天然和飽水狀態下路塹邊坡穩定性離散元分析

楊 澤，李克鋼，張志雄，楊遠清，魏建海

(1.昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南 昆明 650051；2.昆明理工大學國土資源工程學院，云南 昆明 650093)

我國是一個多山的國家，約70%的國土為丘陵山地，地理地質條件極其復雜，而公路交通又是我國國民經濟賴以發展的重要基礎設施。21世紀以后，我國高等級公路建設迅猛發展，僅重慶市2010年計劃公路建設投入即達610.7億元。在此條件下，路線設計中不可能再沿襲過去“選優避劣”的做法，為滿足線路平直順暢以便于行車的要求，不可避免地要出現大量的路基挖方工程，形成大量的路塹邊坡，其穩定性分析與評價是邊坡工程的核心內容，直接關系到高速公路的建設資金投入、安全施工以及正常運營。據記載，我國大多數滑坡都受到降雨的嚴重影響，降雨下滲引起地下水狀態、坡體、滑帶介質含水量及力學參數發生改變而誘發滑坡發生。

由雨水的滲透而引起滑坡的原因，可總結為非飽和領域內巖體材料重度的增加和巖體強度的降低，飽和領域內孔隙水壓力的上升，但其中起關鍵作用的應是巖體強度的大幅度降低。因此，本文采用最不利狀態-飽水狀態下巖體力學性質，來考慮降雨作用的影響。

本文以渝黔高速公路K86+180～K86+470段巖質路塹邊坡為例[4]，應用巖體力學理論和離散元法數值模擬技術，分別就處于天然與飽水兩種狀態下的邊坡，在開挖過程中的穩定性變化情況進行模擬分析。探討在天然、飽水等不同工況條件下，該巖質路塹邊坡穩定性的一些規律，以便能夠為公路的安全運營、邊坡滑坡災害的預防和預測及邊坡的合理處置提供指導性的意見和依據。

1 工程概況

該公路巖質邊坡位于丘陵斜坡地貌區，公路開挖后，在該段形成一路塹，左側為逆向坡，右側為順向坡且坡高達46m，坡角約64°，路塹開挖臺階高度20m，平臺寬度5m。邊坡巖體結構為上部砂巖下部泥巖互層，巖層傾向55°，傾角23°。經鉆探發現，砂巖與泥巖結合性較差，存在軟弱夾層，且軟弱層的傾向與邊坡傾向相同，對邊坡穩定不利，邊坡巖體質量一般，節理裂隙不發育。該地區降水豐富，并且季節性明顯，據統計，多雨季節日平均最大降雨量達120mm。為了保證公路的持久、安全運營，有必要對該邊坡的穩定性進行分析評價。各巖體材料的物理力學參數賦值見表1。

表1 巖體物理力學參數取值表

2 邊坡開挖的離散元穩定性模擬

2.1 模型建立

為了充分反映其變形破壞機制，更直觀地觀測和分析其變形破壞過程，采用美國Itasca公司開發的UDEC 二維離散元軟件進行動態數值模擬分析。

根據現場勘察和該段的地質橫剖面圖，以及邊界范圍選取原則，模型范圍分別取x方向為坡高的3倍即140m，y方向為坡高的2倍即100m。模型左右兩面采用x方向位移約束；底面為固定邊界條件，坡面為自由邊界；選用Mohr-Coulomb本構模型。

2.2 計算模擬方案

為了再現邊坡的開挖過程，真實模擬邊坡在開挖過程中的變形與應力發展趨勢，根據工程的施工順序，對邊坡進行5步開挖模擬，加上邊坡的原始狀態形成了6個開挖模擬分析階段。其中，第1階段為開挖前的天然狀態；第2～5階段依次為第1次開挖、第2次開挖、……第5次開挖。

為了了解邊坡的變形規律，還對邊坡內部單元進行了全程跟蹤。監測點單元A為處于軟弱層上部的砂巖的單元，并且在開挖后處于近坡面位置，用以觀察邊坡在開挖過程中隨時間的變化情況。

