某路塹巖質高邊坡穩定性的三維動態仿真模擬及其優化治理

摘 要:在高速公路建設過程中，路塹巖質高邊坡穩定性問題日益凸現了出來。采用離散化的數值模擬技術來模擬分析該類高邊坡的穩定性并據此提出合理、經濟的防護治理措施是目前解決這一難題的有效途徑之一。本論文結合京珠高速公路某路塹邊坡，利用FLAC3D三維動態仿真模擬分析了該邊坡第二次滑塌過程及形態，并用以指導其治理變更設計，取得了較好的工程治理效果。

關鍵詞:巖質高邊坡 穩定性 三維動態仿真 治理措施

中圖分類號:U416.14文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)03(a)-0092-02

當高速公路穿越丘陵地區時，開山所產生的路塹巖質高邊坡穩定性問題日益凸現。在路塹巖質高邊坡形成后，其穩定性受坡角、坡形及不利結構面組合形式的影響，易產生坡面變形，甚至失穩破壞。然而影響邊坡巖體穩定性的各因素之間的相互作用及其對邊坡穩定性的影響程度和影響形式目前都無法采用解析的方法進行定量求解，采用數值模擬技術來分析評價該類高邊坡的穩定性并據此提出經濟合理、技術可行的支擋措施是解決這一難題的有效途徑之一。

1 工程地質條件

京珠高速公路湖北大悟段屬丘陵地貌地區，第四系覆蓋少而薄，基巖主要為元古界紅安群變質巖。其中K34段位于寰水河左岸谷坡地帶，山坡較陡，坡度較大。線路附近山頂高程141.2～147.7m，寰水河底高程51m左右，天然坡高90～96m。該段斜坡因興修公路和開采石料，坡形較為復雜，呈陡緩相間，但整體看上陡下緩，平均坡角30°～40°，上部較陡處達45°～60°。斜坡結構屬逆向坡。斜坡在長期侵蝕剝蝕作用下，因卸荷回彈巖體松脹破裂，致使地應力釋放。據經驗類比，坡體卸荷帶深大于30m。

K34段層片理傾向150°～180°，傾角上陡下緩，斜坡上部傾角25°～36°，中下部為42°～53°。K34段節理裂隙較發育，其中頻數較多的有以下4組:(1)傾向266°～286°，傾角63°～73°;(2)傾向224°～240°，傾角24°～38°;(3)傾向98°～124°，傾角78°～80°;(4)傾向350°～24°，傾角44°～53°。

2 存在的問題

由于開挖過程施工單位未按設計單位光爆要求，而采用了大藥量，大直徑炮孔爆破，造成對巖體的強烈震動。使巖石體進一步松散破碎，并使部分節理裂隙進一步張開，影響了邊坡的穩定性和正常施工。在現場需部分工人專門對松動塌落下來的碎石進行清場工作。

K34＋134～158段繼2000年8月上旬發生垮塌后，其中部分區域于2000年11月24日又發生第二次垮塌，并引起其右側約2m區域坡面開裂。垮塌的方量達一百立方米以上。該段第一次垮塌后，在其上部開裂區作了注漿固結加錨處理，處理部分基本保持穩定，發生的第二次垮塌位于其下部。如圖1。

為了進一步弄清該路塹巖質高邊坡應力場的空間變化特征，為其穩定性評價和后續的防護治理施工設計，提供理論依據和技術資料，本論文在已有研究成果的基礎上，運用FLAC3D軟件對該巖質高邊坡應力場進行三維動態數值仿真模擬研究。

3 FLAC3D簡介

FLAC是美國ITASCA公司開發的一種應用于巖土體的工程力學計算分析軟件。它采用快速拉格朗日差分分析方法(Fast Lagrangian Analysis of Continua)并基于顯式差分法求解地質體的運動方程和動力方程。FLAC3D是FLAC力學分折方法在三維空間的拓展。

該軟件具有如下特點:

(1)由于該軟件采用“混合離散化”(Mixed Discretization)技術能更精確和有效地模擬計算材料的塑性破壞和塑性流動，在力學上比常規有限元的數值積分更為合理;

