基于UDEC的某公路順層邊坡優(yōu)化設(shè)計研究

張貴慶

(山西省水利水電勘測設(shè)計研究院,山西 太原 030024)

1 概述

隨著全國工程建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大,巖石邊坡特別是復(fù)雜地質(zhì)條件下的巖石高邊坡問題就成為一個熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題[1]。

巖體中的結(jié)構(gòu)面是降低巖體的強(qiáng)度和產(chǎn)生大變形的主要因素,尤其是緩傾角的結(jié)構(gòu)面和軟弱夾層對巖體的穩(wěn)定性起著絕對控制作用[2]。結(jié)構(gòu)面按其成因以及規(guī)模特點(diǎn)大致可分為斷層、層面、節(jié)理及裂隙等,對于天然的或人工開挖形成的邊坡,其變形特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)面的方位有著密切的關(guān)系。順層邊坡是指巖層走向和傾向一致的邊坡。實(shí)際工程中,常將走向與巖層走向夾角小于20°、層面傾向與邊坡傾向接近的邊坡視為順層邊坡[3]。順坡結(jié)構(gòu)面的存在及其特征對于邊坡的變形和破壞方式及規(guī)模具有決定性的控制作用。無論從位移、拉應(yīng)力區(qū)還是屈服區(qū)的分布特點(diǎn)來看,順坡結(jié)構(gòu)面在很大程度上削弱了巖體的穩(wěn)定性。

2 存在的問題

目前對于順層邊坡的破壞機(jī)理,破壞模式,巖移規(guī)律的研究取得了很大的進(jìn)展,針對不同的破壞模式,國內(nèi)不少學(xué)者提出了各自的計算方法[4-8]。在這些計算方法指導(dǎo)下對順層邊坡的防治與加固也取得了可喜的成績,然而對如何計算順層邊坡的安全系數(shù)的研究還不是很完善。邊坡破壞模式的研究是從破壞形態(tài)規(guī)律性的認(rèn)識開始的。順層邊坡的變形破壞模式有很多,按運(yùn)動方式分有平面旋轉(zhuǎn)滑動類、解體滑動類、層狀結(jié)構(gòu)漸進(jìn)破壞類、潰屈破壞類等。順層結(jié)構(gòu)面的存在對邊坡的變形破壞具有決定性的控制作用。從位移、拉應(yīng)力區(qū)和屈服區(qū)的分布特點(diǎn)來看,順層結(jié)構(gòu)面在很大程度上削弱了巖體的穩(wěn)定性。研究表明,對于順層邊坡,在進(jìn)行穩(wěn)定性評價時,選擇圓弧型滑坡模式或者折線進(jìn)行穩(wěn)定驗(yàn)算是很難得到正確的結(jié)果。

近年來通過工程實(shí)踐、數(shù)值計算分析、模擬試驗(yàn)方法,國內(nèi)外對于順層邊坡破壞模式、巖移機(jī)理等的研究已經(jīng)取得了一些成果,但這些經(jīng)驗(yàn)都有很大的局限性。在工程領(lǐng)域,在邊坡設(shè)計和穩(wěn)定性評價時,一般依據(jù)各向同性介質(zhì)理論,采用極限應(yīng)力法確定近似圓弧滑面,作為邊坡穩(wěn)定性計算和設(shè)計參數(shù)選擇的依據(jù)。但對于順層邊坡,破壞模式由順層結(jié)構(gòu)面控制,由于結(jié)構(gòu)面的復(fù)雜性用簡單的極限平衡法來分析穩(wěn)定性顯然是不適合的。在數(shù)值計算方面,通過有限元、離散元、流形元等方法對層狀邊坡的變形破壞機(jī)理進(jìn)行了研究,如結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度,層面傾向與邊坡傾向的關(guān)系,層面傾角等因素對變形破壞的影響,數(shù)值分析得出了一些有用的結(jié)論。然而邊坡穩(wěn)定受多方面的影響,而各因素又有不確定性(模糊性、隨機(jī)性、信息不完全性和未確定性)和復(fù)雜性,故無論是傳統(tǒng)的確定性分析方法還是不確定性方法,其用于邊坡穩(wěn)定性分析與實(shí)際情況仍有很大的差距,在巖質(zhì)邊坡中最為明顯。

