基于RLEM與FEM的高切坡應(yīng)急搶險(xiǎn)工程計(jì)算分析

張石虎 羅登昌 張瑋鵬

(1.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010；2.長(zhǎng)江巖土工程總公司(武漢)，湖北 武漢 430010)

丹江口庫區(qū)許家畈安置點(diǎn)高切坡應(yīng)急搶險(xiǎn)工程位于丹江口市三官殿辦事處許家畈村，因安置點(diǎn)建設(shè)場(chǎng)地整平開挖，場(chǎng)地北西側(cè)形成最高約43m的高切坡，主要為巖質(zhì)高切坡，高切坡類型主要為Ⅰ2類。如圖1所示，受到強(qiáng)降雨影響，高切坡已出現(xiàn)滑移變形跡象，失穩(wěn)將影響300人的生命財(cái)產(chǎn)安全，危害程度很嚴(yán)重。高切坡安全等級(jí)為一級(jí)。

圖1 丹江口庫區(qū)許家畈安置點(diǎn)高切坡應(yīng)急搶險(xiǎn)

自然界中巖質(zhì)邊坡非常復(fù)雜[1]，坡內(nèi)部包含大量結(jié)構(gòu)面，如節(jié)理、裂隙、軟弱帶和斷層等。針對(duì)巖質(zhì)邊坡，最常用的分析方法是剛體極限平衡方法(Rigid Limit Equilibrium Method)[2]和有限單元方法(Finite Element Method)[3]，兩者分析方法和模型各有特點(diǎn)，其中有限單元方法更能夠體現(xiàn)出復(fù)雜巖體的力學(xué)特性[4]，已經(jīng)較成功地應(yīng)用于各種巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析。

本文將有限單元方法(FEM)和剛體極限平衡方法(RLEM)相結(jié)合，對(duì)丹江口庫區(qū)許家畈高切坡進(jìn)行了建模，分析了該高切坡的工程地質(zhì)條件和可能的失穩(wěn)模式，并分別基于RLEM與FEM兩種計(jì)算方法，對(duì)典型剖面治理前后進(jìn)行穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)，為類似問題探索一條新的技術(shù)分析路徑，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。

1 工程地質(zhì)

高切坡位于許家畈安置點(diǎn)西南側(cè)，如圖2所示，全長(zhǎng)約138m，高切坡平面走向較順直，走向289°～320°，坡向41°～43°，坡腳高程約149.6～150.4m，坡眉高程153～193m,最大坡高約43m，該段切坡開挖坡角34°～46°。坡體由絹云母石英片巖構(gòu)成，巖體破碎，完整性差，呈強(qiáng)風(fēng)化狀。高切坡類型為Ⅰ2類。片巖片理產(chǎn)狀172°～174°∠62°～63°，坡體傾向41°～43°，片理傾向與坡體傾向的交角為131°～133°，該段高切坡屬逆向坡。

圖2 許家畈村安置點(diǎn)高切坡工程地質(zhì)分段示意圖1—第四系殘坡積； 2—第四系滑坡積； 3—中元古界武當(dāng)群；4—粉質(zhì)黏土； 5—碎塊石土； 6—絹云石英片巖； 7—基巖與第四系界線； 8—變形裂縫及編號(hào)； 9—變形體范圍及代號(hào)

地層分述如下：

a.中元古界武當(dāng)山群(Pt2wd)，巖性為灰黃色、灰色絹云母石英片巖，巖性軟弱，強(qiáng)度較低，屬軟巖類。

b.第四系殘坡積層(Qel+dl)：物質(zhì)成分為粉質(zhì)黏土夾碎石，黃褐色，可塑，碎石含量約10%～15%，粒徑一般1～2cm，成分主要為全、強(qiáng)風(fēng)化絹云母石英片巖，一般厚1～5m。

c.第四系滑坡積層(Qdel)：物質(zhì)成分為碎塊石土，碎塊石含量約80%～90%，粒徑一般2～5cm，成分主要為絹云母石英片巖，細(xì)粒主要為粉質(zhì)黏土及巖屑，一般厚1～5m。巖體物理力學(xué)參數(shù)建議值見表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)建議值

2 穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)

