貴州云貴至石門公路砂頁(yè)巖夾煤層邊坡穩(wěn)定性研究

張文淵 張琛琪

（重慶交通大學(xué) 重慶 400074）

1 引言

結(jié)合我國(guó)公路網(wǎng)發(fā)展需求來(lái)看，未來(lái)十年尤其是“十三五”的五年，我國(guó)公路基礎(chǔ)設(shè)施仍將處于集中建設(shè)，加快成網(wǎng)的關(guān)鍵階段。“十三五”期間，貴州是全國(guó)交通扶貧的主戰(zhàn)場(chǎng)，貴州省計(jì)劃繼續(xù)投入公路水路建設(shè)資金4025億元，其中2017年投資1650億元，實(shí)現(xiàn)貴州交通“三突破、三提升”目標(biāo)。2016年貴州交通建設(shè)再次掀起新篇章——九個(gè)高速公路項(xiàng)目，20個(gè)國(guó)省干道改擴(kuò)建項(xiàng)目，農(nóng)村三四級(jí)公路計(jì)劃新建15650km。目前正在修建的云貴至石門三級(jí)公路，途徑山脈海拔高度在1700～3500M，山坡自然坡度在20～60°，公路線路全長(zhǎng)36.587km。公路設(shè)計(jì)為瀝青路面，路面結(jié)構(gòu)包括20cm級(jí)配碎石，20cm混凝土水泥穩(wěn)定層和5cm瀝青面層。公路路面寬7.5m，部分特殊路段路面寬度達(dá)到15m，公路沿線挖方工程量遠(yuǎn)大于填方工程量，挖方土石比基本達(dá)到1.6：1，路塹高邊坡相對(duì)較多，工程土石方總數(shù)量達(dá)到210萬(wàn)m3。

貴州云貴至石門三級(jí)公路處在威寧-赫章活動(dòng)構(gòu)造帶上，受畢節(jié)北東向構(gòu)造變形區(qū)、威寧西北向構(gòu)造變形區(qū)影響。貴州云貴至石門三級(jí)公路中的沉積巖主要包含砂巖、頁(yè)巖和泥巖，在這些沉積巖中，砂頁(yè)巖夾煤層這種特殊的巖體結(jié)構(gòu)常常伴隨著邊坡開(kāi)挖出現(xiàn)，見(jiàn)圖1。

圖1 貴州云貴至石門公路砂頁(yè)巖夾煤層邊坡

2 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 砂頁(yè)巖夾煤層各巖體指標(biāo)（見(jiàn)表1）

表1 砂頁(yè)巖夾煤層各巖體指標(biāo)

2.2 砂頁(yè)巖夾煤層巖石變形分析

貴州云貴至石門砂頁(yè)巖夾煤層巖石材料破壞的形式主要有兩類：①斷裂破壞；②流動(dòng)破壞（出現(xiàn)顯著的塑性變形或流動(dòng)現(xiàn)象）。

2.3 云石公路邊坡病害類型及病害發(fā)育特征

貴州云貴至石門砂頁(yè)巖夾煤層邊坡最常見(jiàn)圓弧形滑動(dòng)破壞：均勻松散介質(zhì)、沖擊層、大型巖層破碎帶；有三組或多組產(chǎn)狀各異的軟弱結(jié)構(gòu)面存在；強(qiáng)風(fēng)化碎裂結(jié)構(gòu)的巖體；軟弱面的產(chǎn)狀各異且均不與邊坡面同向；兩側(cè)面脫開(kāi)。偶爾還伴有平面剪切型滑動(dòng)破壞，楔形滑動(dòng)破壞以及折線形滑動(dòng)破壞。

3 ANSYS對(duì)邊坡的模擬及穩(wěn)定性分析

（1）創(chuàng)建物理環(huán)境：ANSYS程序可以方便的定義各種材料的特性。因?yàn)榉治龅倪吰履Ｐ筒捎肈-P模型，因此邊坡穩(wěn)定性分析中需要定義邊坡中不同巖土體的材料屬性：重度、彈性模量、泊松比、粘聚力以及摩擦角。以K4+480為例，表2材料1～4分別為砂土、砂頁(yè)巖、煤層、砂頁(yè)巖夾煤層，材料5～8為不同安全系數(shù)下的砂頁(yè)巖夾煤層。

（2）建立模型和劃分網(wǎng)格：在進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)，需要建立模擬邊坡土體的單元。在建立好的模型各個(gè)區(qū)域內(nèi)指定特性（單元類型、選項(xiàng)、實(shí)常數(shù)和材料性質(zhì)等）以后，就可以劃分有限元網(wǎng)格了。

表2 各材料屬性

（3）施加約束和荷載：在施加邊界條件和荷載時(shí)，既可以給實(shí)體模型（關(guān)鍵點(diǎn)、線、面）也可以給有限元模型（節(jié)點(diǎn)和單元）施加邊界條件和荷載。在求解時(shí)，ANSYS程序會(huì)自動(dòng)將加到實(shí)體模型上的邊界條件和荷載傳遞到有限元模型上。

圖2 用ANSYS做出的邊坡模型

（4）求解：ANSYS程序根據(jù)現(xiàn)有選項(xiàng)的設(shè)置，從數(shù)據(jù)庫(kù)獲取模型和荷載信息并進(jìn)行計(jì)算求解，將結(jié)果數(shù)據(jù)寫入到結(jié)果文件和數(shù)據(jù)庫(kù)中。

（5）后處理：后處理的目的是以圖和表的形式描述計(jì)算結(jié)果。對(duì)于邊坡穩(wěn)定性分析中，進(jìn)入后處理器后，查看邊坡變形圖和節(jié)點(diǎn)的位移、應(yīng)力和應(yīng)變。隨著強(qiáng)度折減系數(shù)的增大，邊坡的水平位移增大，塑性應(yīng)變急劇發(fā)展，塑性區(qū)發(fā)展形成一個(gè)貫通區(qū)域時(shí)計(jì)算不收斂，認(rèn)為邊坡發(fā)生了破壞。通過(guò)研究位移、應(yīng)變和塑性區(qū)域，來(lái)綜合判斷邊坡的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

通過(guò)分析后處理數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)隨著安全系數(shù)的不斷增大，邊坡由沒(méi)有塑性區(qū)發(fā)展到出現(xiàn)塑性區(qū)，再到塑性區(qū)貫通整個(gè)邊坡，即邊坡破壞，見(jiàn)圖3。由于貴州云貴至石門地區(qū)雨季長(zhǎng)，雨水多，做邊坡穩(wěn)定性分析可以隨時(shí)掌握邊坡動(dòng)態(tài)，為安全施工做好有力保障。

圖3 不同材料參數(shù)下邊坡塑性應(yīng)變?cè)茍D