3 某公路順層巖質(zhì)邊坡地質(zhì)概況

3.1 地形地貌

地貌單元屬構(gòu)造溶蝕低中山地貌類型,山頂高程一般945 m左右,路基標(biāo)高816 m左右,與設(shè)計路線高差130 m左右,自然坡角32°,植被較發(fā)育。

3.2 地質(zhì)構(gòu)造

此段未發(fā)現(xiàn)大的構(gòu)造現(xiàn)象,巖層產(chǎn)狀基本穩(wěn)定,產(chǎn)狀為326°～ 336°＜38°～40°,發(fā)育三組節(jié)理裂隙,①58°＜76°為區(qū)域性節(jié)理,密度 0.7 m/條 ～2.0 m/條;② 節(jié)理 210°＜62°,密度 1.5 m/條 ～ 2.5 m/條,基本無充填,節(jié)理①切割節(jié)理②;③節(jié)理產(chǎn)狀130°＜72°,間距 3 m ～ 5 m 。

3.3 地層巖性

基巖主要為三迭系嘉陵江組中厚層狀灰?guī)r,在K148+390～K148+440段,有泥灰?guī)r出露,該巖層厚度約20 m,表層以強(qiáng)風(fēng)化為主,局部有角礫灰?guī)r和炭質(zhì)灰?guī)r,巖性較軟弱,薄層、破碎穩(wěn)定性較差,其它主要為弱風(fēng)化中層層灰?guī)r,陜薄層灰?guī)r,局部薄層灰?guī)r有一定破度(約1 m)使其巖層面有小的波浪狀,灰?guī)r中有方解石脈較發(fā)育,巖層堅(jiān)硬,地表裂面粗糙,附黃色鐵錳質(zhì)薄膜及白色鈣質(zhì)薄膜。

3.4 水文地質(zhì)條件

地表水無匯聚條件,地下水主要是地表降水漫流后下滲的雨水,主要賦存于巖溶裂隙中的裂隙水,水文地質(zhì)條件比較簡單。

3.5 工程特性

根據(jù)實(shí)測,此處邊坡最大高度約60 m,坡比主要為1∶0.75,坡角大于巖層傾角,層滑動容易導(dǎo)致順層滑動。

4 邊坡巖體破壞模式及分析

4.1 灰?guī)r節(jié)理與層面的組合破壞

節(jié)理②基本平行坡面,與坡面形成小角度斜交,一般地切割多個層位,節(jié)理①基本垂直于路線走向,為區(qū)域性節(jié)理,貫穿長度大,它將坡面中的巖體分割成塊狀。因此該段邊坡潛在的失穩(wěn)模式有沿節(jié)理②的組合形成拉伸面,節(jié)理①將邊坡巖體兩端分隔,坡面巖體沿巖層面滑動,巖層面的強(qiáng)度為邊坡失穩(wěn)的控制強(qiáng)度。嘉陵江組灰?guī)r層面基本無軟弱夾層,但層間較平直,且容易在層間張開,因此層間抗剪強(qiáng)度為坡面的弱面強(qiáng)度,對邊坡巖體失穩(wěn)起控制因素的作用。結(jié)合邊坡巖特性和地形地貌特征,強(qiáng)降雨條件下,切方邊坡上的高自然邊坡,溫流下滲的地下水可在裂隙中形成一定水頭的靜水壓力,主要在坡體的中下部匯集,而坡體表面由于節(jié)理發(fā)育且張開無充填,地下水易沿裂隙面滲出,地下水對坡面的軟化作用不大,但其靜水壓力為向坡外的推力,不利于邊坡穩(wěn)定,可在邊坡的中下部有地下水滲出的漏頭附近布設(shè)坡面深層排水孔,減少地下水對坡面穩(wěn)定的負(fù)面作用。爆破振動對坡面中巖層間的粘結(jié)強(qiáng)度和完整性有較大的影響,大炮振動減少甚至消失巖層間固有粘結(jié)力,振動破壞使巖層大塊體變成小塊體,也減少了層間的強(qiáng)度。在穩(wěn)定分析計算時需要考慮坡面巖層的長期強(qiáng)度和地下水,爆破對巖層強(qiáng)度的影響。