通過分析該高切坡的工程地質(zhì)條件，得到以下兩種破壞模式：?高切坡表層巖體破碎，降雨后，絹云母石英片巖抗剪強(qiáng)度低，在重力作用下，切坡淺表層強(qiáng)風(fēng)化巖體內(nèi)，產(chǎn)生類似圓弧形的滑移牽引變形破壞或折線形的滑移變形破壞；?不利的結(jié)構(gòu)面和邊坡面組合切割而成的楔形體滑移變形破壞。

如圖3所示，以3-3′剖面為分析對(duì)象分別采用基于RLEM的圓弧滑動(dòng)法[5]、折線滑動(dòng)法[5]和基于FEM的強(qiáng)度折減法[6-7]、赤平極射投影分析法[3]對(duì)穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算采用巖土體飽和抗剪強(qiáng)度，不考慮動(dòng)水壓力和地震力。計(jì)算主要參數(shù)見表1。

圖3 3-3′工程地質(zhì)剖面圖

2.1 基于RLEM的圓弧滑動(dòng)法

對(duì)高切坡進(jìn)行圓弧滑動(dòng)面全局搜索和計(jì)算，得到的最危險(xiǎn)滑面見圖4。計(jì)算結(jié)果安全系數(shù)Fs=1.178。

圖4 圓弧滑動(dòng)計(jì)算簡(jiǎn)圖

2.2 基于RLEM的折線滑動(dòng)法

選取高切坡底滑面為折線段，用基于RLEM的傳遞系數(shù)法[5]計(jì)算折線滑動(dòng)安全系數(shù)，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖5所示，計(jì)算結(jié)果安全系數(shù)Fs=0.986。

圖5 折線滑動(dòng)法計(jì)算簡(jiǎn)圖

2.3 基于FEM的強(qiáng)度折減法

根據(jù)天然邊坡地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、風(fēng)化卸荷等地質(zhì)條件，建立有限元計(jì)算模型(見圖6)，本構(gòu)模型依據(jù)莫爾-庫侖準(zhǔn)則[8]，結(jié)合強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)。降強(qiáng)系數(shù)F在進(jìn)行強(qiáng)度折減時(shí)，計(jì)算公式為

(1)

式中，c0,f0分別為未折減前巖體的黏聚力和摩擦系數(shù)，F(xiàn)為降強(qiáng)系數(shù)。

圖6 3-3′剖面有限元網(wǎng)格模型

圖7 塑性應(yīng)變?cè)茍D(降強(qiáng)系數(shù)F=1.01)

如圖7所示，當(dāng)降強(qiáng)系數(shù)F=1.01時(shí)，邊坡塑性應(yīng)變?cè)黾樱苄郧^(qū)由坡腳沿著底滑面逐漸向上發(fā)展，在高程185m處屈服區(qū)通過強(qiáng)風(fēng)化巖體區(qū)域繼續(xù)向上發(fā)展，繼而貫通至坡頂，整個(gè)邊坡發(fā)生失穩(wěn)，穩(wěn)定性安全系數(shù)Fs=1.01。

圖8 結(jié)構(gòu)面赤平極射投影分析

2.4 赤平極射投影分析法

如圖8所示，由邊坡巖體裂隙與巖層面和坡向繪制的赤平投影圖分析可知：外傾結(jié)構(gòu)面(面B)、片理面(面A)與邊坡面相交形成楔形體，處于可能滑動(dòng)狀態(tài)，計(jì)算結(jié)果安全系數(shù)Ks=2.719。

2.5 高切坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，結(jié)合地質(zhì)條件，可以得出以下穩(wěn)定評(píng)價(jià)[9]：

高切坡整體處于不穩(wěn)定—欠穩(wěn)定狀態(tài)。長(zhǎng)期運(yùn)行下巖體會(huì)產(chǎn)生風(fēng)化剝落、掉塊，以及表層因不利結(jié)構(gòu)面組合塊體滑塌。高切坡的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果與高切坡破壞模式分析吻合。

3 設(shè)計(jì)方案

高切坡的安全等級(jí)為一級(jí)。《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330—2013)[9]規(guī)定：一級(jí)永久邊坡一般工況下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fst≥1.35。

如圖9所示，設(shè)計(jì)方案考慮以削坡減載為主，坡面采用格構(gòu)錨桿+植被護(hù)坡，切坡坡頂布設(shè)截水溝，坡腳布設(shè)排水溝，將水匯入坡腳市政排水系統(tǒng)。

