基于FLAC3D的巖石邊坡分步開挖穩定性分析

蔡佳豪

(西南交通大學土木工程學院， 四川成都 610031)

邊坡穩定性問題是公路、鐵路、水利水電工程建設中一個重要的工程地質問題[1]。由于巖質邊坡失穩常會造成較大的損失和災害，因此巖質邊坡的穩定性問題受到越來越多的人的重視。對于巖質邊坡的病害問題，人們常常關心的是巖質邊坡開挖后的整體穩定性情況[2]。目前，針對巖質邊坡穩定性分析的方法主要有極限平衡法、工程類比法、數值模擬方法[3]。極限平衡法由于原理簡單等優點而被廣泛采用，但是極限平衡法不能實時跟蹤與分析由于邊坡開挖引起的變形和應力，故而存在一定的局限性[4]；工程類比法是針對類似成功的工程案例進行分析，然而，各個地區的工程地質情況各不相同，從而使分析結果造成較大的誤差，因而未被廣泛使用[3]；數值模擬因為具有能實時跟蹤與分析分步開挖引起的變形和應力以及對邊坡支護進行合理模擬，因而被越來越多的工程師采用[2]。本文基于數值計算軟件FLAC3D對重慶市奉節縣某巖石邊坡進行分步開挖模擬并分析其穩定性。

1 項目工程概況

梅溪河雙線大橋位于奉節縣白帝鎮袁梁村躍進門，橋梁鄭州端與金盆隧道出口相連，萬州端與干溪溝隧道進口相連。橋址兩岸為陡立岸坡，岸坡巖性為三疊系中統巴東組三段(T2b3)的泥質灰巖夾灰巖、頁巖，上部覆蓋有粉質黏土及碎石土。

場區屬剝蝕低山河谷地貌，地形起伏較大，地面高程140～480m，最大高差約200m，自然坡度25～60 °，部分為陡坎地形。橋址兩端地形較陡，居民房較密集。梅溪河在該橋位河道較順直，屬切割河谷地貌，成U字形河谷，河兩邊岸壁陡峭。

2 工程邊坡穩定性分析

2.1 模型建立

根據測區等高線圖借助三維地質建模軟件GOCAD建立三維實體模型(圖1)，模型長200m，寬140m，最高位置達到110m。實際工程中，對該巖石邊坡采取自上而下分四步開挖。

圖1 邊坡開挖計算模型

2.2 計算參數及本構模型選取

根據勘察資料，該地區地層主要以W3和W2泥質灰巖夾泥灰巖為主，其物理力學參數見表1，本次計算考慮整個巖石邊坡參數均取為W3灰巖力學參數(考慮最不利情況，有利于邊坡安全)。計算采用摩爾-庫倫屈服準則和彈塑性本構模型。

表1 邊坡巖土體物理力學參數

2.3 約束情況

計算區域各邊界均取法向位移約束，即x方向約束x方向位移，y方向約束y向位移，底部邊界設為固定邊界。

2.4 計算結果分析

2.4.1 初始應力場

圖2為原始巖石邊坡在自重作用下主應力，從圖中看可以看到，最大和最小主應力分布均勻，等值線平滑，無畸變點，隨深度增大量值不斷增大，坡腳位置存在應力集中，與常規認識相符合，說明此應力場可作為后續分析的初始應力場。

(a)最大主應力

(b)最小主應力圖2 主應力

2.4.2 第一次開挖計算結果

圖3和圖4分別為第一次開挖后自重作用下巖石邊坡x方向和和位移三維云圖。從三維圖中可以看到，由于開挖引起的x方向位移數值很小，最大僅為1mm左右，主要分布在開挖部分頂部和靠近坡腳的位置；其次由于本次開挖引起的和位移數值也很小，最大僅為2mm，忽略邊界的影響，主要分布在本次開挖位置。

圖3 x方向位移三維云圖

圖4 位移三維云圖

2.4.3 第二次開挖計算結果

圖5和圖6分別為第二次開挖后自重作用下巖石邊坡x方向和和位移三維云圖。從三維圖中可以看到，由于第二次開挖引起的x方向位移數值很小，最大也不到1mm，主要分布在本次開挖頂部和底部平臺位置；其次由于本次開挖引起的和位移數值也很小，最大僅為2mm，主要分布在本次開挖底部平臺位置處。

圖5 x方向位移三維云圖

圖6 位移三維云圖

2.4.4 第三次開挖計算結果

圖7和圖8分別為第三次開挖后自重作用下巖石邊坡x方向和和位移三維云圖。從三維圖中可以看到，由于第三次開挖引起的x方向位移數值很小，最大僅為0.9mm，主要分布在本次開挖頂部位置；其次由于本次開挖引起的和位移數值也很小，最大為4.6mm，主要分布在本次開挖底部平臺位置。

圖7 x方向位移三維云圖

圖8 位移三維云圖

2.4.5 第四次開挖計算結果

圖9和圖10分別為第四次開挖后自重作用下巖石邊坡

圖9 x方向位移三維云圖

圖10 位移三維云圖

x方向和和位移三維云圖。從三維圖中可以看到，由于第四次開挖引起的x方向位移數值很小，最大為6mm左右，主要分布在本次開挖部分右側側壁；其次由于本次開挖引起的和位移數值也很小，最大為7mm，主要分布在本次開挖底部平臺和右側側壁位置。

3 結論

通過模擬該巖石邊坡分步開挖，由其計算結果可知，由于分步開挖卸荷作用對該巖石邊坡的影響很小，無論是x方向以及和位移均為mm級，說明該巖石邊坡在分步開挖作用下穩定性很好。