基于phase 2的路塹高邊坡動(dòng)態(tài)開挖穩(wěn)定性分析★

吳先勤 劉 春 劉 上

(重慶科技學(xué)院安全工程學(xué)院，重慶 401331)

0 引言

隨著我國(guó)鐵路、公路、市政道路等交通設(shè)施的快速發(fā)展，在工程建設(shè)中常常出現(xiàn)大量路塹邊坡，對(duì)工程施工及人民生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅。因此，開展路塹邊坡動(dòng)態(tài)開挖穩(wěn)定性分析，對(duì)于當(dāng)前快速發(fā)展的交通建設(shè)，實(shí)現(xiàn)其安全施工及運(yùn)營(yíng)是極為重要的。

近年來，數(shù)值模擬法在邊坡穩(wěn)定性分析中得到廣泛應(yīng)用，其主要通過強(qiáng)度折減法來實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡的穩(wěn)定性分析[1]。本文以某公路路塹邊坡為例，采用phase 2軟件建立邊坡二維數(shù)值模型，模擬路塹邊坡分布開挖施工過程，獲得開挖支護(hù)后坡體應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的分布規(guī)律，為路塹邊坡動(dòng)態(tài)施工設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的指導(dǎo)、建議。

1 工程概況

1.1 地形地貌

該路塹邊坡位于丘陵地貌，山體走向與線路大致相同，路基段跨越一斜坡，地表高程約60 m～120 m，坡頂、坡底高差約35 m，沿線路地形縱向坡度較小，10°～20°，地形橫向坡度較大，約為30°～40°。地表覆蓋第四系坡積黏土，植被茂盛，地層較穩(wěn)定，無滑坡跡象。

1.2 地層巖性

該段沿線出露的地層主要為第四系松散層和侏羅系上統(tǒng)南園組(J3n)地層。其特征及分布分述如下：

1)第四系殘坡土(Qel-dl)。

④1層黏土：棕紅色，稍濕，可塑，稍有光澤，干強(qiáng)度及韌性一般，局部混碎石，含量10%～20%不等，局部混少量砂粒，含量5%～10%不等，無搖振反應(yīng)，黏性強(qiáng)，孔隙比大，壓縮性較高。土石工程分級(jí)為Ⅱ普通土。

2)侏羅系(J3n)凝灰熔巖。

⑨1c層碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化熔結(jié)凝灰?guī)r：灰黃色～灰色，堅(jiān)硬，結(jié)構(gòu)部分破壞，巖芯呈碎塊狀，風(fēng)化裂隙發(fā)育，塊徑3 cm～8 cm。巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)，土石工程分級(jí)為Ⅳ級(jí)。

⑨1d層中等風(fēng)化熔結(jié)凝灰?guī)r：灰色，凝灰熔巖狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，裂隙較發(fā)育，裂隙傾角以10°～15°為主，局部可見30°～40°，70°～80°的裂隙，巖芯呈柱狀，柱長(zhǎng)10 cm～30 cm，局部見碎塊狀巖芯，塊徑3 cm～8 cm。RQD=80%。巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅲ級(jí)，土石工程分級(jí)Ⅵ級(jí)。

1.3 邊坡坡形、坡率

該路塹邊坡為臺(tái)階式邊坡開挖，每級(jí)臺(tái)階高度約8 m，兩臺(tái)階間設(shè)置一寬2 m的平臺(tái)，第一級(jí)路塹邊坡坡率為1∶0.75，第二級(jí)～第四級(jí)路塹邊坡坡率為1∶1，第五級(jí)路塹邊坡坡率為1∶1.25，詳見圖1。

2 基本原理

強(qiáng)度折減法也稱剪切強(qiáng)度折減法，是基于剪切屈服準(zhǔn)則基礎(chǔ)之上的邊坡穩(wěn)定性分析方法[2]，其原理是逐漸減小巖體力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)直至巖體破壞，此時(shí)的折減系數(shù)定義為安全系數(shù)[3]，即：

(1)

