葉智英，王 朦，梅松華，林孟源，肖擁軍

（1.浙江長(zhǎng)征職業(yè)技術(shù)學(xué)院，淅江 杭州 310023；2.湖南科技大學(xué)，湖南 湘潭 411201；3.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014）

目前邊坡穩(wěn)定性分析主要是基于平面應(yīng)變展開(kāi)的二維分析，而實(shí)際工程中許多邊坡地質(zhì)條件復(fù)雜、開(kāi)挖寬度有限，二維分析得到的結(jié)果與實(shí)際情況存在較大出入。相比二維分析，三維分析可直觀判斷邊坡破壞性質(zhì)［1］，得到更準(zhǔn)確、更符合實(shí)際的分析結(jié)果。目前邊坡穩(wěn)定的三維分析廣泛采用三維極限平衡法。三維有限元強(qiáng)度折減法與傳統(tǒng)三維極限平衡法中“條柱法”的思路完全不同，它能夠得出更符合實(shí)際情況的計(jì)算結(jié)果，并且可以得到坡體內(nèi)應(yīng)力、變形分布及滑動(dòng)趨勢(shì)等信息，對(duì)復(fù)雜模型更具優(yōu)勢(shì)［2－7］。

本文建立某長(zhǎng)江大橋高峰岸錨碇基礎(chǔ)邊坡的三維地質(zhì)概化模型，對(duì)其高峰岸錨碇基礎(chǔ)邊坡的實(shí)際施工過(guò)程進(jìn)行了有限元分析，詳細(xì)分析了邊坡在錨碇施工、運(yùn)行過(guò)程中的應(yīng)力變形規(guī)律，并根據(jù)需要針對(duì)錨碇基礎(chǔ)邊坡提出了處理措施，可為大橋兩岸邊坡的設(shè)計(jì)方案和工程施工提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

某長(zhǎng)江大橋高峰岸錨碇區(qū)位于斜坡中部地帶，地面分布高程210～240 m，地表土層為塊石土，土層厚度0.9～3.2 m。下伏中風(fēng)化基巖巖體較完整，為沙溪廟組砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖，錨碇區(qū)基坑開(kāi)挖后，邊坡主要出現(xiàn)在西側(cè)、北側(cè)、東側(cè)及南側(cè)，邊坡高度12.0～44.1 m，主要為泥巖和砂巖組成的巖質(zhì)邊坡，上覆少量塊石土。在錨碇基坑開(kāi)挖過(guò)程中，開(kāi)挖最大坡度約73°（垂直于橋軸線方向），因開(kāi)挖卸荷的影響，基坑上部的覆蓋層可能發(fā)生滑動(dòng)破壞；因高峰岸錨碇基礎(chǔ)大部分位于中風(fēng)化泥巖中（見(jiàn)圖1），其單軸飽和抗壓強(qiáng)度為5.65 MPa，強(qiáng)度較低，而受地形影響，高峰岸基坑開(kāi)挖邊坡較陡，高度大，開(kāi)挖范圍大，且單側(cè)臨空，這些因素都可能導(dǎo)致基坑邊坡整體滑動(dòng)。開(kāi)挖后在基坑?xùn)|側(cè)形成順層層面，可能沿巖層層面發(fā)生破壞。大橋修建后，在錨碇水平力作用下可能會(huì)引起上部泥巖的局部滑動(dòng)破壞。

圖1 高峰岸錨碇基礎(chǔ)邊坡地質(zhì)剖面圖

2 三維有限元分析

2.1 錨碇基礎(chǔ)邊坡三維計(jì)算模型

三維計(jì)算模型依據(jù)大橋錨碇基礎(chǔ)邊坡的工程地質(zhì)圖及錨碇設(shè)計(jì)方案確定。場(chǎng)地巖層走向一致，基本平行，模型按照巖層的總體產(chǎn)狀，將巖層分界面簡(jiǎn)化為平面。由于錨碇的上部結(jié)構(gòu)對(duì)基坑穩(wěn)定性沒(méi)有影響，模型中錨碇上部結(jié)構(gòu)完全簡(jiǎn)化。

計(jì)算模型坐標(biāo)系：平行橋軸線方向?yàn)閤軸，以指向高峰岸方向?yàn)檎淮怪睒蜉S線方向?yàn)閥軸，以向北偏東向延伸為正；豎直方向?yàn)閦軸，向上為正。邊坡地層分界面以相應(yīng)的地質(zhì)剖面圖為參照；以錨碇基坑底面中心為原點(diǎn)。

計(jì)算模型范圍：錨碇基礎(chǔ)建模，以錨碇基坑中心為原點(diǎn)，向4個(gè)方向各擴(kuò)展250 m，即計(jì)算模型面積為500 m×500 m。模型底面從Z＝0.0 m起取至底面標(biāo)高。在三維模型概化時(shí)，考慮到強(qiáng)風(fēng)化線埋深較淺，將覆蓋層和強(qiáng)風(fēng)化層合并考慮，覆蓋層厚度概化為5 m。高峰岸三維模型共劃分單元180 839個(gè)、節(jié)點(diǎn)64 789個(gè)。模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 高峰岸三維模型網(wǎng)格劃分

