戴敏澤，孫淼軍，胡澤宇

(1.杭州市地鐵集團有限責任公司，浙江 杭州 310019；2.浙江華東建設工程有限公司，浙江 杭州 310010；3.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310010；4.新疆大學建筑工程學院，新疆 烏魯木齊 830047)

0 引 言

邊坡失穩(wěn)破壞造成的不良地質環(huán)境給人們的生產生活帶來非常嚴重的影響，而且還可能導致生態(tài)環(huán)境的失穩(wěn)和破壞，引起更大范圍和更加深遠的影響。節(jié)理巖體的強度和剛度遠遠低于完整巖石，因此對巖體優(yōu)勢節(jié)理的重要特性進行系統(tǒng)研究十分重要[1- 4]。在工程實際中，通常用赤平投影法和數值模擬法分析巖質邊坡的穩(wěn)定性[5-10]，其中數值模擬法可以很好地將邊坡的變形響應和力學響應特征展現出來。國內學者對這方面的關注度也越來越高，通過采用數值模擬并結合工程實例的方法進行研究。朱繼良[11]采用3DEC軟件對巖石高邊坡開挖過程中的力學響應進行了研究。韓萬東等[12]采用FLAC3D對邊坡的穩(wěn)定性及應力和位移分布特征進行了研究。以上研究成果為邊坡治理提供了理論依據。但目前大多數研究都側重于理論方面的研究，對工程中遇到的一些實際問題的研究還不夠充分。為此，本文運用數值模擬法并結合工程實例，在考慮工程擾動的情況下，研究優(yōu)勢節(jié)理的幾何特征對巖質邊坡變形的影響，可為其他類似工程提供參考。

1 項目概況

以西南某巖質邊坡為例，坡高42.96 m，未開挖前實際坡長為91.52 m。前期挖方邊坡采用1∶1坡率進行分級開挖，分級高度為8 m，每2級開挖邊坡之間設置1道寬為2 m的馬道平臺。第1級由設計開挖點向下開挖8 m，然后進行邊坡支護，待支護完成后再進行第2級開挖。該處邊坡的土層共3層。為簡化計算，土層被簡化為厚度均勻的3層，分別為第1層紅黏土、第2層強風化灰?guī)r、第3層中風化灰?guī)r。其中，第1層厚為4.2 m，第2層厚為5.5 m，以下土層皆為中風化灰?guī)r。邊坡現場見圖1。

圖1 邊坡現場

2 模擬方案

2.1 離散元軟件分析

通用離散元程序(UDEC)是一款利用顯式解題方案為巖土工程提供精確有效分析的工具。顯式解題方案可以為不確定的物理過程給出較為準確的解，同時還能夠模擬巖體的失效過程。該軟件十分適用于模擬巖體節(jié)理系統(tǒng)和非連續(xù)塊體集合系統(tǒng)在靜力荷載或動力荷載條件下的響應，是對巖體節(jié)理進行數值模擬的非常有效的方法。

采用UDEC離散元軟件對工程中的邊坡進行建模，主要從塊體模型和節(jié)理模型2個方面考慮，塊體模型采用的是M-C模型，節(jié)理模型采用的是庫侖滑動模型(完全彈塑性)。根據已有工程地質資料和施工資料，給出M-C模型的巖土體物理力學參數(見表1)以及庫侖滑動模型節(jié)理參數(見表2)。

表1 巖土體物理力學參數

表2 節(jié)理參數

由于項目區(qū)地表水系不發(fā)育，區(qū)內未見河流、塘、堰等地表水體分布，地下水則認為已做降水處理，故本次模擬過程中不考慮地下水的影響，同時不考慮邊坡周邊的建筑物荷載。選取的邊坡開挖深度為16 m，橫向開挖寬度為51.78 m。通過參考其他研究人員的建模經驗，模型寬度橫向取91.52 m，豎向高度取43 m，使邊坡模型在模擬開挖過程中符合工程實際[13-14]。邊坡開挖前的邊坡二維數值模型見圖2。

圖2 邊坡二維數值模型示意

通過UDEC軟件模擬邊坡的形狀、節(jié)理以及土層的分層情況，土層共有3層，節(jié)理傾角為26°。在模擬過程中，巖土體只考慮重力影響。模型邊界條件見圖3。在模型的左右兩側施加橫向約束限制其水平位移，在模型底部施加豎向約束限制其豎向位移。

