基于有限差分模擬的隧道洞口邊坡穩(wěn)定性分析

溫 樹 鑫

(中國水電建設(shè)集團十五工程局有限公司,陜西 西安 710068)

1 概述

近幾年來，隨著我國經(jīng)濟發(fā)展，中西部各項建設(shè)工程的建設(shè)規(guī)模日益增大，隨之而來的施工擾動、降雨等誘發(fā)的各類工程邊坡地質(zhì)災(zāi)害也層出不窮，損失慘重[1，2]。國內(nèi)外學(xué)者們圍繞各類邊坡的穩(wěn)定性分析問題也做了大量研究，如王志強等[3]在不同強度和持續(xù)時間降雨條件下，對高速公路邊坡工程安全坡穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬研究；郭內(nèi)強等[4]模擬分析了不同水位高度和結(jié)構(gòu)面傾角對邊坡穩(wěn)定性的影響；王江榮等[5]利用Geo-Studio軟件和動力有限單元法對蘭州金城公園二期石頭坪景區(qū)北側(cè)典型高邊坡在地震和暴雨工況下的穩(wěn)定性進行了數(shù)值模擬分析。

四川仁壽經(jīng)沐川至屏山新市鎮(zhèn)高速公路馬邊支線段設(shè)馬邊河2號大橋跨越馬邊河，橋梁與河流交角約80°，橋位處馬邊河寬80 m，馬邊河兩岸橫坡較陡，上部陡坎處為厚層砂巖出露，中下部為崩坡積堆積，厚2 m～5 m，下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)自流井組粉砂質(zhì)泥巖夾砂巖，路線原設(shè)計沐川岸斜坡坡表第四系崩坡積角礫土、含碎石粉質(zhì)粘土層采用清除處治，清方范圍為橋梁左右邊線外側(cè)各15 m，清方側(cè)按1∶2.0放坡，坡面做簡易噴護處治。清方邊坡處于整體穩(wěn)定狀態(tài)，但局部存在掉塊現(xiàn)象，尤其是考慮降雨及風(fēng)化作用影響下邊坡的整體穩(wěn)定性需要進一步評估。

本文首先以ANSYS軟件為平臺進行建模并在坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)后導(dǎo)入FLAC3D軟件中以獲取的清表后邊坡模型；其次考慮降雨及風(fēng)化作用影響，基于Hoek-Brown屈服準(zhǔn)則對現(xiàn)場巖土體的初始參數(shù)進行一定的強度折減，進而采用FLAC軟件對依托工程邊坡進行模擬分析，得出相關(guān)結(jié)論可為工程現(xiàn)場下一步的邊坡處治及邊坡附近的施工安排提供指導(dǎo)和建議。

2 現(xiàn)場邊坡清表后的建模過程

2.1 有限差分法軟件FLAC3D簡介

FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua)軟件是由Itasca公司研發(fā)推出的一款全球知名度最高的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析軟件[6，7]，該軟件總共分為二維和三維兩個版本，即FLAC2D及FLAC3D。采用的是拉格朗日連續(xù)介質(zhì)法，即使用有限差分近似公式代替采用數(shù)值計算方法求解偏微分方程的導(dǎo)數(shù)，從而把求解偏微分方程的問題轉(zhuǎn)換成求解代數(shù)方程的問題。主要包括區(qū)域離散化、格點導(dǎo)數(shù)的近似替代、逼近求解等步驟。

2.2 建立邊坡模型

邊坡的尺寸根據(jù)現(xiàn)場邊坡的地質(zhì)勘察和測量數(shù)據(jù)來確定，相應(yīng)土層和巖層厚度等參數(shù)可根據(jù)現(xiàn)場鉆孔的數(shù)據(jù)來確定。邊坡清表后如圖1所示。鑒于FLAC3D軟件難以建立復(fù)雜地質(zhì)模型，且容易出錯，本文采用ANSYS軟件為平臺進行建模。為使模擬計算結(jié)果更加精確，坡腳與同側(cè)計算邊界的距離應(yīng)大于1.5H，本文取2H，坡頂與同側(cè)計算邊界的距離應(yīng)大于2.5H，H為邊坡高度,為75.52 m，模型長521 m。在autoCAD中建立比例為1∶1的二維模型，如圖2所示。

將autoCAD二維模型導(dǎo)入ansysSCDM拉伸建立三維模型，拉伸寬度為50 m，設(shè)置好材料參數(shù)，使用ansysAPDL對該模型進行網(wǎng)格的劃分，坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)后導(dǎo)入FLAC3D的模型，共有近30 000個網(wǎng)格，如圖3所示。

2.3 邊坡模型材料參數(shù)

通過現(xiàn)場工程資料和力學(xué)實驗可獲取相關(guān)模型參數(shù)，但邊坡失穩(wěn)是一個漸進累積破壞過程，再考慮降雨及風(fēng)化作用影響，該過程中巖土體的各個參數(shù)會出現(xiàn)不同程度的衰減，本文擬采用巖體強度預(yù)測及穩(wěn)定性分析領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛準(zhǔn)則之一的Hoek-Brown屈服準(zhǔn)則，查閱現(xiàn)場相關(guān)資料，根據(jù)巖體峰值和殘余強度參數(shù)，參照相關(guān)文獻中的方法，最終得到巖土體的主要參數(shù)取值如表1所示。