邊界約束條件：地表面自由，無(wú)任何約束；底面固定，剩余各面受法向位移約束。

三維計(jì)算結(jié)果中，以拉應(yīng)力為正、壓應(yīng)力為負(fù)；各圖表中未特別說(shuō)明時(shí)，應(yīng)力單位均為Pa，位移單位均為m。

2.2 邊坡巖體力學(xué)參數(shù)取值

目前Hoek?Brown準(zhǔn)則是在國(guó)際上得到廣泛應(yīng)用的巖體強(qiáng)度準(zhǔn)則之一，利用GSI（地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)）法確定巖體的Hoek?Brown準(zhǔn)則參數(shù)快捷、方便，但也有一些缺陷，如GSI的兩個(gè)參數(shù)指標(biāo)不能定量、GSI值的確定存在一定主觀性等［8］。針對(duì)GSI方法存在的缺陷，文獻(xiàn)［9］提出了基于巖體體積節(jié)理數(shù)（J v）的巖體結(jié)構(gòu)評(píng)分（structure rating，SR）和基于粗糙度、風(fēng)化和充填評(píng)分的結(jié)構(gòu)面表面特征評(píng)分（surface condition rating，SC R）兩項(xiàng)指標(biāo)的改進(jìn)GSI方法。

J v值根據(jù)節(jié)理統(tǒng)計(jì)結(jié)果按下式計(jì)算［10］：

式中J v為巖體體積節(jié)理數(shù)，條／m3；S l i（i＝1，2，…，n）為第i組節(jié)理每米長(zhǎng)度上的條數(shù)；S0為每立方米巖體非成組節(jié)理?xiàng)l數(shù)。

結(jié)構(gòu)面表面特征評(píng)分SCR根據(jù)下式計(jì)算［9］：

式中Rr、Rw、Rf分別為結(jié)構(gòu)面粗糙度、風(fēng)化度和充填度評(píng)分。其評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 SCR評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

基于J v獲取巖體結(jié)構(gòu)評(píng)分SR［9］，分析巖體結(jié)構(gòu)面特征評(píng)分，得到SCR，再由SCR確定GSI值，從而確定巖體強(qiáng)度參數(shù)。如圖3所示。

圖3 改進(jìn)GSI方法

圖3 （a）中B、VB、BD、D分別表示塊狀結(jié)構(gòu)、鑲嵌結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)／擾動(dòng)／裂縫以及散體結(jié)構(gòu)；圖3（b）中數(shù)值10～80為相應(yīng)的GSI值。綜合考慮大橋詳勘階段試驗(yàn)成果，通過(guò)工程類比及改進(jìn)的GSI方法對(duì)該區(qū)域長(zhǎng)江邊坡巖土體計(jì)算參數(shù)綜合分析，確定邊坡巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 高峰岸邊坡穩(wěn)定分析計(jì)算參數(shù)取值

2.3 強(qiáng)度折減法原理

強(qiáng)度折減法的原理為：取一折減系數(shù)Fs，將邊坡巖土體的強(qiáng)度指標(biāo)c、φ采用式（3）～（4）進(jìn)行折減，得到一組新的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c′、φ′，然后在荷載保持不變的條件下采用新的一組抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c′、φ′分析邊坡的穩(wěn)定性；依次類推，不斷增加Fs值，折減巖土體強(qiáng)度指標(biāo)，分析邊坡穩(wěn)定性；直到某一折減強(qiáng)度指標(biāo)下邊坡達(dá)到失穩(wěn)狀態(tài)，上一級(jí)強(qiáng)度指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)即為邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)。

3 模擬結(jié)果及分析

分別對(duì)自然狀態(tài)、自然狀態(tài)＋地震、基坑開(kāi)挖、運(yùn)行期、運(yùn)行期＋地震、運(yùn)行期＋暴雨共6個(gè)工況下的自然狀態(tài)、基坑開(kāi)挖、運(yùn)行期進(jìn)行應(yīng)力變形分析，對(duì)每種工況計(jì)算安全系數(shù)。

3.1 邊坡變形破壞形式

采用強(qiáng)度折減法，分析不同工況下大橋高峰岸錨碇基礎(chǔ)邊坡的穩(wěn)定性，并取地勘報(bào)告附平面圖中高峰岸垂直于橋軸線32－32地質(zhì)剖面圖，分析其破壞形式及潛在滑裂面剪應(yīng)變?cè)隽糠植?，?jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4～5。由于其坡度較大，泥巖范圍較大，邊坡破壞形式除表面覆蓋層發(fā)生破壞外，在泥巖內(nèi)部剪應(yīng)變?cè)隽恳脖容^明顯。從圖4可見(jiàn)，基坑?xùn)|北側(cè)，靠近模型邊界處覆蓋層內(nèi)剪應(yīng)變?cè)隽枯^大，此處為危險(xiǎn)潛在滑裂面。從圖5可見(jiàn)，除表層覆蓋層外，由于坡度較陡，自然狀態(tài)在邊坡內(nèi)部產(chǎn)生了近圓弧形式的滑動(dòng)趨勢(shì)，潛在滑裂面位于錨碇下方。在開(kāi)挖和運(yùn)行工況下，這種滑動(dòng)趨勢(shì)更加明顯，潛在滑裂面向上幾乎貫通到地表，與極限平衡分析結(jié)果比較吻合。

