張 恒

(貴州省公路局，貴州 貴陽(yáng) 550003)

考慮滲透力和動(dòng)載時(shí)的隧道邊坡穩(wěn)定性分析

張 恒

(貴州省公路局，貴州 貴陽(yáng) 550003)

結(jié)合某隧道工程實(shí)例，根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)地質(zhì)參數(shù)建立了數(shù)值模型，基于強(qiáng)度折減法，計(jì)算了考慮動(dòng)態(tài)荷載下隧道邊坡的安全系數(shù)，同時(shí)針對(duì)該邊坡問(wèn)題提出了加固措施，指出邊坡加固后穩(wěn)定性顯著提高。

隧道邊坡，安全系數(shù)，動(dòng)態(tài)荷載，滲透力

0 引言

隧道與邊坡是鐵路與公路工程中重要的路基設(shè)備，隧道邊坡結(jié)合了隧道與邊坡的特性，應(yīng)成為重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。鄒金鋒等計(jì)算出各種條件下隧道開挖的圍巖應(yīng)力位移解析解與數(shù)值解，為隧道分析提供參考[1-4]。對(duì)于邊坡問(wèn)題，趙建軍[5]研究了邊坡的快速評(píng)價(jià)方法，陳國(guó)慶等[6]采用強(qiáng)度折減法分析了邊坡穩(wěn)定性，馬建勛等[7]使用有限元軟件分析了邊坡的穩(wěn)定性。但關(guān)于隧道與邊坡結(jié)合的情況分析較少?；诖?，本文結(jié)合實(shí)例工程建立數(shù)值模型，對(duì)考慮動(dòng)態(tài)荷載下隧道邊坡穩(wěn)定性做了研究，通過(guò)計(jì)算安全系數(shù)評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性，并且針對(duì)該實(shí)例邊坡問(wèn)題提出了建議和加固措施。

1 工程概況

某鐵路路基設(shè)備為隧道仰坡，總長(zhǎng)72 m。隧道進(jìn)口和出口寬5 m，高7.5 m。坡體處于中低山區(qū)丘嶺地貌區(qū)，隧道進(jìn)出口坡面植被茂盛，多草本植物和青竹。隧道進(jìn)口混凝土平臺(tái)以上為二級(jí)塹坡，第一級(jí)巖質(zhì)邊坡高7.2 m，傾角35°；第二級(jí)自然土質(zhì)邊坡高3.8 m，傾角33°。坡面植被茂盛，多蕨類植物和小型樹木，大量落葉堆積。隧道出口漿砌片石護(hù)坡以上與隧道進(jìn)口相似也為二級(jí)塹坡，第一級(jí)巖質(zhì)邊坡高8.7 m，傾角38°；第二級(jí)自然土質(zhì)邊坡高2.4 m，傾角19°。坡面植被茂盛，多草本植物和小型樹木，大量落葉堆積(見圖1)。

該地區(qū)廣泛分布著白堊系礫巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖等軟質(zhì)巖石，具有成巖差，易風(fēng)化、崩解等特殊性質(zhì)。該邊坡為巖質(zhì)邊坡，圍巖產(chǎn)狀31°和42°，裸露圍巖有剝落現(xiàn)象，整體圍巖強(qiáng)度較高，節(jié)理發(fā)育較好。

2 穩(wěn)定性分析

2.1 地質(zhì)參數(shù)評(píng)估

通過(guò)集思寶-MG858S對(duì)邊坡進(jìn)行實(shí)地量測(cè)，并將測(cè)量結(jié)果導(dǎo)入CAD軟件繪制三維地形圖。綜合以實(shí)地勘測(cè)資料，并參考水利水電出版社《巖石力學(xué)參數(shù)手冊(cè)》(1991)，對(duì)該路塹邊坡地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行取值，結(jié)果如表1所示。

表1 邊坡地質(zhì)參數(shù)

