魏小楠

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司， 貴州 貴陽(yáng) 550081)

1 引言

已有邊坡穩(wěn)定性分析方法有強(qiáng)度折減有限元分析方法、極限平衡法、條分法等，這些方法均假定滑裂面整體達(dá)到臨界狀態(tài)，即建立在極限狀態(tài)之上。而現(xiàn)有研究表明：邊坡的破壞實(shí)際上是漸變的過(guò)程，傳統(tǒng)邊坡研究方法將邊坡視為整體靜態(tài)來(lái)進(jìn)行研究的假設(shè)與實(shí)際不符。針對(duì)邊坡漸進(jìn)性破壞，劉忠玉等考慮土體的流變效應(yīng)，通過(guò)推廣不平衡推力法，提出了邊坡漸進(jìn)性破壞力學(xué)模型，進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，并發(fā)現(xiàn)邊坡安全系數(shù)隨時(shí)間變化而逐漸減?。稽S偉等針對(duì)雪峰山露天礦多滑面邊坡特點(diǎn)，建立以極限平衡為基礎(chǔ)的功能函數(shù)和模糊可靠度算法，并對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析；宋東日等針對(duì)山區(qū)牽引式滑坡，提出3種具體的邊坡破壞機(jī)制，并對(duì)加固措施進(jìn)行了探討；肖超等對(duì)開(kāi)挖與降雨作用下的邊坡失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行了分析，表明邊坡的破壞是一個(gè)漸進(jìn)性破壞過(guò)程，雨水入滲是深層滑動(dòng)面的誘發(fā)因素；張平等從裂隙巖石破壞漸進(jìn)性過(guò)程以及破壞機(jī)制出發(fā)，提出漸進(jìn)性破壞模式理論公式，并對(duì)已建立的漸進(jìn)破損模型進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證；王庚蓀提出了新的接觸單元，模擬邊坡的漸進(jìn)性破壞過(guò)程并進(jìn)行穩(wěn)定性分析，表明考慮漸進(jìn)性破壞過(guò)程求得的穩(wěn)定性系數(shù)比不考慮漸進(jìn)性破壞過(guò)程的有限元分析所得安全系數(shù)要小5%～10%。在此基礎(chǔ)上，王庚蓀等提出含剪切帶單元模型，模擬了漸進(jìn)性破壞過(guò)程并進(jìn)行參數(shù)分析，表明巖土體的強(qiáng)度參數(shù)對(duì)滑動(dòng)面形跡影響較小，但對(duì)安全系數(shù)影響較大。

該文以貴州某開(kāi)挖路塹高邊坡為工程背景，針對(duì)其易發(fā)生累進(jìn)式的牽引滑動(dòng)變形特點(diǎn)，綜合考慮巖土體材料的應(yīng)變軟化特性，基于數(shù)值分析軟件模擬邊坡由于坡腳開(kāi)挖誘發(fā)的漸進(jìn)性失穩(wěn)過(guò)程。并對(duì)坡腳開(kāi)挖誘發(fā)超高路塹邊坡失穩(wěn)進(jìn)行失穩(wěn)特性分析，研究邊坡安全系數(shù)在坡腳開(kāi)挖誘發(fā)的邊坡失穩(wěn)過(guò)程中的變化規(guī)律。

2 工程背景

某路塹邊坡，地層為上覆第四系殘坡積層含碎石粉質(zhì)黏土及碎石土。下伏基巖為二疊系龍?zhí)督M砂巖、泥巖、夾層煤；二疊系飛仙關(guān)組粉砂質(zhì)泥巖、間夾一層灰?guī)r。原設(shè)計(jì)為4級(jí)邊坡，最大挖高38.5 m，軸線(xiàn)最大挖高28.9 m，邊坡開(kāi)挖至第2級(jí)坡面時(shí)，在2、3級(jí)坡中部出現(xiàn)蠕滑剪出的裂縫，同時(shí)坡口外出現(xiàn)裂縫。邊坡出現(xiàn)蠕滑變形后，對(duì)坡面防護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，放緩邊坡進(jìn)行清方減載，原4級(jí)邊坡變?yōu)?級(jí)坡。第1級(jí)邊坡抗滑樁在挖孔過(guò)程中出現(xiàn)塌孔，最遠(yuǎn)處裂縫距離第5級(jí)邊坡坡頂120 m。第3級(jí)邊坡拱形骨架出現(xiàn)了坍塌，整段邊坡向路基方向滑移。該路塹邊坡斷面及地層巖性如圖1所示。