圖4 整體剪應(yīng)變分布圖

圖5 32－32剖面剪應(yīng)變分布圖

3.2 安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

對(duì)大橋高峰岸錨碇基礎(chǔ)邊坡分別進(jìn)行了二維極限平衡分析、三維強(qiáng)度折減法穩(wěn)定性分析，兩種分析方法計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可以看出，兩種方法分析的結(jié)果規(guī)律比較一致，三維強(qiáng)度折減法計(jì)算的安全系數(shù)明顯高于極限平衡分析法，主要原因是二維模型同地質(zhì)剖面非常接近；而三維模型考慮整體更為全面，具體計(jì)算剖面和二維模型并不完全一致；另外最主要的原因是三維條件下邊坡巖土體受三維空間約束作用，巖土體間相互影響而導(dǎo)致其計(jì)算結(jié)果比極限平衡分析結(jié)果大，符合一般規(guī)律。

3.3 有限元模擬結(jié)果分析

3.3.1 自然狀態(tài)下的穩(wěn)定性

高峰岸邊坡為緩傾逆向坡，層面穩(wěn)定性較好，但地形坡度較陡，容易沿覆蓋層內(nèi)部發(fā)生局部滑動(dòng)。在錨碇基坑開(kāi)挖過(guò)程中，受開(kāi)挖卸荷的影響，基坑上部的覆蓋層可能發(fā)生滑動(dòng)破壞；因高峰岸錨碇基礎(chǔ)大部分位于中風(fēng)化泥巖中，基坑可能因巖體強(qiáng)度過(guò)低發(fā)生整體滑動(dòng)。大橋修建后，在錨碇水平力作用下可能會(huì)引起上部泥巖的整體滑動(dòng)破壞。

3.3.2 基坑開(kāi)挖狀態(tài)下的穩(wěn)定性

由于高峰岸錨碇結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，開(kāi)挖面積較大，應(yīng)力集中現(xiàn)象相對(duì)較輕，開(kāi)挖后基坑的整體變形趨勢(shì)是向上向臨空面回彈變形，由于自然坡面較大，且僅單側(cè)開(kāi)挖，基坑開(kāi)挖后整體位移除向上回彈外，還向開(kāi)挖卸荷方向變形，從基坑底板變形規(guī)律看，隨著開(kāi)挖的進(jìn)展，變形方向是向上向山體內(nèi)，最大綜合位移符合一般規(guī)律?；娱_(kāi)挖后，垂直橋軸線32－32剖面潛在滑裂面位于基坑后部巖體中，從基坑坡腳處剪出，安全系數(shù)為2.37，滿足邊坡設(shè)計(jì)要求。

3.3.3 運(yùn)行期狀態(tài)下的穩(wěn)定性

高峰岸基礎(chǔ)邊坡在運(yùn)行期間會(huì)施加主纜拉力，由于高峰岸錨碇單側(cè)臨空，基坑?xùn)|西兩側(cè)的巖體受力較大，塑性區(qū)范圍會(huì)擴(kuò)大，但影響深度主要在覆蓋層內(nèi)，對(duì)整體穩(wěn)定性影響較小。高峰岸錨碇基礎(chǔ)邊坡的計(jì)算剖面在運(yùn)行期及運(yùn)行期＋地震、暴雨的工況下，最低安全系數(shù)為2.03，滿足邊坡設(shè)計(jì)要求，且有一定安全裕度。

4 結(jié) 論

采用改進(jìn)的GSI方法確定邊坡巖體力學(xué)參數(shù)，基于有限元強(qiáng)度折減法建立某長(zhǎng)江大橋高峰岸錨碇基礎(chǔ)邊坡三維模型，模擬分析施工及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中該大橋高峰岸錨碇基礎(chǔ)邊坡變形特征及穩(wěn)定性，得到主要結(jié)論如下：

1）采用改進(jìn)的GSI方法確定邊坡巖體力學(xué)參數(shù)，考慮了開(kāi)挖方法對(duì)巖體擾動(dòng)的影響，其分析結(jié)果更符合工程實(shí)際。

2）三維有限元分析法可直觀顯示邊坡破壞形式和位置，便于定性判斷邊坡破壞特征。由于三維條件下邊坡巖土體受三維空間約束作用，巖土體間相互影響而導(dǎo)致其計(jì)算結(jié)果較極限平衡分析結(jié)果偏大，但符合一般規(guī)律。

3）該長(zhǎng)江大橋高峰岸邊坡在基坑開(kāi)挖、錨碇填筑、橋梁運(yùn)行階段各工況條件下，基礎(chǔ)邊坡穩(wěn)定性均可滿足設(shè)計(jì)要求。