基于FLAC3D的順層巖質邊坡開挖穩定性分析

許建文，錢海洋

(1.廣西新恒通高速公路有限公司，廣西 南寧 530029；2.廣西路橋工程集團有限公司，廣西 南寧 530011)

0 引言

順層邊坡滑移破壞是較為常見的破壞模式，但目前對順層巖質邊坡的穩定性及防護方法仍缺乏系統的有效認識。影響順層邊坡穩定性的因素有很多，主要因素有巖體結構、結構面力學特性、產狀及地下水作用等。在利用FLAC3D進行邊坡穩定性的數值分析時，通常要對實體對象經過適當的簡化，建立相應的三維計算模型。此外，數值分析不僅與模型的選取息息相關，還取決于合理計算參數的選取[1-7]。

1 地質概況

本段路線地處云貴高原邊緣山區，構造是控制區內地貌發育的主要因素，區內常背斜成山，向斜成谷。由于區內各地新構造運動抬升速度和幅度的差異，以及地表所經受的外部營力作用強度也不相同，因此所形成的地貌形態差異也較大。地勢西南低、東北高，標高100～1 000 m。根據工程地質調繪及區域性地質資料，場址區位于六黑-六丈向斜M7分支，六丈-那銀向斜M7-1南翼，總體走向近東西向，長度約為22 km，軸部巖層傾角較緩，局部近水平，翼部較緩，約為30°～45°。次級褶皺發育，剖面上多呈不連續波狀起伏，縱橫向節理均較發育。除此外，未見有活動性斷裂通過。場址區附近(CZ)為3°∠37°，主要發育的節理、裂隙產狀及密度分別為：(J1)10°∠80°，2～3條/m；(J2)92°∠62°，1～2條/m；(J3)191°∠71°，2～3條/m；(J4)275°∠70°，2～3條/m。

路塹邊坡地形較陡，坡度約20°～30°，邊坡上部為殘坡積層和全風化層土質邊坡，下部為強-中風化巖巖質邊坡。地質結構情況為：土層厚0.8～2.3 m，分布不均，為硬塑狀黏土，基巖為砂巖，為中厚層狀，巖質稍硬，巖體較破碎，全風化層厚5.9～16.8 m，強～中風化層厚>20 m，且由于巖層層面和坡面呈順向關系，穩定性較差。根據原地質鉆孔情況可知，該段邊坡為典型的順層巖質邊坡。

2 邊坡開挖和防護施工分析

2.1 參數選取

路塹高邊坡巖土體物理力學參數見表1。

表1 物理力學參數表

2.2 模型建立

為滿足分析需要，對模型進行了簡化，模型尺寸為：x-150 m，y-20 m，z-100 m，其中模型底部固定約束，背面及左右側法向約束，坡體原地面為自由面。邊坡模型采用Mohr-Coulomb屈服模型，共劃分單元31 540個，節點34 250個，得到FLAC3D網格劃分及分組模型如圖1所示。

圖1 FLAC3D邊坡模型圖

2.3 計算分析

對于該順層巖質高邊坡工程開挖主要采用上部卸載、坡面防護的方案，按照自上而下的開挖施工順序，分九級臺階進行開挖(每10 m分一級)，邊坡錨桿(索)框架梁防護方案如圖2所示，本模型共施加錨桿、錨索單元及梁單元等結構單元共3 257個，結構節點4 823個。

圖2 邊坡防護方案(從上而下)設計圖(單位：m)

由于篇幅限制，僅對各級邊坡開挖完成后的最大位移進行分析。

2.3.1 第一級邊坡開挖

圖3 第一級邊坡開挖后最大位移等值線云圖

第一級邊坡開挖完成后，由于開挖卸載的影響，第一級坡底表現出向上回彈的特性，其最大位移接近1.34 mm(見圖3)。

2.3.2 第二級邊坡開挖

圖4 第二級邊坡開挖后最大位移等值線云圖

第二級邊坡開挖完成后，坡腳同樣表現出向上回彈的特性，其最大位移達到3.8 mm，較第一級邊坡位移變形明顯，這也說明了一般坡體坡面越長，分級開挖的次數也就越多，對坡體土體的擾動越大，坡體位移變形也越大，越不利于邊坡的穩定，在邊坡設計中應該考慮相關加固措施，如圖4所示。

2.3.3 第三級邊坡開挖

圖5 第三級邊坡開挖后最大位移等值線云圖

第三級邊坡開挖完成后，坡腳表現出向上回彈的特性，其最大位移接近7.64 mm，如圖5所示。本邊坡前三級邊坡坡率較緩，達到1∶1.5，設計中采用三維網植草防護，盡管坡體位移進一步發展，但邊坡穩定性不受影響。

