基于有限差分模擬的隧道洞口邊坡穩定性分析

溫 樹 鑫

(中國水電建設集團十五工程局有限公司,陜西 西安 710068)

1 概述

近幾年來，隨著我國經濟發展，中西部各項建設工程的建設規模日益增大，隨之而來的施工擾動、降雨等誘發的各類工程邊坡地質災害也層出不窮，損失慘重[1，2]。國內外學者們圍繞各類邊坡的穩定性分析問題也做了大量研究，如王志強等[3]在不同強度和持續時間降雨條件下，對高速公路邊坡工程安全坡穩定性進行數值模擬研究；郭內強等[4]模擬分析了不同水位高度和結構面傾角對邊坡穩定性的影響；王江榮等[5]利用Geo-Studio軟件和動力有限單元法對蘭州金城公園二期石頭坪景區北側典型高邊坡在地震和暴雨工況下的穩定性進行了數值模擬分析。

四川仁壽經沐川至屏山新市鎮高速公路馬邊支線段設馬邊河2號大橋跨越馬邊河，橋梁與河流交角約80°，橋位處馬邊河寬80 m，馬邊河兩岸橫坡較陡，上部陡坎處為厚層砂巖出露，中下部為崩坡積堆積，厚2 m～5 m，下伏基巖為侏羅系中統自流井組粉砂質泥巖夾砂巖，路線原設計沐川岸斜坡坡表第四系崩坡積角礫土、含碎石粉質粘土層采用清除處治，清方范圍為橋梁左右邊線外側各15 m，清方側按1∶2.0放坡，坡面做簡易噴護處治。清方邊坡處于整體穩定狀態，但局部存在掉塊現象，尤其是考慮降雨及風化作用影響下邊坡的整體穩定性需要進一步評估。

本文首先以ANSYS軟件為平臺進行建模并在坐標旋轉后導入FLAC3D軟件中以獲取的清表后邊坡模型；其次考慮降雨及風化作用影響，基于Hoek-Brown屈服準則對現場巖土體的初始參數進行一定的強度折減，進而采用FLAC軟件對依托工程邊坡進行模擬分析，得出相關結論可為工程現場下一步的邊坡處治及邊坡附近的施工安排提供指導和建議。

2 現場邊坡清表后的建模過程

2.1 有限差分法軟件FLAC3D簡介

FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua)軟件是由Itasca公司研發推出的一款全球知名度最高的連續介質力學分析軟件[6，7]，該軟件總共分為二維和三維兩個版本，即FLAC2D及FLAC3D。采用的是拉格朗日連續介質法，即使用有限差分近似公式代替采用數值計算方法求解偏微分方程的導數，從而把求解偏微分方程的問題轉換成求解代數方程的問題。主要包括區域離散化、格點導數的近似替代、逼近求解等步驟。

2.2 建立邊坡模型

邊坡的尺寸根據現場邊坡的地質勘察和測量數據來確定，相應土層和巖層厚度等參數可根據現場鉆孔的數據來確定。邊坡清表后如圖1所示。鑒于FLAC3D軟件難以建立復雜地質模型，且容易出錯，本文采用ANSYS軟件為平臺進行建模。為使模擬計算結果更加精確，坡腳與同側計算邊界的距離應大于1.5H，本文取2H，坡頂與同側計算邊界的距離應大于2.5H，H為邊坡高度,為75.52 m，模型長521 m。在autoCAD中建立比例為1∶1的二維模型，如圖2所示。

將autoCAD二維模型導入ansysSCDM拉伸建立三維模型，拉伸寬度為50 m，設置好材料參數，使用ansysAPDL對該模型進行網格的劃分，坐標旋轉后導入FLAC3D的模型，共有近30 000個網格，如圖3所示。

2.3 邊坡模型材料參數

通過現場工程資料和力學實驗可獲取相關模型參數，但邊坡失穩是一個漸進累積破壞過程，再考慮降雨及風化作用影響，該過程中巖土體的各個參數會出現不同程度的衰減，本文擬采用巖體強度預測及穩定性分析領域應用最廣泛準則之一的Hoek-Brown屈服準則，查閱現場相關資料，根據巖體峰值和殘余強度參數，參照相關文獻中的方法，最終得到巖土體的主要參數取值如表1所示。