圖3 模型邊界條件

2.2 位移分析

選取模型中坡頂位置為監(jiān)測點，并記錄監(jiān)測點豎直方向的位移數據，得到模型的總位移矢量(見圖4)及測點處的豎向位移(見圖5)。從圖4可以看出，邊坡模型初始狀況下，邊坡坡頂處于穩(wěn)定狀態(tài)。在工程開挖的過程中，每開挖1層就會導致坡頂的位移增大。且模型出現了順層滑移型破壞，在開挖完成之后，第1層留下的臺階也發(fā)生了滑移破壞，這是因為模擬是在無支護的條件下進行邊坡開挖。從圖5可以看出，坡頂位移的變化是由于開挖擾動的影響，每次開挖擾動都會使位移有一個顯著的增長，坡頂處監(jiān)測點豎直方向的位移模擬值為1.92 mm。

圖4 邊坡總位移矢量

圖5 測點處豎直方向的位移

模擬完成后的邊坡位移見圖6。從圖6可以看出，水平方向的位移主要發(fā)生第2開挖臺階的邊角處2.7～10.1 m范圍內和坡頂下方6.4 m處的裂縫處距邊界6.02～30.9 m范圍內。豎直方向的位移主要集中在坡頂附近15.3 m范圍內發(fā)生順層滑移型破壞的部位和第2開挖臺階的邊角處2.7～10.1 m范圍內，其他部分位移較小。產生這種現象的原因是邊坡模型在開挖過程中產生了下部臨空面，而且其優(yōu)勢節(jié)理傾角角度相對較大，最終導致邊坡出現滑移破壞。

圖6 模擬完成后的邊坡位移

2.3 應力分析

模擬完成后的應力云圖見圖7。從圖7可以看出，水平方向應力的特點在于應力在節(jié)理的兩側發(fā)生變化，這是因為節(jié)理造成的應力不連續(xù)性，且在坡頂下方23.1 m處發(fā)生了明顯的調整，由拉應力變成了壓應力，深度為43.2 m處為400 kPa，邊坡的坡腳下方20.12 m處的土層受到較大的水平應力，為800 kPa。豎直方向應力在坡頂下方25.5 m處為500 kPa，再向下21.8 m處為1 000 kPa，基本上是隨著深度的增長而逐步增長，符合工程規(guī)律。

圖7 邊坡開挖后的應力云圖

3 模擬結果分析

本文在其他參數不變的條件下，節(jié)理傾角θ分別取15°、30°、60°和90°，提取測點數據，分析優(yōu)勢節(jié)理的傾角θ對邊坡變形響應的影響。最終得到在不同節(jié)理傾角模型中測點處豎向位移(見圖8)和位移數值擬合曲線(見圖9)。從圖8可以看出，隨著節(jié)理傾角θ的變化，測點處的豎向位移也發(fā)生了變化。θ=15°時最大豎向位移為0.8 mm；θ=30°時最大豎向位移為1.6 mm；θ=60°時最大豎向位移為0.98 mm；θ=90°時最大豎向位移為0.25 mm。從圖9可知，隨著節(jié)理傾角與邊坡坡角的比值由小到大，在坡頂固定位置的位移先增大后減小，節(jié)理傾角與邊坡坡角的比值接近0.65時達到了峰值。

圖8 不同節(jié)理傾角測點處邊坡豎直方向的位移

圖9 測點處豎向位移擬合曲線

從上述結論可以看出，原邊坡模型節(jié)理傾角與邊坡夾角的比值為0.48處于一個較為危險的狀態(tài)，在開挖過程中會因為下部臨空面的產生而發(fā)生滑移破壞。建議在開挖過程中采用支擋結構(擋土墻、抗滑樁等)，防止邊坡破壞。

4 結 語

本文基于工程實例，運用數值模擬的方法，對優(yōu)勢節(jié)理控制下的巖質邊坡的變形響應進行了研究，得出以下結論：

(1)邊坡模型最終出現順層滑移破壞，坡頂的監(jiān)測點的位移每次開挖時都會發(fā)生明顯變化，最終模擬值為1.92 mm。邊坡模型水平方向的位移主要發(fā)生在第2開挖臺階的邊角處2.7～10.1 m范圍內和坡頂下方6.4 m處的裂縫處距邊界6.02～30.9 m范圍內。豎直方向的位移主要集中在坡頂附近15.3 m范圍內發(fā)生順層滑移型破壞的部位和第2開挖臺階的邊角處2.7～10.1 m范圍內。

(2)隨著節(jié)理傾角與邊坡坡角的比值由小到大，坡頂固定位置的位移值先增大后減小，節(jié)理傾角與邊坡坡角的比值接近于0.65左右時邊坡的變形最大。

(3)邊坡在開挖過程中因為下部臨空面的產生而發(fā)生滑移破壞，建議在開挖過程中采用支擋結構(擋土墻、抗滑樁等)，防止邊坡破壞。