2.3.4 第四級邊坡開挖

圖6 第四級邊坡開挖后最大位移等值線云圖

第四級邊坡開挖完成后，設計對于坡體采用錨桿框架防護，通過比較不難發現，錨桿框架梁支護使中部坡體淺層部位的位移大幅減小，最大位移僅為5.7 mm，提高了邊坡中部穩定性。當坡體發生位移時，巖土體會對錨桿產生剪切與拉伸作用，從而使巖體得以加固。錨桿的存在會對坡體淺部有加固作用，而錨桿與框架梁組合成為有機支護整體，能夠均化坡體位移場和應力場分布，如圖6所示。

2.3.5 第五級邊坡開挖

圖7 第五級邊坡開挖后最大位移等值線云圖

第五級邊坡開挖完成后，在先期應力場的作用下，坡體出現卸載回彈，其最大位移接近13.0 mm。設計對于坡體采用預應力錨索框架護坡，能在一定程度上改善坡體的位移變形，保證坡面的穩定性。按模擬結果，錨索沿長度方向受拉，但其應力分布形式沿錨索長度方向有所不同。一般情況下，順坡向位移由坡面向坡內逐漸減小，若錨索未與框架梁形成整體或錨索布置間距過大，都會削弱錨索框架對坡體淺層位移的減小作用。錨索設計應遵循小間距、小噸位的原則，如圖7所示。

2.3.6 第六級邊坡開挖(見圖8)

圖8 第六級邊坡開挖后最大位移等值線云圖

2.3.7 第七級邊坡開挖(見圖9)

圖9 第七級邊坡開挖后最大位移等值線云圖

2.3.8 第八級邊坡開挖

圖10 第八級邊坡開挖后最大位移等值線云圖

以上第六～八級邊坡開挖完成后，設計對于坡體采用預應力錨索框架護坡(長19 m)。三次邊坡開挖并施作支護后的最大位移分別為13.44 mm、17.56 mm、18.67 mm，有緩慢增長的趨勢，且最大位移均出現在坡腳部位，而坡面的最大位移都控制在10 mm內，表明預應力錨索相結合的框架梁結構對邊坡起到了主動防護的作用，使坡面指向坡外的順坡向位移明顯減小。一般來說，主動防護作用與錨索力的大小有關，有賴于設計對邊坡位移限值的考慮，如圖10所示。

2.3.9 第九級邊坡開挖

圖11 支護后X向位移等值線云圖

圖12 支護后Z向位移等值線云圖

圖13 支護后最大位移等值線云圖

圖11～13為邊坡支護后水平X向、豎直Z向及最大位移等值線云圖。邊坡經支護后，由于錨索(桿)框架梁及預應力的影響，臨空向位移量顯著減小，X方向水平位移最大值轉移到第四級臺階平臺處，最大水平位移達到-11.7 mm；Z方向豎向位移最大值同樣發生在第四級臺階平臺處，最大值約為16.1 mm；同時，由最大位移等值線云圖可以看出，坡體最大位移出現在坡面第四級臺階平臺附近范圍內，此時，最大位移量僅為約18.73 mm。由此可見，巖土體已與加固結構形成一個復合整體，使坡體開挖后的順坡向位移有較顯著的減小，極大提高了邊坡的穩定性。

3 結語

本文利用FLAC3D分析了某高速公路路塹順層巖質邊坡在采用錨桿(索)與框架梁結構加固方案后的穩定性，得出結論如下：

(1)第一～三級邊坡開挖完成后，由于開挖卸載的影響，開挖坡腳出現向上回彈的特性，表明坡體坡面越長，分級開挖次數越多，巖體擾動越大，坡體位移越大，邊坡開挖穩定性越差。

(2)開挖第四級邊坡后，采用錨桿框架防護使中部坡體淺層部位的位移顯著減小，最大位移僅為5.7 mm，提高了坡體中部的穩定性。

(3)開挖第五～八級邊坡后，采用預應力錨索框架結構對邊坡起到了主動防護的作用，使坡面指向坡外的順坡向位移明顯減小，能在一定程度上改善坡體的位移變形，保證坡面的穩定性。設計中錨索應遵循小間距、小噸位的原則，以減小局部變形。

(4)邊坡開挖并防護完成后，由于錨索(桿)框架梁及施加預應力的作用，巖體已與加固結構形成一個有機復合整體，使坡體開挖后的順坡向位移顯著減小，極大提高了邊坡的穩定性。