4.2 泥灰?guī)r節(jié)理與層面的組合破壞

在此段邊坡的K148+390～K148+440段坡面中,出露有巖性較軟弱的泥灰?guī)r,其巖體強(qiáng)度明顯低于中厚層狀灰?guī)r易變形,在泥灰?guī)r層中,還有巖層間泥質(zhì)成分較高,使層間強(qiáng)度接近軟巖,另外,軟弱夾層遇水后強(qiáng)度降低明顯,它不同于同坡面大樁號外的灰?guī)r層面。因此,K148+390～K148+440段坡面潛在失穩(wěn)的模式受薄層泥灰?guī)r及軟弱夾層的強(qiáng)度變形特性控制。

4.3 泥灰?guī)r在坡面背后的分布及穩(wěn)定性分析

根據(jù)灰?guī)r、泥灰?guī)r沉積特性,在坡面K148+500附近的巖下部即坡面內(nèi)較淺處應(yīng)有薄層破碎的穩(wěn)定性較差的泥灰?guī)r。在這里,切層坡面角大于巖層傾角,在坡面中泥灰?guī)r厚度內(nèi),在坡腳處,如果有該層出露,則坡面的穩(wěn)定性主要受泥灰?guī)r強(qiáng)度和變形特性影響。若在坡腳處出露為巖性較好的中存層狀灰?guī)r,但厚度不大,坡內(nèi)20 m深度內(nèi)主要為泥灰?guī)r,則要考慮坡面角,巖層傾角,灰?guī)r和泥灰?guī)r的厚度及分布具體對坡面進(jìn)行穩(wěn)定性計算分析,當(dāng)中存層灰?guī)r超過一定厚度時,泥灰?guī)r隱含層對坡面穩(wěn)定性影響較小時,則主要考慮灰?guī)r的節(jié)理和層面組合破壞模式。

5 計算模型及計算方案

5.1 UDEC簡介

剛體離散單元法一般認(rèn)為Cundall于1971年提出來的[9]。該法適用于研究在準(zhǔn)靜力或動力條件下的節(jié)理系統(tǒng)或塊體集合的力學(xué)問題,最初用來分析巖石邊坡的運(yùn)動。該法是在牛頓第二定律的基礎(chǔ)上建立起來的,假設(shè)塊體為準(zhǔn)剛度體,塊體運(yùn)動主要受節(jié)理或弱面控制。剛性塊體的假設(shè)對于應(yīng)力水平較低的問題,如邊坡穩(wěn)定,是合理的。將節(jié)理巖體視為由裂隙切割的非連續(xù)介質(zhì),相互切割的裂隙將巖體分成相互獨(dú)立的塊體單元,單元之間可以看成是角-角接觸、角-邊接觸或邊-邊接觸。塊體間的邊-邊接觸可分解為由兩個角-邊接觸而成,并且隨著單元的平移和轉(zhuǎn)動,允許調(diào)整各個單元之間的接觸關(guān)系,最終塊體單元可能達(dá)到平衡狀態(tài),也可能一直運(yùn)動下去。這些塊體在平衡條件發(fā)生變化時,塊體之間就產(chǎn)生相互作用力,從而導(dǎo)致塊體產(chǎn)生一定的加速度和位移,使塊體的空間位置和狀態(tài)發(fā)生變化。運(yùn)動的塊體之間,由于差異位移矢量的存在,從而使塊體之間又發(fā)生新的作用力,根據(jù)新的力系,又可以計算出來各個塊體在新的力系下的加速度、位移及新的運(yùn)動位置。如此反復(fù)迭代直到整個體系在新的力系作用下達(dá)到平衡狀態(tài)為止,這樣整個巖體的破壞運(yùn)動過程就被真實(shí)的模擬出來。

5.2 計算模型和計算參數(shù)