2.2 模型建立

數(shù)值模擬軟件可以對(duì)相對(duì)復(fù)雜的巖土構(gòu)筑物進(jìn)行分析，并可綜合考慮多個(gè)復(fù)雜因素的影響，計(jì)算結(jié)果具有較好的參考價(jià)值。本研究假定同一層土體為滿足Mohr-Coulomb準(zhǔn)則的各向同性體且計(jì)算時(shí)不考慮土體剪脹角，認(rèn)為土體降雨入滲為飽和滲流問(wèn)題，片石擋墻及護(hù)坡為彈性材料。參考地形實(shí)測(cè)結(jié)果，建立該邊坡有限元模型，該計(jì)算模型取邊坡長(zhǎng)度為176 m(沿線路方向長(zhǎng)度)，坡頂距路面最大距離18 m，自坡腳向下取10 m，坡腳外側(cè)各取10 m，擋墻高為8 m，入口處一級(jí)邊坡坡角為48°，二級(jí)邊坡坡角35°，三級(jí)邊坡坡角為33°；出口處一級(jí)邊坡坡角為48°，二級(jí)邊坡坡角為38°，三級(jí)邊坡坡角為19°?？紤]邊坡滲水作用，假設(shè)僅有路塹邊坡頂部為自由排水邊界，坡體共劃分11 168個(gè)孔壓?jiǎn)卧?3 524個(gè)單元節(jié)點(diǎn)。計(jì)算采用的地質(zhì)參數(shù)取表1中參數(shù)?？紤]滲透力和動(dòng)態(tài)荷載作用，建立該邊坡有限元模型如圖2所示。

2.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

實(shí)際邊坡在長(zhǎng)期自重作用下已經(jīng)達(dá)到自身平衡。在數(shù)值模擬計(jì)算中，由于重力作用會(huì)對(duì)邊坡產(chǎn)生豎向沉降，給滑動(dòng)面觀察造成困難，因此首先需要進(jìn)行地應(yīng)力平衡計(jì)算以消除重力的影響。自重應(yīng)力作用下的應(yīng)力云圖與最終位移云圖如圖3所示。邊坡在片石擋墻及護(hù)坡處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，邊坡潛在滑動(dòng)面自坡腳開始向上延伸貫通。

1)安全系數(shù)。采用強(qiáng)度折減法，當(dāng)強(qiáng)度折減到某一數(shù)值時(shí)，計(jì)算過(guò)程中將會(huì)出現(xiàn)位移拐點(diǎn)。將計(jì)算過(guò)程中邊坡頂點(diǎn)出現(xiàn)位移突變視為邊坡失穩(wěn)，繪制安全系數(shù)—位移曲線(如圖4所示)，并且得出該邊坡安全系數(shù)為1.031。強(qiáng)度折減系數(shù)在0～1.031前邊坡頂點(diǎn)位移變化不大，大于1.031后邊坡位移急劇增加。從塑性區(qū)的發(fā)展也可看出，路塹邊坡折減系數(shù)為1.031時(shí)，路塹邊坡塑性區(qū)貫通，與數(shù)值模擬結(jié)果中的位移結(jié)果一致，如圖5所示。

2)滑動(dòng)面。在邊坡穩(wěn)定性分析中，需要確定滑動(dòng)面的位置。從位移等值線云圖可以清楚地判斷滑動(dòng)面的位置。從中可看出，滑動(dòng)面大致呈圓弧狀，通過(guò)邊坡坡腳點(diǎn)?；瑒?dòng)面圓弧半徑為30.25 m左右。滑動(dòng)面到坡面最大垂直深度約為6.87 m。

