緩傾順層巖質邊坡變形數值模擬及處治方案研究

趙久歡　于　萌　劉　品

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司　貴陽　550081)

緩傾順層巖質邊坡變形數值模擬及處治方案研究

趙久歡于萌劉品

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司貴陽550081)

摘要以黃花互通D匝道邊坡為依托，采用FLAC軟件對邊坡進行數值模擬，探討了水力作用對邊坡變形破壞的影響；分析了預應力錨桿邊坡加固前后模型水平位移變化。研究表明，加固后邊坡穩定性大為改善，在水力作用下，邊坡各處位移也非常小，甚至小于加固后無水力作用的情況。通過現場邊坡位移監控，評價了該邊坡處治效果。

關鍵詞順層巖質邊坡數值模擬預應力錨桿穩定性系數現場監測

針對順層問題，國內外學者進行了深入研究。概括來說，順層邊坡變形破壞機理為以下幾種形式：滑移破壞型、潰曲破壞型、滑移-壓致拉裂型[1-2]。程強[3]等研究表明，邊坡變形破壞一般經歷開挖后應力重新調整、陡傾裂隙、節理不斷發展、最終演變成變形破壞這3個階段。同時，邊坡坡角和地層構造巖體的傾角比較相近時，此類邊坡有較大可能發展成為滑坡。對于順層緩傾角邊坡的破壞變形機理認識還不是很清楚，通常情況下認為它與巖體邊坡體的彎曲變形破壞有關[4]。

雖然目前在順層邊坡的破壞機制、穩定性分析、治理方法等方向的研究獲得了不少成果，但是依然存在以下不足：①對各個影響因素的評價沒有形成量化指標；②為了便于研究分析計算通常忽略巖體中的一些作用力不計，這必然導致分析計算結果的偏差；③通常只是把邊坡當做整體處理，未能考慮內部巖體存在的裂隙、節理，很難與實際所匹配。

本文從現場順層處治方法、數值模擬、現場位移監測這3個方面，論述了高速公路順層邊坡的破壞機理和處治技術研究。

1工程概況

黃花互通D匝DK0+170～DK0+300段挖方路基右側邊坡發生大面積滑移，滑移體厚6～7m，裂縫最大寬度達到10m；通過分析得邊坡滑移原因為：滑坡段為巖質邊坡，巖性為中厚層狀泥灰巖夾泥質頁巖，泥質頁巖夾層厚3～5cm，質地軟弱、抗風化能力差且遇水軟化，屬層間軟弱夾層；滑坡段為順向坡，巖層傾角8°～12°，滑面上方巖體裂隙發育，將巖體切割成塊狀、巨塊狀、透水性好。路基開挖后破碎巖體臨空，加上降水頻繁，大氣降水入滲后受到泥質頁巖阻隔并沿泥質頁巖不斷滲流，在這一過程中泥質頁巖發生軟化，形成滑動面。鑒于此，針對本邊坡提出以下處治方案。

(1) 確定將該段滑移體以及滑動面范圍內不穩定的巖體全部進行卸載。

(2) 確定在邊坡平臺及卸載后的坡面采用預應力錨桿對下部巖層進行加固；邊坡平臺處設置2道鋼筋混凝土地梁。

(3) 確定DK0+110～DK0+250段邊坡采用主動柔性掛網防護，DK0+250～DK0+395段采用挖方邊坡掛網植爬壁藤防護。

2支護體系模型

2.1模型條件

根據邊坡幾何形態，借助FLAC程序建立邊坡模型見圖1，模型土層參數見表1。

圖1　邊坡FLAC模型和監控點布設位置圖

巖石類別密度/(kg·m-3)泊松比μ彈性模量/MPa剪切模量/MPa抗剪強度粘聚力/MPa內摩擦角/(°)吸水率/%孔隙率/%頁巖 26000.304000011.7218281.12.4泥質頁巖 17000.403000014.535122.35.8微風化灰巖27000.204000067.3529450.94.6