采用UDEC計算,離散元塊體模型中主要考慮的結(jié)構(gòu)面有節(jié)理②和巖體層面,將巖體層面和節(jié)理面的間距概化為5 m與4 m,層面完全貫通,節(jié)理面跡長有一定的間隙(即不完全貫通)。邊坡幾何尺寸見圖1、UDEC模型見圖2、差分網(wǎng)格見圖3。表1為計算所采用的參數(shù)。

圖1 邊坡的幾何尺寸(m)

圖2 UDEC計算模型

表1 計算參數(shù)

5.3 計算方案

計算分為3種情況,第1種情況考慮邊坡開挖完成后,角礫巖(泥灰?guī)r層)在坡角處出露;第2種情況考慮邊坡開挖完成后,軟巖體(角礫巖和泥灰?guī)r層)在坡角處下部5 m深度處出現(xiàn);第3種情況考慮邊坡開挖完成后,軟巖體在坡角處下部埋深15 m。對應(yīng)3個計算模型(計算剖面),詳見圖4。

圖4 各計算方案幾何物理模型

6 計算結(jié)果分析

(1)模型一,角礫巖在坡角處出露,巖體的軟弱層面對邊坡的破壞模式起控制作用。在坡體后部,巖體沿節(jié)理面滑動,進(jìn)入軟弱巖層后,巖體失穩(wěn)時將沿巖層的軟弱層面發(fā)生滑動,在坡角剪出。塑性變形區(qū)集中在角礫巖與泥灰?guī)r層內(nèi)部,灰?guī)r層內(nèi)無塑性區(qū)。邊坡在該模式下的安全系數(shù)為fos=0.82。模型的材料分區(qū)、極限狀態(tài)時由速度矢量確定的潛在滑動面位置、滑動面滑體厚度和塑性區(qū)分別見圖5、圖 6。

圖5 模型1在極限狀態(tài)時由速度矢量

圖6 模型1的塑性區(qū)

(2)模型二,軟巖體(角礫巖和泥灰?guī)r層)在坡角處下部5 m深度處出現(xiàn),角礫巖和泥灰?guī)r控制邊坡的破壞。巖體的滑動面主要在軟巖體內(nèi),沿軟弱層面滑動時,在坡角將切割層狀灰?guī)r體向外剪出,坡角處的灰?guī)r層有可能發(fā)生擠壓破壞。塑性變形區(qū)主要集中在角礫巖與泥灰?guī)r層內(nèi)部,灰?guī)r層內(nèi)無塑性區(qū)。滑體厚度達(dá)到25 m。邊坡在該模式下的安全系數(shù)為fos=0.91。模型的材料分區(qū)、極限狀態(tài)時由速度矢量確定的潛在滑動面位置、滑動面滑體厚度和塑性區(qū)分別見圖7、圖8。

圖7 模型2在極限狀態(tài)時由速度矢量

(3)模型三,軟巖體(角礫巖和泥灰?guī)r層)在坡角處下部15 m深度處出現(xiàn),塑性變形區(qū)雖然集中在角礫巖與泥灰?guī)r層內(nèi)部,但角礫巖和泥灰?guī)r對邊坡的破壞影響不大,邊坡處于極限平衡狀態(tài)時,巖體滑動主要發(fā)生在灰?guī)r中,灰?guī)r層內(nèi)無塑性區(qū)。邊坡在該模式下的安全系數(shù)為fos=1.06。模型的材料分區(qū)、極限狀態(tài)時由速度矢量確定的潛在滑動面位置、滑動面滑體厚度和塑性區(qū)分別見圖9、圖10。

圖8 模型2的塑性區(qū)

圖9 模型3在極限狀態(tài)時由速度矢量

7 結(jié)論與建議

經(jīng)過上述分析可知,在該路段開挖時,最好不要切坡太深,盡量避免較為軟弱的角礫巖或泥灰?guī)r出露,否則邊坡安全性將極大的降低。可通過適當(dāng)抬高路基開挖高程和外幫措施盡量減小切坡深度,從而保證邊坡穩(wěn)定。最優(yōu)開挖方案是保證角礫巖或泥灰?guī)r埋藏深度不小于15 m。

圖10 模型3的塑性區(qū)

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