隧道開挖擾動(dòng)對(duì)古滑坡穩(wěn)定性的影響分析

駱曉依，蘇永華，廖君橙

隧道開挖擾動(dòng)對(duì)古滑坡穩(wěn)定性的影響分析

駱曉依，蘇永華，廖君橙

(湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

山區(qū)地形復(fù)雜，當(dāng)隧道必須在一定位置穿越古滑坡這一不良地質(zhì)時(shí)，隧道的施工以及運(yùn)營對(duì)古滑坡都存在著很大的威脅。隧道開挖對(duì)古滑坡穩(wěn)定性的影響是施工安全必須考慮的重點(diǎn)問題。針對(duì)隧道-古滑坡正交體系，基于二次回歸正交組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，在局部強(qiáng)度折減法的基礎(chǔ)上，提出一種隧道開挖對(duì)古滑坡穩(wěn)定性影響的分析方法。由于古滑坡的變形與其穩(wěn)定性之間具有一定的內(nèi)在聯(lián)系，應(yīng)用該方法建立隧道開挖后滑帶最大位移擬合公式，并結(jié)合室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)，依據(jù)局部強(qiáng)度折減法的原理，研究分析隧道開挖擾動(dòng)對(duì)古滑坡穩(wěn)定性的影響。通過工程實(shí)例計(jì)算分析表明，該方法具有一定的有效性。

古滑坡；隧道；穩(wěn)定性；數(shù)值模擬

在古滑坡地段修建道路時(shí)，由于選擇深路塹形式帶來的大范圍的開挖會(huì)對(duì)已穩(wěn)定的滑坡體產(chǎn)生擾動(dòng)，所以往往大多選擇隧道的形式。但是山區(qū)地形復(fù)雜，由于道路選線的要求，當(dāng)隧道必須在一定位置穿越古滑坡這一不良地質(zhì)時(shí)，隧道的施工以及運(yùn)營對(duì)古滑坡都存在著很大的威脅。因此進(jìn)行隧道選址時(shí)，隧道開挖對(duì)古滑坡穩(wěn)定性的影響是施工安全必須考慮的重點(diǎn)問題。任三紹等[1]對(duì)紅花屯古滑坡開展了原位大型直剪試驗(yàn)和穩(wěn)定性模擬分析得出組成紅花屯滑坡的碎石土抗剪強(qiáng)度與其碎石含量呈顯著的相關(guān)性。采取抗滑樁、格構(gòu)錨等治理措施可有效控制滑坡變形。胡相波等[2]通過對(duì)西南某水電站在地下洞室的開挖過程中揭示的一些特殊地質(zhì)現(xiàn)象，分析該老滑坡結(jié)構(gòu)及解體特征，及變形破壞模式，并對(duì)其在各種工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。劉夢(mèng)琴等[3]以三峽庫區(qū)巴東縣某滑坡滑帶土為研究對(duì)象，對(duì)其重塑土樣進(jìn)行了不同類型的剪切試驗(yàn)，研究其峰值強(qiáng)度、折減強(qiáng)度以及殘余強(qiáng)度的變化，探討了軸向壓應(yīng)力對(duì)滑帶土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度再生的影響。張治國等[4]基于滑移線理論推導(dǎo)得到隧道開挖對(duì)圍巖擾動(dòng)范圍公式，并結(jié)合隧道上部松動(dòng)巖體的分析，得出隧道正交穿越滑坡體的最小安全下穿距離的解析表達(dá)式。本文針對(duì)隧道?古滑坡正交體系，基于二次回歸正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)以及強(qiáng)度折減法，提出一種隧道正交穿越古滑坡時(shí)古滑坡穩(wěn)定性的分析方法，并以某地工程實(shí)例為例詳細(xì)說明該方法的應(yīng)用過程，以數(shù)值模擬技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合考慮多個(gè)影響因素，分析各個(gè)因素對(duì)隧道?古滑坡正交體系中古滑坡的穩(wěn)定性問題的影響。

