順層節理巖體邊坡動態開挖穩定性數值試驗研究

盧超波1，2，吳明麗3，梁俊1

（1.廣西交通科學研究院，廣西南寧 530007；2.廣西道路材料與結構重點實驗室，廣西南寧 530007；3.南寧職業技術學院，廣西南寧 530007）

順層節理巖體邊坡動態開挖穩定性數值試驗研究

盧超波1，2，吳明麗3，梁俊1

（1.廣西交通科學研究院，廣西南寧 530007；2.廣西道路材料與結構重點實驗室，廣西南寧 530007；3.南寧職業技術學院，廣西南寧 530007）

針對某公路順層節理邊坡，采用離散元軟件對其動態開挖過程進行數值試驗，分析了分層開挖對順層邊坡穩定性的影響，結果表明開挖施工過程中邊坡沒有產生整體失穩和塑性破壞，但開挖的水平面存在底鼓，并據此提出了邊坡支護措施，為邊坡支護方案優化提供理論依據。

公路；順層邊坡；動態開挖；邊坡穩定性

節理作為控制巖體穩定性的主要因素，長期以來受到廣大地質、巖土工作者的關注。盧敦華等以某公路節理巖質邊坡為原型，利用FLAC3D對節理和力學參數對邊坡穩定性的影響進行了探討。孫國富等通過對陡傾層狀巖體在單斜軟弱層型埡口的演化過程的研究，提出了防護措施。周太全等采用改進的強度折減系數法對四川九架棚大橋節理巖質邊坡的穩定性進行了分析。張建等采用M-C和U -J節理模型，研究了節理傾向與傾角、土層與巖層的厚度比例對上覆土層節理巖質邊坡穩定性的影響。沈金瑞等對多組節理且較發育的巖體邊坡穩定性進行了分析，并利用FLAC3D進行了穩定性數值模型研究。黃昕等通過室內模型試驗并運用Sarma法探討了不同開挖坡度和層理面傾角下巖質邊坡的破壞特征。王瑞紅等通過彈塑性有限元法研究了金沙江左岸壩肩邊坡開挖過程的動態穩定性。李連崇等利用RFPA-Slope，研究了巖體中不同因素對邊坡變形破壞模式、安全系數的影響。曹平等通過對邊坡潛在變形滑動機理的研究，利用UDEC分析了開挖過程中巖土體的變形情況。史秀志等通過分析注漿后邊坡巖土材料的c、φ對穩定性的影響程度，得出了注漿對邊坡穩定性的影響。周先齊等采用兩套離散網格對構皮灘水墊塘高邊坡自然邊坡及開挖邊坡的穩定性進行了分析。雷遠見等將UDEC與強度折減法相結合，對含多結構面的巖質邊坡的穩定性進行了分析。寧宇等基于離散元及強度折減法基本原理，利用3DEC軟件結合強度折減法對某水電站高邊坡進行了穩定性分析。趙尚毅等通過對節理巖質邊坡非線性有限元模型進行強度折減，得到了邊坡破壞時的滑動面及破壞過程。謝立輝等以某在建巖質邊坡治理工程為對象，運用UDEC離散元軟件模擬了邊坡的失穩過程。

基于現有研究成果，該文通過離散元軟件對某順層節理巖體邊坡進行開挖數值試驗，預測開挖過程中順層節理巖體邊坡的穩定性，為邊坡的支護加固設計提供決策依據。

1　模型計算過程

1.1模型簡介

為探討開挖對邊坡穩定性的影響，如圖1所示，對模型作一定簡化，將順層節理邊坡作為二維平面問題進行探討。數值模型尺寸為寬190m、高130 m；節理傾角25°；分上、下部坡體兩步進行開挖，坡面角60°。

圖1　邊坡數值計算模型（單位：m）

如圖2所示，在模型上部開挖坡體中部未開挖坡體內設置4個水平位移監測點，編號為hist2、3、4、5；下部未開挖坡體中部設置4個水平位移監測點，編號為hist11、12、13、14；基底下部布置4個垂直位移監測點，編號為hist21、22、23、24。

圖2　邊坡變形監測點布置（單位：m）

模型的邊界條件分別為左、右邊界限制水平方向位移，底部邊界限制垂直位移。

1.2力學模型及參數

該文研究邊坡開挖對順層節理邊坡穩定性的影響，故模型中節理參數不變。圍巖假設為均質介質，圍巖、節理均采用Mohr-Coulomb模型。圍巖及節理模型介質的力學參數見表1、表2。

表1　圍巖介質模型物理力學參數

表2　節理模型物理力學參數

1.3數值試驗計算流程

為簡化開挖數值試驗過程，分兩步進行邊坡開挖。首先對建立的模型進行應力平衡并將位移歸零后進行上部坡體開挖，進行模型計算直至平衡；再進行下部坡體開挖；最后進行計算結果分析。