2.2工況設計

數值模擬過程中，設定計算工況是必要環節。結合工程實際，對本邊坡進行4種工況計算：

工況1，天然開挖狀態，無水力作用。

工況2，降雨擾動開挖狀態，有水力作用。

工況3，加固天然開挖狀態，無水力作用，開挖過程采用加固措施。

工況4：降雨擾動加固開挖狀態，有水力作用，開挖過程采用加固措施。

3結果分析

通過FLAC數值模擬比較各種工況和邊坡的穩定性。在滑坡研究過程中，最關心的是邊坡的水平位移，主要監測和研究對象是水平位移[5-7]。

由以下各工況的位移云圖(見圖2)可清晰看出，邊坡各處發生位移情況。顯然，結構面上部巖土體發生位移較大，下部巖土體發生位移較小；在天然開挖情況下，邊坡的水平位移較小，但是一旦有水力作用沒有加固措施時，邊坡水平位移劇增，出現失穩。邊坡在滑動過程中前緣部分先發生滑動，后緣部分后發生滑動；并且前緣坡腳處滑動速度大于前緣坡頂處滑移速度。加固后邊坡滑床(滑面下)和滑帶(滑面上)上的土體位移差別很小，通過預應力錨桿的連接作用，使得工況3和工況4在加固后的水平位移云圖更加均勻，整個邊坡體表現為一個整體。

圖2　各工況水平位移云圖

為了便于分析，選擇了工況1中布設監控點的3，4，5，6水平位移變化情況，見圖3，對邊坡穩定的情況進行分析，其中水平位移的單位為m。其中：時步(step)的含義是在非線性問題或瞬態動力學問題求解中使用，是每一次迭代求解的步長，并沒有明確的單位。時步數越大，表征的時間越長，在實際工程中特別是在計算位移時候能夠表示時間。見圖3。

各位移監控點中，3號和4號、5號和6號監控點就是分別布置滑動面上下的監控點。通過它們的位移曲線對比，很顯然，模擬結果顯示邊坡已經滑動。其中：3號監控點的位移量要比4號監控點的位移量大得多；5號監控點的位移量要比6號監控點的位移量大得多，而3號(滑帶上)監控點與5號(滑帶上)監控點位移曲線基本保持一致，4號(滑床上)和6號(滑床上)也是如此。通過對該邊坡進行數值模擬分析，計算得出的穩定性系數僅為0.90，換言之，即使無其他因素干擾，只在重力因素作用下該邊坡都會發生滑動。邊坡不穩定。

工況2計算分析過程中，由于水力作用影響，邊坡穩定性系數應該更低。在自身重力作用，外加水力作用影響條件下，邊坡的穩定性系數僅為0.51，發生滑坡災害可能性極大。這是因為：一方面降雨的滲入加大了邊坡巖土體的自身重力，使邊坡下滑力增大；另一方面，地表水滲入結構面，溶解部分結構面物質，同時使結構面軟化，導致結構面抗剪強度減小。由于工程周期比較長，降雨是不可避免的，因此，在邊坡施工之前，需要進行安全性的分析論證，從而避免在施工過程中由于降雨而發生邊坡失穩現象。

工況3是邊坡開挖后，無水力作用，在自重應力作用下，采取加固措施后邊坡穩定性狀態。在邊坡布設6排預應力錨桿作為加固措施。研究表明，打入錨桿以后，邊坡發生變形移動位移很小，而且變形一段時間后曲線趨于平緩。同時邊坡穩定系數滿足要求。根據位移云圖可以看出，云圖較為規則，沒有大位移和特殊地段的存在，說明預應力錨桿加固可以起到很好的加固效果。

選出工況3中3，4，5，6滑動面上下的監控點，見圖4，通過它們的位移曲線對比，得出3號監控點的位移要比4號監控點的位移大，但是差別很小；5號位移同樣大于6號監控點，差別也不大。說明通過預應力錨桿的加固作用使得邊坡變成了一個整體，減小了滑面上、下位移差別，有效地防治了滑坡的產生。