1 基于回歸正交的滑帶位移分析

正交試驗(yàn)可以利用較少的試驗(yàn)次數(shù)獲得較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但是所得到的優(yōu)化方案只是在一定的水平上，而不是一定試驗(yàn)范圍內(nèi)的最優(yōu)方案；回歸分析所確立的回歸方程，可以對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)優(yōu)化，但是對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)只能進(jìn)行被動(dòng)的處理分析，沒有對(duì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的要求?；貧w正交設(shè)計(jì)就是將正交設(shè)計(jì)和回歸分析結(jié)合起來，可以在因素的試驗(yàn)范圍內(nèi)選擇適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)點(diǎn)，用較少的試驗(yàn)次數(shù)建立精度高、設(shè)計(jì)性好的回歸方程，同時(shí)優(yōu)化試驗(yàn)[6]。

1.1 滑帶位移公式構(gòu)建方法

基于本文所給出的滑帶位移公式構(gòu)建方法，可根據(jù)實(shí)際情況改變隧道位置、滑帶以及滑體的強(qiáng)度參數(shù)等條件，得到符合實(shí)際工程的隧道開挖擾動(dòng)下的滑帶最大位移公式。其步驟如下：

1) 確定滑帶最大位移的影響因素

2) 建立數(shù)值分析模型

3) 因素水平編碼

4) 確定試驗(yàn)方案

5) 實(shí)施實(shí)驗(yàn)方案

6) 建立回歸方程，進(jìn)行顯著性分析，確定各個(gè)影響因素的敏感性大小

1.2 滑帶最大位移的影響因素

根據(jù)采用FLAC3D有限差分軟件對(duì)計(jì)算模型巖體參數(shù)的試算，本文中主要考慮隧道位置、滑帶土以及滑坡體的影響。

基于莫爾?庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則，對(duì)參數(shù)和對(duì)滑帶位移的影響進(jìn)行分析。

庫侖于1776年提出庫侖公式：

其中：和為黏聚力和內(nèi)摩擦角。

莫爾于1900年提出強(qiáng)度公式：

即一個(gè)平面上的抗剪強(qiáng)度τ取決于作用于這個(gè)平面上的正應(yīng)力。其中破壞包線的函數(shù)()是由試驗(yàn)確定的單值函數(shù)。

莫爾?庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則被廣泛應(yīng)用于巖土材料的理論與實(shí)踐中。它表明材料的抗剪強(qiáng)度與作用于該平面上正應(yīng)力有關(guān)，引起材料破壞的不是最大剪應(yīng)力，而是在某個(gè)平面上的最危險(xiǎn)的組合。

其次，進(jìn)行數(shù)值模擬分析時(shí)，隧道?滑帶的相對(duì)位置也是影響滑帶位移的一個(gè)因素?？紤]3個(gè)方面6個(gè)因素以及各個(gè)因素間的相互作用對(duì)滑帶位移的影響。1) 滑帶土：黏聚力1和內(nèi)摩擦角1；2) 滑坡體：黏聚力2和內(nèi)摩擦角2；3) 隧道圓心距滑帶的垂直距離和沿滑帶方向距滑帶中點(diǎn)的距離。

1.3 建立數(shù)值模型

采用FLAC3D有限差分軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。邊坡模型采用一般形式的邊坡模型，如圖1所示。邊坡長=150 m，坡高=40 m，坡高比為1:2。隧道為=6.12 m的四心圓。假定滑體的滑動(dòng)方向沿滑帶向下。

1.4 二次回歸正交組合試驗(yàn)