3 模擬結果分析

3.1 天然狀態下分階段開挖邊坡穩定性分析

由于分階段開挖且階段數比較多，所以在此最大主應力云圖只給出了5個階段中的部分分析圖。圖1給出了邊坡安全系數、速度矢量和水平方向x位移等值線云圖；圖2為邊坡塑性區云圖。

由圖1可以看出，初始狀態邊坡安全系數為4.93，處于穩定狀態；第1次開挖后，邊坡安全系數降為3.72，仍處于穩定狀態；第2次開挖后，邊坡安全系數降為2，仍處于穩定狀態；第3次開挖后，邊坡安全系數降為1.21，仍處于穩定狀態；第4次開挖后，邊坡安全系數降為1.21，仍處于穩定狀態；第5次開挖后，邊坡安全系數降為1.21，也仍處于穩定狀態。由此可知，隨著開挖階段的深入，邊坡的穩定性安全系數逐漸降低，到第3階段后逐漸趨于平穩，特別是從第2階段到第3階段，安全系數從2.0陡降至1.21，可見順層巖體邊坡的穩定性直接受開挖效應的控制，軟弱夾層對邊坡的穩定產生了一定的影響。而通過分析水平x位移等值線云圖(圖1)，可以看出，隨著開挖階段的推進，在天然狀態下由開挖引起的水平位移也逐漸增加，但增加的幅度很小，而且在每一階段的開挖面上，臨坡面附近產生的水平位移量都很小，由最初開挖的1.5mm僅增至最終的5mm。

速度矢量圖可以形象地表征邊坡變形破壞后滑坡滑移趨勢及方向，如圖1所示，邊坡滑坡的趨勢是沿著軟弱夾層朝向公路的那一側。邊坡塑性區見圖2，塑性區基本上集中在軟弱夾層區域，且公路右側塑性變形的活躍程度要大于左側。

通過以上分析可知：從安全系數和水平位移量來看，在旱季進行開挖，該邊坡穩定性還是有一定的安全保障；開挖完成后，該路塹邊坡沿軟弱夾層滑動的最低穩定性系數為1.21，處于穩定狀態。

圖1 天然狀態下各階段邊坡安全系數、速度矢量和x位移等值線云圖

圖2 天然狀態下路塹邊坡塑性區分布云圖

3.2 飽水狀態下分階段開挖邊坡穩定性分析

從安全儲備的角度考慮，對邊坡在暴雨開挖過程中的模擬，是假設各巖體完全處于飽水狀態時完成的。

可以看出，該邊坡是沿著軟弱夾層發生滑動，邊坡潛在滑動面均位于軟弱夾層處。在飽水狀態下，邊坡初始狀態安全系數為4.38，處于穩定狀態；第1次開挖后，邊坡安全系數降為3.2，仍處于穩定狀態；第2次開挖后，邊坡安全系數降為1.62，仍處于穩定狀態；第3次開挖后，邊坡安全系數降為0.54，處于失穩狀態；第4次開挖后，邊坡安全系數降為0.35，處于失穩狀態；第5次開挖后，邊坡安全系數降為0.37，也處于失穩狀態。由此可知，隨著開挖階段的深入，邊坡的穩定安全系數大幅度降低，到第3階段后逐漸趨于平穩，特別是從第2階段到第3階段，即邊坡從穩定到不穩定，這時安全系數從1.62陡降至0.54。而通過分析水平x位移等值線云圖(圖1)，可看出，隨著開挖階段的推進，在飽水狀態下由開挖引起的水平位移也逐漸增大，而且從第3階段開始，臨坡面附近產生的水平位移量都非常大，特別是到第5階段，由最初開挖的2mm陡增至最終的5m，即邊坡從穩定到沿著軟弱層滑動。同時邊坡后緣變形量也很大，到最終開挖時水平位移為1～2m，說明邊坡后緣出現了拉裂面。

如圖1所示的速度矢量圖：邊坡滑坡的趨勢是沿著軟弱夾層朝向公路的那一側。邊坡塑性區見圖2，塑性區基本上集中在軟弱夾層區域，且在飽水狀態下塑性區變形的活躍程度要大于天然狀態下。