圖3　工況1監控點3，4，5，6水平位移-施工步序圖

圖4　工況3監控點3，4，5，6水平位移-施工步序圖

工況4是在工況3的基礎上增加了水力條件的影響。根據模型研究結果可知，即使在降雨條件下，加固后的邊坡穩定性也是很好的，不存在邊坡滑動的趨勢，其中滑移面上下土體的水平位移差距比較比工況3更小，各點的水平位移更小。由位移云圖可以得出，工況4在加固后邊坡的水平位移非常小，此處不再列出控制點水平位移與施工步序圖了。通過對不同工況的計算分析，得到以下幾點結論：

(1) 不經過防護直接開挖，順層邊坡發生失穩幾率很大。

(2) 邊坡在滑動過程中前緣部分先發生滑動，后緣部分后發生滑動；并且前緣坡腳處滑動速度大于前緣坡頂處滑移速度。

(3) 加固后工況3和工況4，在沒有水力作用時水平位移反而大于有水力作用的水平位移，并且都在控制范圍內，所以預應力錨索加固邊坡引起邊坡應力的重分配是良性的，說明邊坡支護方式是成功的。

4邊坡處治方案效果評價

除了采用數字模擬分析，更具有說服力的評價方式是在處治后的邊坡現場布設監測點，通過監測結果來說明邊坡的運動狀態，見圖5，6，進而對邊坡穩定性狀態進行評價。

圖5　邊坡變形過程各監控點位移圖

圖6　邊坡治理后各監控點位移增量圖

治理之后通過對邊坡各監控點的監控，發現部分監控點剛開始位移量略有增加，隨著時間推移邊坡各個監控點位移增量趨于0，表明邊坡變形過程結束，達到穩定狀態，同時也說明治理措施取得良好的效果。

5結論

(1) 總結分析了影響層狀巖質邊坡穩定性的因素，認為該類型邊坡穩定性影響因素可歸納為內在因素和外在因素；其中外因中水力作用對邊坡破壞有舉足輕重的作用，水對邊坡作用很復雜，有軟化、潤滑、溶解等作用。

(2) 預應力錨桿框架等新型支護方式在工程中運用并取得良好的治理效果，并且很好地解決了水力作用時邊坡失穩的穩定問題，使得即使在水力作用下，邊坡位移分布也是良性的。

(3) 對可能發生開挖失穩的邊坡宜采用邊開挖邊加固的施工方式。

(4) 本模型也存在一些缺點和不足：在邊坡數值模擬過程中，參數選擇有待改善；水力對邊坡的作用是個復雜的過程，有待深入研究。

參考文獻

[1]張倬元,王士天,王蘭生,等.工程地質學分析原理[M].北京:地質出版社，1994.

[2]劉才華,徐建,曹傳林,等.巖質邊坡水力驅動型順層滑坡破壞機制分析[J].巖石力學與工程學報,2005,24(19):3529-3533.

[3]程強,黃紹檳,周永江.公路深挖路塹邊坡工程施工監測與動態設計[J].巖石力學與工程學報,2005(8):1335-1340.

[4]孫廣忠，孫毅.地質工程學原理[J].巖土工程界, 2005(2):26-26.

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[7]雷松林,鄭永來.有限差分程序FLAC基本原理及其在工程中的應用[J].東北水利水電,2007(8):4-9.

收稿日期：2014-11-05

NumericalSimulationandTreatmentMethod
ResearchonFlatBeddingRockSlopeDeformation

Zhao Jiuhuan，Yu Meng，Liu Ping

(GuizhouTransportationPlanningSurvey&DesignAcademeCo.,Ltd.,Guiyang550081,China)

Abstract：Based on the engineering project of Huanghua interchange D ramp, the numerical simulation of slope is performed to investigate the influence of hydraulic effect on the slope deformation and failure by using FLAC software. It is concluded that with and without hydraulic function role, the safety coefficient varies widely. State of slope and the slope stability is analyzed in the position can create embedded prestressed anchor for slope reinforcement. The simulation results show that the slope stability conditions are greatly improved, even in condition of hydraulic effect, and the slope displacement of each part is very small, which has high security reserves. Finally through the field monitoring the lope treatment effect is evaluated.

Key words:bedding rock slope; numerical simulation; prestressed anchor; the stability coefficient; field monitoring

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.018