根據(jù)一些隧道穿越古滑坡的工程實(shí)例，獲得各參數(shù)的上下限，各因素水平編碼見表1。

圖1 計(jì)算模型

表1 因素水平編碼

選用正交表L16(215)，二水平試驗(yàn)次數(shù)為16，星號(hào)試驗(yàn)次數(shù)為12，零水平試驗(yàn)次數(shù)為1，總試驗(yàn)次數(shù)為29。將Z1~Z7分別置于正交表的第1，2，4，8，11，13列，將交互作用12，13，23，14，24，34，35分別置于3，5，6，9，10，12，15列，第7和14列空白，該試驗(yàn)方案的回歸方程為：

二次回歸正交組合試驗(yàn)方案見表2。

1.5 回歸方程及顯著性分析

根據(jù)表2中的試驗(yàn)方案進(jìn)行數(shù)值模擬并得到相應(yīng)的滑帶最大位移移值。對(duì)數(shù)值結(jié)果進(jìn)行分析整理，可得到式(3)的各項(xiàng)系數(shù)。進(jìn)行回歸方程以及偏回歸系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)，得到方差分析表3。

由表3可知，123412132314243435對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響不顯著，將其計(jì)入殘差重新計(jì)算各因素的偏回歸系數(shù)得到。

回歸方程為：

將自然變量回代到式(4)，可得：

表2 試驗(yàn)方案及結(jié)果

表3 方差分析表

注：0.01(1,9)=10.56,0.05(1,9)=5.12,0.01(1,24)=7.82,0.05(1, 24)=4.26。

2 基于局部強(qiáng)度折減法的古滑坡穩(wěn)定性分析

現(xiàn)有的邊坡穩(wěn)定性分析方法中，有限元強(qiáng)度折減法較為常用，主要用于求解邊坡的安全系數(shù)。該方法將邊坡模型中所有單元進(jìn)行強(qiáng)度折減，直至出現(xiàn)表征邊坡滑動(dòng)的位移或者應(yīng)變計(jì)算結(jié)果不收斂。而本文中的局部強(qiáng)度折減法，僅對(duì)影響邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)度折減，所得到的位移比全局強(qiáng)度折減法的小。且由于大多邊坡失穩(wěn)是因局部土體強(qiáng)度的下降，更符合邊坡失穩(wěn)機(jī)理。

2.1 局部強(qiáng)度折減法

局部強(qiáng)度折減法[7-9]通過降低局部土體的強(qiáng)度，直至邊坡達(dá)到極限平衡狀態(tài)。局部土體一般是指邊坡中潛在的滑裂帶或者軟弱土層，可根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告判斷。若難以確定局部土體，可通過全局強(qiáng)度折減法，提取出滑裂帶的土體單元作為局部土體。然后初始化計(jì)算模型，只對(duì)滑裂帶土體的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減，折減方法仍采用式(6)：

式中：為折減系數(shù)。使得邊坡計(jì)算模型剛好不收斂時(shí)的，被定義為邊坡的安全系數(shù)，此時(shí)的臨界位移即為臨界位移。

2.2 滑帶強(qiáng)度折減的依據(jù)

邊坡體在發(fā)生滑動(dòng)過后，經(jīng)歷了漫長的地質(zhì)年代歷程，滑體、特別是滑帶重新固結(jié)并且進(jìn)一步膠結(jié)，使滑坡體在總體上達(dá)到了內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)的平衡，處于一定的穩(wěn)定狀態(tài)。然而古滑坡的穩(wěn)定只是暫時(shí)的，在外界的自然和人為因素作用下，如降雨、地震、挖填構(gòu)筑擾動(dòng)等，滑坡可能重新發(fā)生滑動(dòng)。由于古滑坡原先發(fā)生過的滑動(dòng)使滑帶產(chǎn)生了一定的剪切位移，滑帶的強(qiáng)度參數(shù)受到一定的弱化，因此古滑坡的復(fù)活一般會(huì)沿著長久以來形成的滑帶而發(fā)生滑動(dòng)[10-14]。