2　計算結果分析

2.1位移分析

圖3為邊坡開挖后圍巖的位移場特征圖。從圖3可看出：邊坡上部、下部開挖均未導致順層邊坡整體失穩。上部坡體的切坡范圍雖然在高度上較大，但切坡的厚度較小，最大13m，坡度比原狀邊坡的坡面角增大20°左右，工程規模較小，坡體的位移也較小；隨著下部邊坡坡體的開挖，切坡的高度增大，切坡的厚度及切坡的工程規模也增大，導致坡度比原狀邊坡的坡面角增大30°左右，坡體向臨空坡面的位移及底鼓位移進一步增加。

圖3　邊坡開挖后位移場特征圖

圖4為坡體中部水平位移監測點計算收斂曲線。從圖4可看出：上部坡體中部水平位移隨著下部坡體的開挖而增大，表面位移從1.1mm增加到2.8mm，增幅為150%；下部坡體開挖后，開挖中部的表面水平位移約3.8mm；坡體開挖水平位移呈現由外向內減弱的趨勢。

圖4　邊坡監測點水平位移收斂曲線

圖5為坡體基底監測點垂直位移收斂曲線。從圖5可看出：上部坡體開挖時，其下部的監測點發生1mm左右的垂直位移；隨著下部坡體的開挖，表面垂直位移從1mm增加到2.5mm，增幅為150%。

圖5　基底垂直位移收斂曲線

坡體開挖后，基底產生底鼓的數值試驗結果與實際工程所表現的規律大致相同。底鼓的產生，在不考慮風化、水作用產生膨脹的前提下，主要是由于開挖卸荷造成的回彈；另外，順層節理的存在所造成的板狀或層狀巖層結構在擠壓翹曲及壓力彎曲作用下也會導致底鼓（如圖6所示）。應在邊坡開挖施工一段時間內，待應力重分布，底鼓潛在趨勢緩和后再鋪裝路面，以免路面翹起造成破壞。

圖6　底鼓產生作用機理示意圖

據此推測，當高地應力地區順層邊坡的巖性為軟弱巖層時，由擠壓翹曲及壓力彎曲所造成的底鼓現象會被放大，對路面后期運營將造成一定影響。

2.2塑性區分布

圖7為邊坡開挖后圍巖的塑性區特征圖。從圖7可看出：該順層邊坡在山體自重應力下，上、下層邊坡的開挖并未導致塑性破壞。因此，對于這類邊坡，工程上常采用錨桿、錨索結合注漿的方式提高節理面的力學強度，增加邊坡的穩定性。

2.3應力分析

圖7　邊坡塑性區特征圖

圖8為原狀邊坡及邊坡上部、下部開挖后圍巖的最大、最小主應力特征圖。從圖8可看出：上部邊坡開挖時，開挖底角處應力僅出現小幅增加，在底部出現較淺的U形應力卸壓區，影響范圍較小。隨著下部坡體的開挖，底角處應力顯著增加，底部較淺的U形應力卸壓區范圍也增大，其主應力方向隨著外部開挖造成的幾何形狀改變而發生變化，這與隧道、地基等巖土體工程開挖所表現的規律相同。

圖8　邊坡應力場特征圖

2.4支護建議

從局部防護而言，對坡腳增壓處應進行防風化處理，并增加對坡體開挖出的水平基底的監測，根據其位移及應力集中程度，采用錨索、錨桿對底角基底進行加固處理，以防裸露圍巖的風化或應力二次分布集中造成底角處局部松弛垮落而逐漸演化為底角支撐掏空，降低邊坡出現滑移失穩的風險。

在該邊坡開挖過程中，需注意邊坡揭露的地質情況，當邊坡節理面力學參數弱化時，應通過注漿、錨索、錨桿等進行加固，防止長期運營過程中揭露巖層風化而造成邊坡失穩。還應根據揭露巖性的風化特性采取錨網噴射砼護坡，以減少風化巖塊剝落及由于雨水入滲造成節理面力學性能弱化而造成坡體失穩。從整體穩定性而言，該邊坡的支護重點是提高或保持邊坡節理面的力學性能。

3　結論

（1）邊坡的開挖未造成順層邊坡的整體失穩，開挖的水平面存在底鼓。

（2）順層邊坡在山體自重應力下，上、下層邊坡的開挖并未出現塑性破壞。

（3）邊坡的支護重點是通過注漿、錨索、錨桿等提高或保持影響范圍內節理面的力學特性，防止長期運營過程中揭露巖層風化而造成邊坡失穩。

（4）邊坡開挖施工一段時間后，待潛在的底鼓趨勢緩和后再鋪裝路面，避免下伏巖體底鼓造成路面翹起而導致路面破壞。

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U416.1

A

1671-2668（2016）04-0111-04

2016-03-02