表1 模型參數(shù)取值表

3 計算結(jié)果分析

通過施加一定的邊界條件，再生成初始應(yīng)力場，設(shè)置好最大不平衡力及收斂條件即可計算得出邊坡安全系數(shù)為0.95，即邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，極易發(fā)生滑坡。下面是根據(jù)模型切片來具體分析邊坡內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變、位移等。

同時在滑坡處設(shè)置的監(jiān)測點位移也沒有收斂，出現(xiàn)塑性破壞(見圖4)。

通過切片(如圖5所示)可發(fā)現(xiàn)邊坡位移量隨深度的增加而減小，坡表位移最大，在邊坡底部會產(chǎn)生20.0 cm～20.9 cm的位移量，在邊坡上部區(qū)域的位移也在10.0 cm～16.0 cm之間。此外，從模擬結(jié)果也可發(fā)現(xiàn)該邊坡的最大剪應(yīng)變增量、豎向位移、水平位移、位移矢量最大值等出現(xiàn)的位置與邊坡最大位移的位置吻合，其中最大水平位移達(dá)到24 cm、最大豎直位移達(dá)到14.5 cm。坡頂和坡腳區(qū)域較大位移的產(chǎn)生已嚴(yán)重影響邊坡的整體穩(wěn)定性(見圖6)。

4 現(xiàn)場實際工況

在完成邊坡清表工作的一個月后，由于降雨以及施工影響，該邊坡在左線大橋0號臺與1號墩之間的邊坡頂部出現(xiàn)裂縫最大寬2.8 cm，并產(chǎn)生局部塌空，下挫等現(xiàn)象；而在大橋3號墩與4號墩之間的坡腳部位出現(xiàn)最大寬度為13.2 cm的開裂，現(xiàn)場測量隊伍通過對邊坡坡腰部位的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，局部也產(chǎn)生了1 cm～3 cm的整體滑移，見圖7。

基于以上分析和監(jiān)測結(jié)果，現(xiàn)場施工方聯(lián)合設(shè)計院等各家單位，緊急制定治理方案：邊坡中上部進行削坡減載，坡腳進行堆載反壓，同時坡面中下部便于施工的地方采用復(fù)合式錨桿樁處理加固，錨桿樁采用梅花形布置，間距為2.0 m，樁徑為130 mm，樁長為15 m(距離馬邊河位置15 m范圍)和12 m(剩余區(qū)域位置7 m范圍)。此外，對坡頂及坡腳有裂縫的地方進行封閉處理，防止雨水灌入等造成土體強度參數(shù)進一步折減。最終現(xiàn)場成功避免了一次災(zāi)害的發(fā)生，后期持續(xù)一個月的監(jiān)測表明邊坡變形已收斂，監(jiān)測期內(nèi)共計發(fā)生位移不足1 cm。

5 結(jié)語

1)基于依托工程現(xiàn)場地質(zhì)地形參數(shù)，將autoCAD二維模型導(dǎo)入ansysSCDM拉伸建立三維模型，設(shè)置好材料參數(shù)，使用ansysAPDL對該模型進行網(wǎng)格的劃分，坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)后導(dǎo)入FLAC3D軟件中以獲取清表后邊坡模型。

2)考慮降雨及風(fēng)化作用影響，基于Hoek-Brown屈服準(zhǔn)則對現(xiàn)場巖土體的初始參數(shù)進行一定折減，最終根據(jù)有限差分模擬計算得出依托工程邊坡的安全系數(shù)為0.95；通過切片可發(fā)現(xiàn)該邊坡的最大剪應(yīng)變增量、豎向位移、水平位移、位移矢量最大值等出現(xiàn)的位置與邊坡最大位移的位置吻合，邊坡位移量隨深度的增加而減小，坡表位移最大，在邊坡底部會產(chǎn)生20.0 cm～20.9 cm的位移量，在邊坡上部區(qū)域的位移也在10.0 cm～16.0 cm之間。坡頂和坡腳區(qū)域較大位移的產(chǎn)生已嚴(yán)重影響邊坡的整體穩(wěn)定性。

3)現(xiàn)場實際工況證明了研究的合理性：在完成邊坡清表工作的一個月后，由于降雨以及施工影響，該邊坡在左線大橋0號臺與1號墩之間的邊坡頂部出現(xiàn)裂縫最大寬2.8 cm，并產(chǎn)生局部塌空，下挫等現(xiàn)象；而在大橋3號墩與4號墩之間的坡腳部位出現(xiàn)最大寬度為13.2 cm的開裂，現(xiàn)場測量隊伍通過對邊坡坡腰部位的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，局部也產(chǎn)生了1 cm～3 cm的整體滑移。后經(jīng)參建各方緊急處理后邊坡轉(zhuǎn)為安全狀態(tài)。