多種支護形式滑坡穩定性數值模擬分析

肖 猛,蘇吉平,王 磊

(湖南省地質工程勘察院, 湖南 株洲市 412003)

0 引 言

隨著我國大規?；窘ㄔO的發展,我國邊(滑)坡治理工程建設與科技水平不斷提高,新型的支擋方法與支擋結構類型不斷涌現,穩定分析方法與支擋結構設計計算方法迅速進步.但同時應注意到巖土力學性質較為復雜,其變形破壞原因是多方面的,而有些變形機理到目前還處于研究探索過程.適應性極廣的數值計算方法為邊(滑)坡設計提供了技術支撐.本文以株洲市民兵裝備修理所滑坡治理為例,采用FLAC3D軟件對滑坡在多種支護形式治理下的應力和應變情況進行模擬分析,為滑坡治理后的穩定性提供科學依據.

1 滑坡治理工程地質情況

株洲市民兵裝備修理所滑坡總體平面形態呈圈椅形,滑坡體水平投影長約32 m,前緣寬為35 m,后緣寬約14 m,面積約650 m2,滑體總方量約2600 m3.滑坡前緣已堆積到下部株洲市民兵裝備修理所的墻體附近,嚴重威脅該樓的安全.若該滑坡體再次活動,可能將該墻體毀壞,造成房屋倒塌.

勘查區及附近出露的地層主要為:第四系滑坡堆積物粉質粘土屬滑坡堆積物硬塑以主,局部可塑,以粘性土為主,平均厚度為2 m;第四系殘坡積層粉質粘土主要為冷家溪黃滸洞板巖風化殘積而成,黃褐色,硬塑為主,夾有板巖碎塊;中元古生界冷家溪黃滸洞組巖性為板巖、砂質板巖夾砂巖,強風化,巖質較軟,裂隙發育,巖芯呈碎塊狀,巖層節理裂隙不太發育,宏觀上可視為連續介質體.

根據場地滑坡工程地質條件,設計采用適量削坡＋錨噴＋重力式擋土墻支護體系,即在滑坡后緣依原有后壁大致以1∶0.5坡率修坡,采用錨噴支護;對滑坡體按1∶3坡率削坡,植草綠化;在滑坡前緣采用重力式擋土墻支護.錨桿采用全長粘結型錨桿,錨桿直徑25 mm,布置網度2000 mm×2000 mm,錨固體直徑100 mm,錨固體水泥漿強度M30.坡面掛Φ8 mm×200 mm×200 mm的鋼筋網,噴層的厚度為150 mm的C25細石砼.重力式擋土墻設置在滑坡前緣,設計墻高2.2 m,基礎埋深1.0 m.滑坡治理工程結構斷面見圖1.

圖1 滑坡治理工程結構斷面

2 數值計算模型

2.1 模型的建立

滑坡治理工程數值模擬模型寬度方向取錨桿水平間距2 m,斷面按實際設計情況建模,考慮到邊坡穩定性計算需要,模擬巖層的范圍為擋土墻墻底自然地面以下5 m.模型的邊界處理方法是:根據半無限空間體概念約束全部節點y方向的位移,即各節點單方向約束位移;下部邊界為全約束邊界,即約束底部邊界節點x、y、z方向位移;上部邊界和x方向不約束,為自由邊界[1].采用錨桿(索)結構單元和殼結構單元分別模擬錨桿和噴射砼面層,擋土墻與巖土接觸面部位采用分界面處理.整個模型采用四面體及六面體單元,單元化分按照從模型底邊界到邊坡支護區逐漸加密的原則,巖土體共化分為9096個單元,擋土墻化分為1480個單元,錨桿與噴射砼面層共化分62個節點.單元體計算模型計算除擋土墻外均采用 Mohr—Coulo mb應變軟化準則[2G3].

2.2 物理力學參數

摩爾一庫侖模型所涉及的物理力學參數包括:體積模量、剪切模量、內聚力、摩擦角、密度.其中,體積模量和剪切模量是由變形模量和泊松比確定.本文沒有單獨考慮鋼筋網,而把它結合在噴射混凝土中.表1~表4分別為自上而下滑坡巖土力學參數和滑坡治理工程支護材料參數[4].

