考慮擾動影響的邊坡穩定性實例研究

張　慶　陳良杰　鄧岳保

(1.寧波大學,浙江 寧波　315211；　2.哈爾濱工業大學深圳研究院，廣東 深圳　518055)

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考慮擾動影響的邊坡穩定性實例研究

張慶1陳良杰2鄧岳保1*

(1.寧波大學,浙江 寧波315211；2.哈爾濱工業大學深圳研究院，廣東 深圳518055)

以深圳黃貝嶺邊坡為例，利用ADINA軟件，數值模擬分析了隧道洞口邊坡穩定性，研究了不同擾動程度、不同擾動范圍對隧道洞口邊坡穩定性的影響及其穩態力學特性，為實際工程中的隧道邊坡治理工作提供理論依據。

邊坡，施工擾動，隧道洞口，穩定性，安全系數

0　引言

隨著我國山地、丘陵地區交通網絡的發展，隧道越來越顯示出穿山越嶺的優越性[1]，隨之而來的隧道邊坡失穩、洞口塌方事故頻頻發生，給工程建設造成了巨大損失和危害。2012年6月30日，浙江諸永高速公路雙峰隧道南洞口突然發生山體滑坡，導致多條道路封道；2013年8月2日，內昆鐵路K285+500～K285+900 m線路洞口右側邊坡發生大面積垮塌，整個坡面出現多處裂縫，最寬處達到0.5 m，最大錯臺有1.5 m，綿延2 km；2014年5月4日，渝湘高速公路大觀至石龍路段的斑竹林隧道出洞口處發生邊坡滑坡，大量淤泥被雨水沖至路面。因此，隧道邊坡失穩成為當前亟待解決的工程問題。

1　工程概況

深圳黃貝嶺邊坡位于廣東省深圳市羅湖區黃貝嶺開發區東南側老烏龜山，為典型的人工開挖山體而形成的風化巖質邊坡，處地震烈度7度區。黃貝嶺邊坡坡面共分二級臺階，其中二級臺階以上坡度為1∶1，二級臺階以下坡度為1∶0.75，臺階寬2 m，最大坡高達40 m，邊坡總長為174 m，護坡總面積為6 800 m2。

根據現場測試和室內的土工試驗，得到該邊坡的物理力學參數如表1所示。其中滑面的c，φ值測試采用室內直剪試驗。

表1　邊坡巖土體物理力學參數

2　模型構建

采用二維有限元建模，建模過程中盡可能的模擬了邊坡的地質情況，以符合實際。巖土體均是基于庫侖—摩爾破壞準則的彈塑性材料。邊界條件設定為：兩側邊設置Y約束，底部設置Z完全約束。模型如圖1所示。

圖1　有限元計算模型

3　不同擾動程度下的邊坡穩定性研究

3.1不同擾動程度下邊坡安全系數分析

巖體擾動研究的難點在于其結構形態、介質特性和力學狀態等相互制約，理論研究往往難以適應實際工程的復雜情形。本工況考慮在擾動范圍為8 m的情況下，隧道洞口開挖對邊坡穩定性的影響。定義擾動程度為巖體的抗剪強度指標下降的百分比數值，彈性模量不變。通過ADINA有限元建模，利用強度折減法得到不同擾動程度下邊坡的安全系數，如表2所示。

表2　不同擾動程度下邊坡的安全系數

當洞口邊緣巖體強度下降60%時，顯示安全系數無法計算。從結果嘗試分析，以擾動程度50%和其安全系數1.12為基數，當擾動程度為40%時，1.12(0.6/0.5)=1.344，當擾動程度為30%時，1.12(0.7/0.5)=1.568。以此類推，可見擾動程度下的安全系數變化有接近線性的關系。因此對擾動程度為60%的情況進行預判，0.5/1.12=0.44，說明邊坡擾動程度的極限值約為56%，即當擾動程度達到60%時邊坡直接破壞而無法計算安全系數。

圖2　不同擾動程度下的邊坡安全系數變化曲線

對數據進行擬合曲線，得到如圖2所示的結果。擾動程度為60%時的安全系數在插值擬合分析中，出現了驟降，一定程度上說明了擾動程度過大直接導致邊坡發生破壞。

3.2不同擾動程度下邊坡穩態力學分析

圖3和圖4顯示了應力場分布。施工擾動會導致減弱區與正常巖體有明顯的分層痕跡，在分層臨界面處剪應力變化較大，其中圖4的分層現象更加顯著，比較結果可知，在自重作用下既有拉應力也有壓應力存在，拉應力集中于上部，壓應力集中于下部，最大主應力值分布及變化規律基本一致。在洞口下方和坡腳處出現了應力集中的現象。

