基于FLAC3D的巖石邊坡分步開(kāi)挖穩(wěn)定性分析

蔡佳豪

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川成都 610031)

邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題是公路、鐵路、水利水電工程建設(shè)中一個(gè)重要的工程地質(zhì)問(wèn)題[1]。由于巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)常會(huì)造成較大的損失和災(zāi)害，因此巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性問(wèn)題受到越來(lái)越多的人的重視。對(duì)于巖質(zhì)邊坡的病害問(wèn)題，人們常常關(guān)心的是巖質(zhì)邊坡開(kāi)挖后的整體穩(wěn)定性情況[2]。目前，針對(duì)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析的方法主要有極限平衡法、工程類比法、數(shù)值模擬方法[3]。極限平衡法由于原理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用，但是極限平衡法不能實(shí)時(shí)跟蹤與分析由于邊坡開(kāi)挖引起的變形和應(yīng)力，故而存在一定的局限性[4]；工程類比法是針對(duì)類似成功的工程案例進(jìn)行分析，然而，各個(gè)地區(qū)的工程地質(zhì)情況各不相同，從而使分析結(jié)果造成較大的誤差，因而未被廣泛使用[3]；數(shù)值模擬因?yàn)榫哂心軐?shí)時(shí)跟蹤與分析分步開(kāi)挖引起的變形和應(yīng)力以及對(duì)邊坡支護(hù)進(jìn)行合理模擬，因而被越來(lái)越多的工程師采用[2]。本文基于數(shù)值計(jì)算軟件FLAC3D對(duì)重慶市奉節(jié)縣某巖石邊坡進(jìn)行分步開(kāi)挖模擬并分析其穩(wěn)定性。

1 項(xiàng)目工程概況

梅溪河雙線大橋位于奉節(jié)縣白帝鎮(zhèn)袁梁村躍進(jìn)門，橋梁鄭州端與金盆隧道出口相連，萬(wàn)州端與干溪溝隧道進(jìn)口相連。橋址兩岸為陡立岸坡，岸坡巖性為三疊系中統(tǒng)巴東組三段(T2b3)的泥質(zhì)灰?guī)r夾灰?guī)r、頁(yè)巖，上部覆蓋有粉質(zhì)黏土及碎石土。

場(chǎng)區(qū)屬剝蝕低山河谷地貌，地形起伏較大，地面高程140～480m，最大高差約200m，自然坡度25～60 °，部分為陡坎地形。橋址兩端地形較陡，居民房較密集。梅溪河在該橋位河道較順直，屬切割河谷地貌，成U字形河谷，河兩邊岸壁陡峭。

2 工程邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 模型建立

根據(jù)測(cè)區(qū)等高線圖借助三維地質(zhì)建模軟件GOCAD建立三維實(shí)體模型(圖1)，模型長(zhǎng)200m，寬140m，最高位置達(dá)到110m。實(shí)際工程中，對(duì)該巖石邊坡采取自上而下分四步開(kāi)挖。

圖1 邊坡開(kāi)挖計(jì)算模型

2.2 計(jì)算參數(shù)及本構(gòu)模型選取

根據(jù)勘察資料，該地區(qū)地層主要以W3和W2泥質(zhì)灰?guī)r夾泥灰?guī)r為主，其物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，本次計(jì)算考慮整個(gè)巖石邊坡參數(shù)均取為W3灰?guī)r力學(xué)參數(shù)(考慮最不利情況，有利于邊坡安全)。計(jì)算采用摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則和彈塑性本構(gòu)模型。

表1 邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)

2.3 約束情況

計(jì)算區(qū)域各邊界均取法向位移約束，即x方向約束x方向位移，y方向約束y向位移，底部邊界設(shè)為固定邊界。

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

2.4.1 初始應(yīng)力場(chǎng)

圖2為原始巖石邊坡在自重作用下主應(yīng)力，從圖中看可以看到，最大和最小主應(yīng)力分布均勻，等值線平滑，無(wú)畸變點(diǎn)，隨深度增大量值不斷增大，坡腳位置存在應(yīng)力集中，與常規(guī)認(rèn)識(shí)相符合，說(shuō)明此應(yīng)力場(chǎng)可作為后續(xù)分析的初始應(yīng)力場(chǎng)。

(a)最大主應(yīng)力

(b)最小主應(yīng)力圖2 主應(yīng)力

2.4.2 第一次開(kāi)挖計(jì)算結(jié)果

圖3和圖4分別為第一次開(kāi)挖后自重作用下巖石邊坡x方向和和位移三維云圖。從三維圖中可以看到，由于開(kāi)挖引起的x方向位移數(shù)值很小，最大僅為1mm左右，主要分布在開(kāi)挖部分頂部和靠近坡腳的位置；其次由于本次開(kāi)挖引起的和位移數(shù)值也很小，最大僅為2mm，忽略邊界的影響，主要分布在本次開(kāi)挖位置。

圖3 x方向位移三維云圖

圖4 位移三維云圖

2.4.3 第二次開(kāi)挖計(jì)算結(jié)果

圖5和圖6分別為第二次開(kāi)挖后自重作用下巖石邊坡x方向和和位移三維云圖。從三維圖中可以看到，由于第二次開(kāi)挖引起的x方向位移數(shù)值很小，最大也不到1mm，主要分布在本次開(kāi)挖頂部和底部平臺(tái)位置；其次由于本次開(kāi)挖引起的和位移數(shù)值也很小，最大僅為2mm，主要分布在本次開(kāi)挖底部平臺(tái)位置處。

圖5 x方向位移三維云圖

圖6 位移三維云圖

2.4.4 第三次開(kāi)挖計(jì)算結(jié)果

圖7和圖8分別為第三次開(kāi)挖后自重作用下巖石邊坡x方向和和位移三維云圖。從三維圖中可以看到，由于第三次開(kāi)挖引起的x方向位移數(shù)值很小，最大僅為0.9mm，主要分布在本次開(kāi)挖頂部位置；其次由于本次開(kāi)挖引起的和位移數(shù)值也很小，最大為4.6mm，主要分布在本次開(kāi)挖底部平臺(tái)位置。

圖7 x方向位移三維云圖

圖8 位移三維云圖

2.4.5 第四次開(kāi)挖計(jì)算結(jié)果

圖9和圖10分別為第四次開(kāi)挖后自重作用下巖石邊坡

圖9 x方向位移三維云圖

圖10 位移三維云圖

x方向和和位移三維云圖。從三維圖中可以看到，由于第四次開(kāi)挖引起的x方向位移數(shù)值很小，最大為6mm左右，主要分布在本次開(kāi)挖部分右側(cè)側(cè)壁；其次由于本次開(kāi)挖引起的和位移數(shù)值也很小，最大為7mm，主要分布在本次開(kāi)挖底部平臺(tái)和右側(cè)側(cè)壁位置。

3 結(jié)論

通過(guò)模擬該巖石邊坡分步開(kāi)挖，由其計(jì)算結(jié)果可知，由于分步開(kāi)挖卸荷作用對(duì)該巖石邊坡的影響很小，無(wú)論是x方向以及和位移均為mm級(jí)，說(shuō)明該巖石邊坡在分步開(kāi)挖作用下穩(wěn)定性很好。