圖9 3-3′剖面設(shè)計(jì)方案

高切坡按照設(shè)計(jì)坡率1∶2開挖。格構(gòu)梁為框格狀，水平間距為2.0m，垂直間距為2.0m。格構(gòu)梁的混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C25。格構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)置錨桿，錨筋采用直徑為25mm的HRB400級(jí)鋼筋，傾角為20°，錨桿鉆孔直徑110mm，錨桿長(zhǎng)度8m、11m，錨桿注漿強(qiáng)度等級(jí)為M30。

混凝土格構(gòu)內(nèi)采用土工格室回填肥土15cm厚，坡面播種植草。坡頂設(shè)置截水溝，第一級(jí)和第三級(jí)馬道設(shè)置排水溝，坡腳設(shè)置護(hù)腳墻，擋墻的尺寸為高1.9m、埋深0.6m，采用漿砌塊石砌筑，墻后為綠化槽。

4 治理后穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

設(shè)計(jì)方案考慮以削坡減載為主，3-3′剖面強(qiáng)風(fēng)化巖體內(nèi)部最危險(xiǎn)圓弧滑動(dòng)面部分已經(jīng)被開挖，治理后穩(wěn)定性計(jì)算采用基于RLEM的折線滑動(dòng)法和基于FEM的強(qiáng)度折減法進(jìn)行，計(jì)算采用巖土體飽和抗剪強(qiáng)度，不考慮動(dòng)水壓力和地震力。

4.1 基于RLEM的折線滑動(dòng)法

對(duì)削坡減載后的高切坡，選取底滑面作為折線，考慮錨桿錨固力，用基于RLEM的傳遞系數(shù)法計(jì)算折線滑動(dòng)安全系數(shù)，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖10所示，計(jì)算結(jié)果安全系數(shù)Fs=1.961。

圖10 治理后3-3′剖面折線滑動(dòng)法計(jì)算簡(jiǎn)圖

4.2 基于FEM的強(qiáng)度折減法

圖11 治理后邊坡有限元網(wǎng)格模型

如圖11所示，對(duì)治理后的高切坡，建立有限元計(jì)算模型，巖土體本構(gòu)模型依據(jù)莫爾-庫侖準(zhǔn)則，錨桿按照一維桿單元(見圖12)考慮，錨桿本構(gòu)模型依據(jù)von Mises屈服準(zhǔn)則[10]，由于錨桿水平間距為2m，所以平面應(yīng)變模型考慮厚度為2m，采用強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)。

圖12 錨桿單元局部放大圖

圖13 塑性應(yīng)變?cè)茍D(降強(qiáng)系數(shù)F=2.47)

如圖13所示，當(dāng)降強(qiáng)系數(shù)F=2.47時(shí)，坡腳至高程180m的邊坡內(nèi)部底滑面局部出現(xiàn)塑性區(qū)，但由于錨桿的加固作用未發(fā)生貫通；邊坡高程180～200m內(nèi)部發(fā)生剪切破壞，塑性區(qū)域貫通，整個(gè)邊坡發(fā)生失穩(wěn)，穩(wěn)定性安全系數(shù)Fs=2.47。

4.3 治理后穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

采用削坡+格構(gòu)錨桿+植被護(hù)坡+護(hù)腳墻的治理方案對(duì)高切坡進(jìn)行綜合治理，可以取得較好的效果，治理后高切坡穩(wěn)定性均滿足《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330—2013)有關(guān)穩(wěn)定安全系數(shù)的規(guī)定。

5 結(jié) 論

本文以丹江口庫區(qū)許家畈高切坡應(yīng)急搶險(xiǎn)工程為研究對(duì)象，分析了該高切坡的工程地質(zhì)條件和可能的失穩(wěn)模式；基于RLEM計(jì)算方法，對(duì)典型剖面治理前后進(jìn)行穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)；建立FEM網(wǎng)格模型，分別對(duì)天然邊坡和開挖支護(hù)后高切坡進(jìn)行模擬計(jì)算，分析了全過程受力、變形規(guī)律；建立了基于RLEM與FEM對(duì)高切坡工程綜合分析的技術(shù)路線，為研究同類工程探索了一條途徑。