其中,c′，φ′分別為折減后的黏聚力和內(nèi)摩擦角；K為折減系數(shù)。

強(qiáng)度折減法不需要假設(shè)邊坡滑移面的形式和位置，軟件在不斷調(diào)整折減系數(shù)的過程中，利用特征點(diǎn)的位移突變作為邊坡失穩(wěn)的判斷依據(jù)[4]，因此該方法可以用來分析邊坡在開挖過程中的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。

3 數(shù)值模擬及穩(wěn)定性分析

3.1 模型建立

本文以該路塹邊坡工程典型斷面建立模型，利用AutoCAD將邊坡實(shí)際地形及地層導(dǎo)入phase 2中，數(shù)值模型網(wǎng)格選取標(biāo)準(zhǔn)的三角形單元，共3 484個(gè)單元，模型網(wǎng)格對(duì)開挖部分進(jìn)行了網(wǎng)格加密，使模擬結(jié)果更加精細(xì)，圖2為開挖前后的模型圖。其物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)院勘察部門所提供的勘察報(bào)告獲得(見表1)，邊坡初始地應(yīng)力場(chǎng)按照自重應(yīng)力考慮，開挖過程采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型進(jìn)行分析。

表1 計(jì)算力學(xué)參數(shù)

3.2 模擬結(jié)果分析

為了得到路塹邊坡在動(dòng)態(tài)開挖過程中完整的位移場(chǎng)變形規(guī)律，分8個(gè)步驟模擬邊坡開挖和支護(hù)，如圖3所示，原始邊坡在自然狀態(tài)下較穩(wěn)定，由于地表覆蓋坡積黏土，原始邊坡坡腰黏土存在向下滑動(dòng)的趨勢(shì)；四、五級(jí)臺(tái)階開挖完成后，巖體的反彈位移不明顯，因?yàn)殚_挖掉的巖土層較薄，卸載較小；一、二、三臺(tái)階開挖完成后表現(xiàn)出明顯的反彈位移，沿著開挖卸荷方向出現(xiàn)了塑性區(qū)的擴(kuò)展延伸，三級(jí)臺(tái)階開挖后坡底反彈位移達(dá)5.1 mm，一級(jí)臺(tái)階開挖后達(dá)6.3 mm；錨桿支護(hù)完成后，從位移云圖可以看出，錨桿對(duì)于約束坡體位移效果十分明顯，塑性區(qū)較未支護(hù)前明顯縮小。所以每級(jí)臺(tái)階開挖完成后，應(yīng)及時(shí)跟進(jìn)支護(hù)，防止形成卸荷裂隙導(dǎo)致邊坡整體失穩(wěn)。

4 支護(hù)優(yōu)化

一級(jí)臺(tái)階錨桿支護(hù)完成后，二級(jí)臺(tái)階仍存在小區(qū)域塑性區(qū)，說明原設(shè)計(jì)沒有考慮到二級(jí)臺(tái)階出現(xiàn)局部失穩(wěn)的情況，通過phase 2模擬在二級(jí)臺(tái)階加固一層土工格柵，如圖4所示，經(jīng)過支護(hù)優(yōu)化后，坡體明顯趨于穩(wěn)定，坡體位移量控制在1.36 mm以內(nèi)，因此，通過phase 2軟件可以指導(dǎo)邊坡工程設(shè)計(jì)，但具體加固效果需要結(jié)合施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，由于篇幅有限，本文沒有對(duì)該路塹邊坡支護(hù)參數(shù)和支護(hù)方式進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

5 結(jié)語

本文采用phase 2軟件模擬某公路路塹邊坡開挖施工，并對(duì)路塹邊坡動(dòng)態(tài)開挖穩(wěn)定性及變形規(guī)律進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

1)邊坡在施工過程中，由于巖體卸載，導(dǎo)致應(yīng)力重分布，坡體出現(xiàn)程度不一的反彈位移，隨著開挖的進(jìn)行，反彈位移逐漸增大，支護(hù)結(jié)構(gòu)的施加對(duì)于控制坡體位移有明顯效果。

2)通過phase 2軟件能夠模擬邊坡開挖過程中應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)的變化規(guī)律，可以直觀的反映工程設(shè)計(jì)的合理性，能夠?yàn)檫吰略O(shè)計(jì)、穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、開挖方式選擇以及支護(hù)方案優(yōu)化提供依據(jù)。