3 加固措施

該實(shí)例工程中邊坡存在裂縫和滑坡跡象，具有一定的危險(xiǎn)性，且該邊坡排水性能不佳，因此提出如下預(yù)加固方案：1)清除隧道進(jìn)口和出口截水溝后面片石護(hù)坡表面的青苔和雜草，建議對(duì)片石表面出現(xiàn)的裂縫進(jìn)行重新修復(fù)和加固，第一級(jí)邊坡進(jìn)行網(wǎng)格梁護(hù)坡或掛網(wǎng)噴漿處理，網(wǎng)格梁之間采用漿砌片石砌筑，加強(qiáng)邊坡的整體性；2)疏浚隧道口上漿砌片石截水溝里面過(guò)水口，清除溝內(nèi)落葉，對(duì)漿砌片石表面存在的裂縫和孔洞進(jìn)行重新修復(fù)和加固，加強(qiáng)其排水功能；尤其是在降雨的天氣，要進(jìn)行雨中重點(diǎn)巡查；3)對(duì)隧道出口裸露圍巖剝落較嚴(yán)重的地方進(jìn)行掛網(wǎng)噴漿，保證行車安全；隧道洞口出現(xiàn)的開裂處著重修復(fù)，防止隧道襯砌滲水。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合工程實(shí)例分析考慮了動(dòng)態(tài)載荷和強(qiáng)度折減法對(duì)隧道邊坡安全系數(shù)的影響。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)地形數(shù)據(jù)建立的數(shù)值模型計(jì)算，得到邊坡的安全系數(shù)，滑動(dòng)面圓弧半徑，和滑動(dòng)面到坡面最大垂直深度分別為1.031 m，30.25 m和6.87 m。

最后考慮到該邊坡地質(zhì)參數(shù)離散性及強(qiáng)降雨等不利因素，和該實(shí)例工程中邊坡存在裂縫和滑坡跡象，具有一定的危險(xiǎn)性，針對(duì)該邊坡提出了合理的建議和加固方案，并且在加固后的邊坡穩(wěn)定性顯著提高。

[1] Zou Jinfeng, Su Yu. Theoretical Solutions of a Circular Tunnel with the Influence of the Out-of-Plane Stress based on the Generalized Hoek-Brown Failure Criterion.International Journal of Geomechanics(ASCE),2015(DOI:10.1061/(ASCE) GM.1943-5622.0000547).

[2] Zou Jinfeng, Li Shuaishuai. Theoretical solution for displacement and stress in strain-softening surrounding rock under hydraulic-mechanical coupling. Science China Technological Sciences,2015,58(8):1401-1413(DOI:10.1007/s11431-015-5885-1).

[3] 鄒金鋒，李帥帥，張 勇，等.考慮軸向力和滲透力時(shí)軟化圍巖隧道解析.力學(xué)學(xué)報(bào)，2014,46(5):747-755.

[4] Zou Jinfeng, Li Shuaishuai, Xu Yuan, et al. Theoretical Solutions for a Circular Opening in an Elastic-brittle-plastic Rock Mass Incorporating the Out-of-plane Stress and Seepage Force.KSCE Journal of Civil Engineering,2015(DOI:10.1007/s12205-015-0789-y).

[5] 趙建軍.公路邊坡穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)方法及應(yīng)用研究.成都：成都理工大學(xué),2007.

[6] 陳國(guó)慶,黃潤(rùn)秋,石豫川,等.基于動(dòng)態(tài)和整體強(qiáng)度折減法的邊坡穩(wěn)定性分析.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2014(2):243-256.

[7] 馬建勛,賴志生,蔡慶娥,等.基于強(qiáng)度折減法的邊坡穩(wěn)定性三維有限元分析.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004(16):2690-2693.

Analysis on tunnel slope stability considering the permeability and dynamic load

Zhang Heng

(GuizhouHighwayBureau,Guiyang550003,China)

Combining with a tunnel engineering example, this paper established the numerical simulation according to the engineering site measured geological parameters, based on the strength subtraction method, calculated the tunnel slope safety factor considering dynamic load, aimed at the slope problem put forward the reinforcement measures at the same time, pointed out that the slope stability increased significantly after reinforcement.

tunnel slope, safety coefficient, dynamic load, permeability

2015-09-17

張 恒(1975- )，男，高級(jí)工程師

1009-6825(2015)33-0167-02

U455.5

A