4　不同擾動范圍下的邊坡穩定性研究

4.1不同擾動范圍下邊坡安全系數研究

而實際工程總受人工活動影響較大，其影響范圍沒有確切的數值。在本案例中，假定擾動程度均為20%，對不同擾動范圍下的邊坡安全系數進行計算，結果如表3所示。

圖3　擾動程度10%的最大主應力云圖

圖4　擾動程度50%的最大主應力云圖

表3　不同擾動范圍下邊坡的安全系數

當擾動范圍達到10 m時，受限于有限元模型網格劃分要求，模型無法運行，故安全系數無法獲得。數據的擬合結果如圖5所示。當擾動范圍變化時，安全系數呈現先下降再增加的趨勢，但總體變化幅度不大。

圖5　不同擾動范圍下的邊坡安全系數變化曲線

4.2不同擾動范圍下邊坡穩態力學研究

圖6　擾動范圍5m的最大主應力云圖

由圖6和圖7可知，當擾動范圍更大時，最大主應力值大致相當，最小主應力值更大，這決定了邊坡巖體受破壞的可能性越大。

在上述分布中，可知洞口邊緣處往往有較大的位移和應力集中現象，是施工過程中重要的環節。以下對處于洞口右邊緣的節點588單獨分析，由ADINA后處理文件中導出水平位移過程曲線，如圖8所示。

圖7　擾動范圍9m的最大主應力云圖

圖8　節點588的水平位移過程曲線

從圖8中可以看出，該節點的位移共分3個階段，第一階段是洞口剛開挖完成，節點有較小的水平位移，之后保持穩定；第二階段是支護結構施工完成時，節點位移突然增大，巖體擠壓強烈；第三階段是施工后期，節點幾乎沒有再產生水平位移，邊坡結構穩定。因此，洞口開挖后支護結構的施工是整個工程中較為關鍵的工序之一，及時施工并保證結構不產生過大位移，是工程中的首要任務。

5　結語

采用ADINA對隧道洞口邊坡進行有限元數值分析，有針對性的進行了擾動程度和擾動范圍的有限元模型研究工作，旨在探討擾動影響下的邊坡穩定性問題。上述工作得到了一些初步的成果和結論：

1)施工擾動的影響使得巖體結構強度下降，減弱區臨界面越加明顯，且臨界面處產生過大的剪應力集中效應，對減弱區巖體的結構安全十分不利。而當擾動范圍逐漸變大時，洞口支護結構的作用必然減小，邊坡安全系數減小，人為防控作用就不再凸顯。

2)施工擾動產生了巖體強弱面，使得巖體塑性區塑性屈服發展加快且不均勻，導致破壞規律難尋，給邊坡巖體結構健康檢測帶來了很大的難度。

3)施工擾動范圍越廣，擾動程度越大，邊坡的穩定性就越差。對邊坡的保護，應盡量根據現場條件，采用合理的辦法減小施工擾動范圍。同時在施工前應對巖體特質進行了解，避免帶來較大的擾動使得巖體受損程度過大。

[1]劉輝，張智超，王林娟.2004—2008我國隧道施工事故統計分析[J].中國安全科學學報，2010，20(1):96-100.

[2]毛旭.隧道洞口施工對邊坡穩定性影響的預測分析[J].施工技術，2011，40(354)：50-52.

[3]方建勤，廖樹忠.隧道施工對洞口邊坡穩定性影響研究[J].公路，2009(12):192-196.

[4]龍浪波.隧道洞口段邊坡穩定性研究及數值分析[D].成都:西南交通大學,2009.

[5]孫訓方，方孝淑，關來泰.材料力學[M].北京：高等教育出版社,2002.

[6]李立鋒.開挖擾動對邊坡穩定性影響分析[J].路基工程，2008(6)：125-126.

Example research on slope stability by taking distance influence into consideration

Zhang Qing1Chen Liangjie2Deng Yuebao1*

(1.NingboUniversity,Ningbo315211,China;2.HarbinIndustryUniversityShenzhenAcademy,Shenzhen518055,China)

Taking Huangbeiling slope in Shenzhen as an example, the paper carries out numerical analysis for the tunnel entrance slope stability by applying ADINA software, studies the impact of different disturbance degree and different disturbance scope upon tunnel entrance slope stability and its stable mechanical properties, which has provided some guidance for tunnel slope treatment in actual engineering.

slope, construction disturbance, tunnel entrance, stability, safety coefficient

1009-6825(2016)21-0095-03

2016-05-14

張慶(1994- )，女，在讀本科生

鄧岳保(1983- )，男，博士，講師

TU413.62

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