當(dāng)隧道正交穿越古滑坡時(shí)，隧道的開挖過程會(huì)對(duì)古滑坡體產(chǎn)生一定的擾動(dòng)，從而使得滑帶產(chǎn)生新的剪切位移，其強(qiáng)度也進(jìn)一步弱化。

因此，在對(duì)古滑坡穩(wěn)定性的分析過程中，僅對(duì)滑帶這一影響古滑坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵軟弱結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減，是符合實(shí)際情況的。

2.3 古滑坡穩(wěn)定性分析

對(duì)于實(shí)際工程中不同條件的隧道?古滑坡正交體系，可根據(jù)2.4中式(5)確定滑帶的最大位移max。

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的滑帶土進(jìn)行分析，在實(shí)驗(yàn)室中配制出相同顆粒級(jí)配的土樣，進(jìn)行室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)，得到土樣的強(qiáng)度參數(shù)，。然后進(jìn)行一組對(duì)比試驗(yàn)：取相同的土樣，用大型直剪儀先剪切一定的位移max，釋放荷載后重新加載并剪切至破壞得到強(qiáng)度參數(shù)，。

對(duì)比是否預(yù)剪對(duì)土樣強(qiáng)度參數(shù)的影響，確定該工程條件下隧道開挖擾動(dòng)使得滑帶所產(chǎn)生的位移對(duì)滑帶土抗剪強(qiáng)度的折減系數(shù)′等于與的比值或與的比值。

通過FLAC3D有限元分析軟件，取折減參數(shù)為′，若計(jì)算模型收斂，則古滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；若計(jì)算模型不收斂，則古滑坡處于失穩(wěn)狀態(tài)。

3 算例分析

通過一個(gè)工程算例來進(jìn)一步闡明以上所述的隧道開挖擾動(dòng)對(duì)古滑坡穩(wěn)定性影響的分析方法。

3.1 工程概況及數(shù)值模型

工程原型為某西南地區(qū)穿越大型古滑坡體的公路隧道。該隧道?古滑坡體系主要是由碎石土以及未完全解體的灰?guī)r組成。滑體上部主要成分為卵礫石土(灰?guī)r、砂巖等)，多為弱風(fēng)化狀態(tài)；中下部為強(qiáng)風(fēng)化巖體，裂隙較發(fā)育。隧道圍巖主要為中強(qiáng)風(fēng)化的結(jié)晶灰?guī)r，完整性較差，圍巖為Ⅴ級(jí)。對(duì)該工程實(shí)例建立如圖2所示的簡(jiǎn)化模型。

圖2 工程實(shí)例簡(jiǎn)化模型

在進(jìn)行數(shù)值模擬分析時(shí)，對(duì)模型采用莫爾?庫侖本構(gòu)模型，只考慮自重應(yīng)力場(chǎng)。該古滑坡?隧道體系整體分為基巖、滑帶、滑體以及隧道4個(gè)部分。模型共有5 399個(gè)單元和10 840個(gè)節(jié)點(diǎn)。計(jì)算參數(shù)如表4所示。

表4 力學(xué)參數(shù)取值

3.2 滑帶位移對(duì)比

該工程實(shí)例中隧道圓心距滑帶的垂直距離=26.5 m，沿滑帶方向距滑帶中點(diǎn)的距離=12.8 m，代入式(5)可得滑帶最大位移max=9.581 mm。

圖3 隧道開挖前后位移差云圖

圖4 隧道開挖前后滑帶位移差云圖

3.3 室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)

