產生應力集中,其中最小主應力值在坡腳及部分坡頂出現拉應力,形成一定范圍的張力帶.

3)開挖邊坡大變形發生在坡體淺部,主要在第4級開挖處到開挖完成平臺處,最大變形可達13 mm.

4)從邊坡應力場特征及其變形特征的數值模擬結果可以看出,邊坡的變形破壞主要受邊坡的結構特征及幾何形態影響,呈現為蠕滑—拉裂式破壞;而在坡頂至第1、2級開挖處巖體內的變形破壞主要受黏土層及全風化層的控制,呈滑移—拉裂式破壞.

5)受邊坡開挖后的二次應力場影響,在邊坡淺表層,特別是在開挖平臺的巖體內產生了強烈的卸荷回彈變形,上述2處甚至還發生了較大的變形破壞,使得邊坡巖體極為松散破碎.在這種情況下,一方面很難保證邊坡的穩定性,另一方面也很難直接采取相應的支護措施.因此,建議在工程施工時,首先應對邊坡進行適當地削坡減載處理,改善邊坡的應力條件,同時清除掉邊坡已經發生變形破壞的松散巖土體,以便下一步支護方案的安全、順利實施.

6)從數值模擬得出的邊坡變形破壞跡象及變形破壞模式來看,結論與邊坡實際情況相吻合.這說明本研究所建立的數值計算模型能夠比較真實地反映邊坡實際情況,數值模擬的結果是可靠的、合理的,且能夠在此基礎上對邊坡施工過程的應力場、形變場特征做出較好預測.

[1] 陽明慧,匡波,周澤昶,等.某高速公路路塹高邊坡的開挖支護數值模擬與穩定性分析[J].中外公路,2011,31(1):25-29.

[2] 朱敏,楊栗.基于極限平衡法和有限元法的巖質高邊坡穩定性分析[J].西北水電,2012,31(3):5-8.

[3] 劉輝.布爾津山口水利樞紐高邊坡開挖及支護施工[J].水利水電施工,2012,31(3):6-9.

[4] 代麗華,孫榮強.小灣水電站進水口直立邊坡開挖支護施工技術[J].內蒙古水利,2012,33(3):37-38.

[5] 溫篤武,謝婉麗,劉強,等.基于ANSYS的黃土高邊坡開挖卸荷穩定性分析[J].地下水,2012,34(3):189-191.

[6] 朱義歡,邵國建,李昂,等.某庫區料場高邊坡全過程穩定性評價[J].人民長江,2012,43(3):80-84.

[7] 王明慧,張橋.某高邊坡穩定性及支護方案研究[J].路基工程,2012,30(3):141-145.

[8] 黃振科,傅少君,湯鵬.卡拉水電站壩肩巖質高邊坡穩定性分析[J].中國農村水利水電,2012,54(6):146-151.

Research on Finite Element Numerical Simulation of a Yard High Slope Excavation

LI Huo
(State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China)

According to the actual geological terrain feature of a yard high slope,we establish a three-dimensional slope excavation numerical simulation model.The model simulates and systematically studies excavation deformation form and stress state and the stability of the slope from natural condition to excavation condition step by step.The results show that the numerical model can reflect slope actual situation and the result of numerical simulation is reliable and reasonable.The model can make good prediction for the characteristics of stress field and deformation field.

high slope;excavation;numerical simulation

TU457;TU470.3

A

1004-5422(2013)01-0086-05

2012-12-06.

李 霍(1987—),男,碩士研究生,從事地質災害與環境保護研究.