圖1 路塹邊坡橫斷面及地層巖性

3 坡腳開(kāi)挖誘發(fā)路塹邊坡失穩(wěn)特性分析

3.1 開(kāi)挖施工誘發(fā)滑坡破壞穩(wěn)定性分析

考慮到該依托工程邊坡變形穩(wěn)定特性與坡角分級(jí)開(kāi)挖施工密切相關(guān)，在開(kāi)挖坡角臺(tái)階邊坡的各個(gè)階段均表現(xiàn)出了不同的穩(wěn)定狀態(tài)，此處首先基于傳統(tǒng)穩(wěn)定性分析原理，對(duì)坡腳分級(jí)開(kāi)挖過(guò)程中的邊坡穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行研究；即假定巖土體抗剪強(qiáng)度特征未受應(yīng)變軟化特性影響，分析與之對(duì)應(yīng)的分級(jí)開(kāi)挖施工條件下的邊坡安全系數(shù)。采用FLAC3D內(nèi)嵌強(qiáng)度折減法對(duì)分級(jí)開(kāi)挖邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，得到邊坡安全系數(shù)與開(kāi)挖邊坡級(jí)數(shù)見(jiàn)圖2。

圖2 安全系數(shù)隨開(kāi)挖級(jí)數(shù)變化

從圖2中可以看出：① 未考慮巖土體材料應(yīng)變軟化特性條件下，邊坡安全系數(shù)隨開(kāi)挖級(jí)數(shù)的增大而不斷減小；② 傳統(tǒng)強(qiáng)度折減技術(shù)均假定開(kāi)挖過(guò)程為靜態(tài)過(guò)程，獲求的是邊坡每一施工工序最終的安全系數(shù)特性，且?guī)r土材料強(qiáng)度特性維持不變，這與依托工點(diǎn)邊坡蠕滑特性不一致。因此有必要進(jìn)一步引入巖土材料應(yīng)變軟化特性進(jìn)行邊坡漸進(jìn)性失穩(wěn)特性分析。

3.2 巖土體漸進(jìn)式破壞力學(xué)特性分析

高路塹邊坡失穩(wěn)主要是因?yàn)殡S著開(kāi)挖量的增加，坡腳關(guān)鍵阻滑塊體缺失，誘發(fā)坡體開(kāi)挖應(yīng)力釋放，土應(yīng)力急劇調(diào)整，巖土體屈服變形，邊坡穩(wěn)定性降低。當(dāng)塑性區(qū)逐漸衍生至完全貫通時(shí)，邊坡整體失穩(wěn)。已有文獻(xiàn)表明：巖土體漸進(jìn)式破壞主要表現(xiàn)在空間位置上滑裂面的參數(shù)劣變是逐步產(chǎn)生發(fā)展的，滑面上各位置的參數(shù)存在差異性以及時(shí)間上滑裂面上強(qiáng)度參數(shù)隨漸進(jìn)演化發(fā)展呈現(xiàn)不同的速率劣變。

4 考慮巖土應(yīng)變軟化特性的路塹邊坡漸進(jìn)性破壞機(jī)理

4.1 巖土應(yīng)變軟化特性分析

邊坡破壞過(guò)程實(shí)質(zhì)上是滑裂面上強(qiáng)度參數(shù)劣變過(guò)程。FLAC3D內(nèi)嵌應(yīng)變軟化模型實(shí)質(zhì)上是摩爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則中強(qiáng)度參數(shù)與相應(yīng)軟化應(yīng)變參數(shù)建立的函數(shù)關(guān)系。

摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則：

(1)

式中：σ1、σ2、σ3為3個(gè)主應(yīng)力，且σ1≤σ2≤σ3。

屈服函數(shù)：

(2)

ft=σ3-σt=0

(3)

對(duì)于坡體來(lái)說(shuō)，剪切與拉伸勢(shì)函數(shù)如下：

(4)

gt=-σ3

(5)

式中：ψ為剪脹角。

在應(yīng)變軟化模型中，強(qiáng)度參數(shù)與軟化參數(shù)(圖3)之間的關(guān)系表達(dá)式如下：

(6)

(7)

式中：cp為峰值黏聚力；cr為殘余黏聚力；φp為峰值內(nèi)摩擦角；φr為殘余內(nèi)摩擦角；ηp為峰后軟化開(kāi)始時(shí)的軟化參數(shù)；ηr為軟化結(jié)束進(jìn)入殘余階段時(shí)的軟化參數(shù)。

等效塑性剪應(yīng)變?cè)隽浚?/p>

(8)

圖3 強(qiáng)度參數(shù)變化示意圖

4.2 路塹邊坡漸進(jìn)性破壞機(jī)理分析

4.2.1 巖土材料特性及數(shù)值建模

為保證該文數(shù)值建模的合理以及可靠性，首先通過(guò)Auto CAD輸出的圖形交互文件，導(dǎo)入Midas建立對(duì)應(yīng)的邊坡網(wǎng)格模型。再通過(guò)Midas_to_FLAC3D接口程序，生成FLAC3D模型。模型邊界為左、右側(cè)面邊界采用水平約束，底面邊界采用水平、垂直全約束。