表1 模型參數取值表

3 計算結果分析

通過施加一定的邊界條件，再生成初始應力場，設置好最大不平衡力及收斂條件即可計算得出邊坡安全系數為0.95，即邊坡處于不穩定狀態，極易發生滑坡。下面是根據模型切片來具體分析邊坡內部的應力、應變、位移等。

同時在滑坡處設置的監測點位移也沒有收斂，出現塑性破壞(見圖4)。

通過切片(如圖5所示)可發現邊坡位移量隨深度的增加而減小，坡表位移最大，在邊坡底部會產生20.0 cm～20.9 cm的位移量，在邊坡上部區域的位移也在10.0 cm～16.0 cm之間。此外，從模擬結果也可發現該邊坡的最大剪應變增量、豎向位移、水平位移、位移矢量最大值等出現的位置與邊坡最大位移的位置吻合，其中最大水平位移達到24 cm、最大豎直位移達到14.5 cm。坡頂和坡腳區域較大位移的產生已嚴重影響邊坡的整體穩定性(見圖6)。

4 現場實際工況

在完成邊坡清表工作的一個月后，由于降雨以及施工影響，該邊坡在左線大橋0號臺與1號墩之間的邊坡頂部出現裂縫最大寬2.8 cm，并產生局部塌空，下挫等現象；而在大橋3號墩與4號墩之間的坡腳部位出現最大寬度為13.2 cm的開裂，現場測量隊伍通過對邊坡坡腰部位的監測發現，局部也產生了1 cm～3 cm的整體滑移，見圖7。

基于以上分析和監測結果，現場施工方聯合設計院等各家單位，緊急制定治理方案：邊坡中上部進行削坡減載，坡腳進行堆載反壓，同時坡面中下部便于施工的地方采用復合式錨桿樁處理加固，錨桿樁采用梅花形布置，間距為2.0 m，樁徑為130 mm，樁長為15 m(距離馬邊河位置15 m范圍)和12 m(剩余區域位置7 m范圍)。此外，對坡頂及坡腳有裂縫的地方進行封閉處理，防止雨水灌入等造成土體強度參數進一步折減。最終現場成功避免了一次災害的發生，后期持續一個月的監測表明邊坡變形已收斂，監測期內共計發生位移不足1 cm。

5 結語

1)基于依托工程現場地質地形參數，將autoCAD二維模型導入ansysSCDM拉伸建立三維模型，設置好材料參數，使用ansysAPDL對該模型進行網格的劃分，坐標旋轉后導入FLAC3D軟件中以獲取清表后邊坡模型。

2)考慮降雨及風化作用影響，基于Hoek-Brown屈服準則對現場巖土體的初始參數進行一定折減，最終根據有限差分模擬計算得出依托工程邊坡的安全系數為0.95；通過切片可發現該邊坡的最大剪應變增量、豎向位移、水平位移、位移矢量最大值等出現的位置與邊坡最大位移的位置吻合，邊坡位移量隨深度的增加而減小，坡表位移最大，在邊坡底部會產生20.0 cm～20.9 cm的位移量，在邊坡上部區域的位移也在10.0 cm～16.0 cm之間。坡頂和坡腳區域較大位移的產生已嚴重影響邊坡的整體穩定性。

3)現場實際工況證明了研究的合理性：在完成邊坡清表工作的一個月后，由于降雨以及施工影響，該邊坡在左線大橋0號臺與1號墩之間的邊坡頂部出現裂縫最大寬2.8 cm，并產生局部塌空，下挫等現象；而在大橋3號墩與4號墩之間的坡腳部位出現最大寬度為13.2 cm的開裂，現場測量隊伍通過對邊坡坡腰部位的監測發現，局部也產生了1 cm～3 cm的整體滑移。后經參建各方緊急處理后邊坡轉為安全狀態。