表1 滑坡巖土力學參數

表2 錨桿支護材料參數

表3 擋土墻參數

表4 噴射砼參數

3 FLAC3 D數值模擬分析

坡體在削坡并設置支擋結構后,其力學性質發生變化.本文滑坡體治理首先模擬出支擋結構設置巖土初始應力場,然后局部進行削坡,設置擋土土墻及錨噴結構.

3.1 應力穩定性分析

圖2反映了最大不平衡力與時間(步長)的關系[5],從圖2中可以看出,滑坡體不平衡力在變形的初期有較大幅度的調整,隨后,逐漸趨于穩定.

圖2 最大不平衡力位移隨時步的變化率

圖3 為單元體塑性狀態圖,其中紅色表示拉伸塑性區域,黃色顯示剪切塑性區域,藍色表示穩定區域(見電子版).從圖3中可以看出,塑性區僅位于局部區域,滑坡在綜合治理下處于穩定狀態中.同時圖中顯示擋土墻坡角處2 m范圍內部分巖土體外于拉伸破壞中,在實際施工過程對此部份區域需進行夯實加固處理,以防止坡角隆起.

圖3 塑性區顯示圖

圖4 為錨桿的軸向力和水泥漿的滑動狀態[6],可見加錨噴網支護后,圖中所有錨桿為綠色,說明都處于張拉狀態,最大錨桿張拉力發生在從上到下第4根錨桿,最大張拉力為78.6 k N.監測錨桿構件端部在水泥漿中的滑動狀態及錨桿軸向力應力分布可以看出第二根錨桿端部已處于滑動狀態,而其它錨桿處于穩定狀態,說明第二根錨桿端部位于滑動面附近,第一根錨桿已在滑動面內,說明此二根錨桿作為構造用錨桿.

圖4 錨桿軸向力分布及水泥漿滑動圖

3.2 位移穩定性分析

圖5 反映了各單元體在x方向上的位移,其中坡體上部區域及擋土墻左部區域位移量較大,最大部分位移處于坡體上部區域,最大位移量64 mm,其它區域x方向基本無位移.

圖5 x方向位移

圖6 為擋土墻頂點位移圖,從圖6中可以看出,隨著迭代時步的增加,擋土墻頂點位移逐漸穩定在某一特定值上.這表明,擋土墻經過變形后,最終穩定下來,擋土墻頂點處最終位移為42 mm.

圖6 擋土墻頂點位移

4 結 論

(1)通過最大不平衡力監測及塑性區域分析得出,塑性區僅位于局部區域,滑坡在綜合治理下處于穩定狀態中,擋土墻坡角處施工過程需進行夯實加固處理,以防止坡角隆起.

(2)支護錨桿都處于張拉狀態,最大張拉力為78.6 k N.從錨桿軸向力分布及滑動圖上分析第一、二排錨桿作用為構造用錨桿,設計中需考慮此兩根錨桿以提高抗滑安全系數,建議加長錨桿長度.

(3)滑坡在綜合治理下位移變形量較小,最大部分位移處于坡體上部區域,最大位移量64 mm,擋土墻頂點處最終位移量為42 mm.

(4)建議施工時輔以監控量測手段,以判斷滑坡體是否穩定,從而判斷支護參數是否合理,并及時修正設計.

[1] 肖 猛,丁德馨,莫勇剛.軟巖巷道圍巖穩定性的FLAC3D數值模擬研究[J].礦業研究與開發,2007,27(01):73G75.

[2] 韓萬東,谷明宇,楊曉云,等.FLAC3D數值模擬的邊坡穩定性[J].遼寧工程技術大學學報(自然科學版),2013,32(9):1204G1208.

[3] 劉 琳,王志國,艾立新,等.基于FLAC數值模擬的邊坡穩定性分析[J].現代礦業,2014,30(3):62G64.

[4] 鄭穎人,陳祖煜,王恭先,等.邊坡與滑坡工程治理(第二版)[M].北京:人民交通出版社,2010.

[5] 李延澤,陳鵬飛,高長志.基于FLAC3D模擬的復雜邊坡穩定性分析[J].露天采礦技術,2014(6),25G28.

[6] 袁東進.基于FLAC3D的邊坡錨固效果及錨桿受力分析[J].人民黃河,2016,38(1):102G104.