根據(jù)滑帶土的力學(xué)參數(shù)，在實(shí)驗(yàn)室中制作6個(gè)相同的重塑土樣分為第1組與第2組。第1組試驗(yàn)：按照大型直剪試驗(yàn)儀的操作步驟，所加法向荷載分別取100，200和300 kPa進(jìn)行3次試驗(yàn)，將試樣剪切至剪應(yīng)力趨于不變，可得圖5所示結(jié)果。經(jīng)計(jì)算可得土樣1的1=0.021 6 MPa，tan1=0.396。第2組試驗(yàn)：按照大型直剪試驗(yàn)儀的步驟，所加法向荷載分別取100，200和300 kPa進(jìn)行3次試驗(yàn)，對(duì)試樣預(yù)剪以模擬隧道開挖對(duì)滑帶土產(chǎn)生的擾動(dòng)，達(dá)到預(yù)剪位移max=9.581 mm后釋放荷載，繼續(xù)剪切至剪應(yīng)力達(dá)到峰值。可得圖7所示結(jié)果，經(jīng)計(jì)算可得土樣2的2=0.018 8 MPa,，tan2=0.344。由此可得1/2=1.148，tan1tan2=1.151。

圖5 剪應(yīng)力-水平位移關(guān)系曲線

圖6 峰值強(qiáng)度包線

圖7 預(yù)剪后剪應(yīng)力-水平位移關(guān)系曲線

3.4 古滑坡穩(wěn)定性分析

運(yùn)用FLAC3D有限差分軟件，僅對(duì)滑帶的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減，折減系數(shù)取4.3中的室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)所得的預(yù)剪前后tan的比值，折減系數(shù)=1.15。經(jīng)過數(shù)值模擬計(jì)算分析，數(shù)值模擬結(jié)果如圖9及圖10所示。

圖8 預(yù)剪后峰值強(qiáng)度包線

圖9 滑帶土強(qiáng)度折減后的位移云圖

圖10 滑帶土強(qiáng)度折減后的塑性區(qū)

經(jīng)過強(qiáng)度折減后，滑帶頂部最大位移為12.53 mm，且滑帶土的塑性區(qū)并未貫穿整條滑帶，該古滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，當(dāng)隧道從該位置穿過時(shí)，開挖不會(huì)促使該古滑坡發(fā)生復(fù)活。

4 結(jié)論

正交組合設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出了一種隧道：

1) 針對(duì)隧道?古滑坡正交體系，給出了一種隧道開挖后滑帶位移公式構(gòu)建方法，得到了考慮位置因素的滑帶位移公式。

2) 通過數(shù)值模擬分析，滑帶土的強(qiáng)度參數(shù)1和1，滑坡體的強(qiáng)度參數(shù)2和2以及隧道的位置對(duì)滑帶位移的影響程度不一?？傮w而言，隧道位置對(duì)滑帶的位移影響較大。

3) 通過實(shí)例分析，展示了該種方法的應(yīng)用過程，在一定程度上驗(yàn)證了該方法的有效性。

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Analysis on influence of tunnel excavation disturbance on stability of ancient landslide

LUO Xiaoyi, SU Yonghua, LIAO Juncheng

(College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)

Because of the complex terrain in mountainous area, when the tunnel must pass through bad geology in a certain position, the construction and operation of the tunnel have a great threat to the ancient landslide. The influence of tunnel excavation on the stability of ancient landslide is a key issue that must be considered in construction safety. Aiming at the tunnel-ancient landslide orthogonal system, based on the quadratic regression orthogonal combination test design and the local strength reduction method, an analysis method for the influence of tunnel excavation on the stability of ancient landslide was proposed. Because of the inherent relationship between the deformation of the ancient landslide and its stability, this paper applies the method to establish the displacement formula of the sliding zone after tunnel excavation, and combines the indoor large-scale direct shear test, to analyze the influence of tunnel excavation disturbance on the stability of ancient landslide on base of the local strength reduction method. Finally, the engineering example calculation analysis shows that the method has certain effectiveness.

ancient landslide; tunnel; stability; numerical simulation

P642.22

A

1672 ? 7029(2019)08? 2028 ? 07

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.08.020

2018?10?25

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51578232，51878266)

蘇永華(1965?)，男，湖南漣源人，教授，博士，從事地下結(jié)構(gòu)研究；E?mail：yong_su1965@126.com

(編輯 蔣學(xué)東)