通過以上分析可知：

1)該路塹邊坡坡腳開挖后，解除了坡腳約束，使坡體下部失去了支撐作用，造成原來穩定的巖體在自重應力和降雨作用下，沿著軟弱夾層發生下滑，安全系數降到了1以下。

2)降雨對該邊坡穩定性的影響主要表現為：雨水從坡體及節理裂縫下滲，使坡體含水量增加，軟弱夾層飽水，造成坡體及軟弱層強度參數的降低，導致該路塹邊坡安全系數在降雨期間大幅下降，說明降雨對該路塹邊坡的穩定性影響很大。

3)從水平位移來看，到第5階段已達5m，位移量很大，因此要加強對邊坡特別是軟弱夾層處的變化進行目視觀測和變形監測，做到及時的預測預報，避免相關災害及人員傷害的發生，同時在必要時可采用設置打錨桿或預應力錨索等措施。

4)雖然砂巖和泥巖本身的強度很高，但該巖質邊坡卻沿著軟弱夾層發生滑動。該巖質路塹邊坡是否可能滑坡，實質上是受軟弱夾層的強度控制，而不是取決于砂巖和泥巖的強度。因此，在對該巖質邊坡的滑坡進行治理時，應重點放在如何直接或間接地提高軟弱夾層的抗剪強度指標c、 φ 值的措施上，從而達到提高坡體穩定性的目的。

3.3 跟蹤監測點及邊坡安全系數對比分析

圖3與圖4分別為兩種含水狀態下跟蹤監測點A的水平位移記錄圖；圖5為邊坡不同含水狀態下安全系數隨時間變化對比曲線。

從圖3與圖4的水平位移對比來看，在天然狀態下，監測點A的位移隨著開挖步的增加并沒有發生太大的變化，總體位移值較小；而在飽水狀態下，位移值出現明顯的增大，尤其是在第2次開挖到第3次開挖之間出現了一個很大的跳躍，從2.5mm左右增加到4m左右。之所以出現該情況，是因為在開挖到第3步時，軟弱層被切割臨空所致。天然狀態下，邊坡開挖完成后，水平位移大約5mm；飽水狀態下邊坡開挖完成后，邊坡水平位移大約為5.53m。

從安全系數變化可以看出，在天然狀態下，邊坡安全系數值均大于1，從初始的4.93變為最終開挖后的1.21，說明軟弱夾層的存在使邊坡的整體穩定性減弱；而在飽水狀態下，邊坡安全系數減小到了0.37左右，并且在軟弱層被切割臨空后同樣出現了明顯的降低現象，這說明軟弱夾層是影響邊坡穩定性的主要因素。由此也驗證了在順層巖質邊坡中，軟弱結構面是影響邊坡穩定性的決定性因素。

圖3 天然狀態下監測點A水平位移記錄

圖4 飽水狀態下監測點A水平位移記錄(40000time step)

圖5 不同含水狀態邊坡安全系數隨時間的變化曲線

4 結論與建議

本文通過對該路塹邊坡進行離散元模擬和分析，從中可以得知：

1)在天然狀態下邊坡的穩定性相對較好，而在飽水狀態邊坡的穩定性明顯下降。引起邊坡穩定性下降的主要原因，是伴隨著雨水的增加所產生的軟弱夾層的強度降低。

2)該巖質路塹邊坡是否可能滑坡，實質上是受軟弱夾層的強度控制，而不是取決于砂巖和泥巖的強度。因此，在對該巖質邊坡的滑坡進行防治和處理時，應重點放在如何直接或間接地提高軟弱夾層的抗剪強度指標c、φ 值的措施上，從而達到提高坡體穩定性的目的。

3)由于水是誘發該路塹邊坡失穩的關鍵因素，若遇長歷時強降雨時，該邊坡有發生滑坡的可能性。建議邊坡加固與治理工程中，應充分重視邊坡的排水工作，特別是邊坡內部積水應當及時排走。除設置截排地表水水溝外，應采取工程措施，如設置水平鉆孔或邊坡滲溝等排除邊坡內部水，使邊坡巖體處于自然干燥狀態，從而保證邊坡的長期穩定。

4)當邊坡穩定性不能滿足要求時，可采取錨桿、預應力錨索或預加固樁等先加固后開挖，或采取邊開挖邊采用錨桿加固的方法。

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