根據(jù)邊坡數(shù)值建模與實(shí)際邊坡各開(kāi)挖階段邊坡破壞特征與安全系數(shù)一致性要求，基于滑坡極限狀態(tài)分析以及滑裂面位置，對(duì)背景工程坡體強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行反演分析。參考相關(guān)文獻(xiàn)，該節(jié)選取設(shè)計(jì)報(bào)告中的強(qiáng)度參數(shù)，綜合確定了各巖土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 計(jì)算模型參數(shù)取值

4.2.2 路塹邊坡漸進(jìn)性破壞數(shù)值分析

路塹高邊坡漸進(jìn)性破壞時(shí)由于坡腳開(kāi)挖，致使開(kāi)挖應(yīng)力釋放，巖土體應(yīng)力狀態(tài)重新調(diào)整，產(chǎn)生塑性屈服、應(yīng)變累積以及卸荷松動(dòng)，邊坡穩(wěn)定狀態(tài)降低，當(dāng)塑性區(qū)延伸擴(kuò)展至貫通時(shí)，邊坡失穩(wěn)。利用FLAC3D內(nèi)嵌應(yīng)變軟化模型，對(duì)原始坡體以及5次刷坡坡體分別進(jìn)行了模擬分析，得到其塑性區(qū)演變過(guò)程。

從演變過(guò)程可知：邊坡開(kāi)挖初期(第1、2次刷坡)，即邊坡上端的坡體少量開(kāi)挖，對(duì)天然穩(wěn)定狀態(tài)的斜坡應(yīng)力狀態(tài)改變較小，邊坡整體仍能維持平衡，土體中未形成塑性區(qū)。隨著開(kāi)挖量的增加，坡腳出現(xiàn)應(yīng)力集中，坡腳處出現(xiàn)塑性屈服，塑性區(qū)隨著開(kāi)挖量的增加不斷向上延伸。當(dāng)邊坡臨近極限狀態(tài)時(shí)，即進(jìn)行第5次刷坡時(shí)，塑性區(qū)迅速貫通，邊坡整體失穩(wěn)。

圖4為第5次刷坡考慮應(yīng)變軟化的邊坡塑性區(qū)隨開(kāi)挖時(shí)步的變化圖，在軟化初期，坡腳處出現(xiàn)張拉屈服以及剪切屈服，隨著時(shí)步的增大，剪切塑性區(qū)不斷延伸，坡頂以及坡體表面出現(xiàn)張拉屈服，坡體表面產(chǎn)生裂縫，這也與背景工程整體失穩(wěn)時(shí)的裂縫出現(xiàn)位置相符。

圖5～7為考慮應(yīng)變軟化第5次刷坡時(shí)剪應(yīng)變?cè)隽?、滑裂面?qiáng)度參數(shù)黏聚力以及內(nèi)摩擦角隨時(shí)步的變化。從圖5～7可以看出：邊坡的破壞其實(shí)質(zhì)上是由于滑裂面上強(qiáng)度參數(shù)的劣變，且參數(shù)的劣變發(fā)展規(guī)律與剪應(yīng)變?cè)隽康难由煲?guī)律一致，表明參數(shù)劣化與該處的剪應(yīng)變?cè)隽肯嚓P(guān)。

圖4 塑性區(qū)隨開(kāi)挖時(shí)步變化

圖5 剪應(yīng)變?cè)隽侩S開(kāi)挖時(shí)步變化

圖6 黏聚力值隨開(kāi)挖時(shí)步變化(單位：kPa)

圖7 內(nèi)摩擦角值隨開(kāi)挖時(shí)步變化[單位：(°)]

5 結(jié)論

基于邊坡漸進(jìn)性破壞的特點(diǎn)，考慮破壞時(shí)滑動(dòng)面上強(qiáng)度參數(shù)的應(yīng)變軟化特性，基于FLAC3D有限差分軟件平臺(tái)，分析坡腳開(kāi)挖誘發(fā)的高路塹邊坡的漸進(jìn)性破壞過(guò)程。得出以下結(jié)論：

(1) 高路塹邊坡的破壞是由于邊坡坡腳開(kāi)挖，導(dǎo)致坡腳阻滑塊體缺失，其實(shí)質(zhì)是由于滑裂面強(qiáng)度參數(shù)的劣變。

(2) 邊坡的失穩(wěn)是由局部變形累積、延伸直至貫通的整體破壞漸進(jìn)過(guò)程，在此漸進(jìn)性發(fā)展過(guò)程中，滑裂面上強(qiáng)度參數(shù)的折減速率與剪應(yīng)變?cè)隽坑嘘P(guān)。

(3) 隨著開(kāi)挖級(jí)數(shù)增大，邊坡穩(wěn)定狀態(tài)降低。邊坡漸進(jìn)性破壞的各階段具有不同的穩(wěn)定狀態(tài)和安全系數(shù)。