(2)該方法全部使用動力運動方程為基礎，它可以較好地模擬系統的力學不平衡到平衡的全過程，實現動態的模擬過程;

(3)求解中采用“動態松馳法”，不需要存儲較大的剛度矩陣，既節約了計算機的內存空間又減少了運算時間，大大地提高了解決問題的速度;

(4)該軟件具有強大的后處理功能。能根據需要輸出設定階段的應力應變成果，同時還可以根據追蹤功能(History與History Location)獲取所需變量值的歷時變化曲線及其位置;

(5)該軟件最為突出的特點是:針對不同的材料，它提供10種本構關系材料模型和四種主要的支護結構(Shell單元、Cable單元、Pile單元、Beam單元)。對結構面的模擬，該軟件也獨據優勝，它所提供的Interface單元能有效模擬巖體沿某一弱面和結構面產生的滑動變形及該結構面的剪切位移和剪應力。本論文正是利用FLAC3D該技術來模擬路塹巖質高邊坡穩定狀況及其應力場的空間變化特征。

4 三維動態仿真模型的建立及計算參數的選取

地質模型是計算模型的基礎，對工程地質條件的深入認識與抽象是建立合理的地質概化模型的重要前提。

根據K34＋134～158段現場地質調查，經分析其發生松動滑塌的原因如下:

(1)此段2組貫通性極好(數十米長)的節理面(傾向98°～124°及傾向350°～24°)和片理面(150°～180°)，部分結構面中充填大量粘土。由于坡面開挖后暴露時間過長(半年)，雨水滲入弱面并侵蝕，改變其C、φ值，阻滑力的降低導致兩次下滑，這也是下滑的主要原因。

(2)第二次下滑又拉動其右側的巖層，造成縱向約2m范圍的開裂，并牽動二級臺階面上的噴層發生開裂。

該模型采用非線性平面應變彈塑性Mohr-Coulomb Plasticity模型，基巖采用elastic orthotropic模型。滑面(Interface)及基巖巖石力學參數綜合取值見表1所示。巖體體積模量、剪切模量工具計算公式進行了相關換算:

其中:K為體積模量，G為剪切模量，E為彈性模量。

5 模型成果及分析

經分析計算，該邊坡變形破壞后的豎直方向(Z)的位移等直線如圖2。位移最大值發生在滑體頂點和最低點，其值達4.5m，這與實際情況也非常吻合。

由于原坡面進行錨噴防護后，下一步臺階不合理的爆破施工方法，造成對既有坡面的擾動破壞，加劇松散破碎和部分節理裂隙進一步張開，地表降雨滲入進一步弱化其抗剪強度參數，嚴重影響了邊坡的穩定性，導致該段邊坡的第二次整體下滑。

6 處理措施及效果

根據現場地質條件及三維仿真成果，綜合上述分析提出如下設計修改方案:

(1)總體處理思路:按圖3要求加長、加密錨桿，并局部少量加補漿砌石;

(2)首先按圖4要求在開裂區內作錨噴網支護;

(3)然后在右側Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級臺階下部按圖4要求增補錨桿;

(4)從上向下清理下滑的浮石，每清理2～3m，即作錨桿支護，清理達一個臺階高，作噴網支護，以后按清理→錨桿→清理→噴網循環進行;

(5)在垮塌區上部深凹處補砌少量漿砌石，以維護原注漿固結區域穩定，漿砌石用錨桿及臺階作支撐;

(6)立即建立地表監測點監測滑區及周圍邊坡動態。

經施工方嚴格按照上述修改意見及措施，邊坡開裂、跨塌現象杜絕。已開裂及跨塌部位經按上述方案修補基本穩定成形，經巡回檢查和地表位移監測，此段邊坡趨于穩定。

目前，該高速公路已通車幾年，從運營效果看，邊坡經優化調整后的治理工程安全穩定，到達了治理的目的。

參考文獻

[1]唐輝明，晏鄂川，胡新麗.工程地質數值模擬的理論與方法[M].武漢:中國地質大學出版社，2001.

[2]潘家錚.建筑物的抗滑穩定和滑坡分析.水利出版社，1980.