某順層巖質邊坡及其支護穩定性數值分析

吳聲志

(機械工業第六設計院有限公司福建分公司 廈門市 361000)

0 引言

隨著我國基礎建設重心的西移，交通基礎設施建設不斷向山區發展，巖質邊坡被大量修建。路塹開挖后導致土體應力重分布，尤其當巖層為順層條件時，由于巖層抗滑巖體減少，導致邊坡整體抗滑力下降，結構面的強度不滿足自身的重力所產生的下滑力，極易發生邊坡滑坡，從而引發相應次生災害，因此邊坡穩定性問題不可忽視。目前國內已有不少學者對邊坡的穩定性進行了分析研究，研究重心主要集中于高速公路、城市干道、水利工程等[1-3]，并取得了許多研究成果，如錨索技術在巖質邊坡加固中得到進一步應用[4-5]。

為研究順層巖質邊坡支護穩定性、改善邊坡結構面易失穩問題，以某巖質邊坡為研究對象，采取噴混凝土及施加錨桿的支護方案，基于Midas/GTS軟件平臺對巖質邊坡支護前后邊坡塑性區分布情況、邊坡整體位移變化以及剪切應力的變化規律進行研究，分析該巖質邊坡的支護穩定性。

1 工程概況

某巖質邊坡，位于盆地丘陵、低山地區，高約24m，是一個巖層外傾的順層邊坡，邊坡主要以凝灰巖組成，風化程度較高，頂部為全風化凝灰巖層，其下為強風化凝灰巖以及中風化凝灰巖，中風化凝灰巖巖體完整性較好。巖土參數如表1所示。

表1 土層參數表

根據邊坡巖土體性質，擬定支護方案采用第三級1∶1.25放坡，其余兩級1∶1放坡，每級放坡之間留2m的馬道，每級坡高8m。邊坡錨桿采用直徑為20mm的HRB400鋼筋，長度為6m。坡腳設置9m高的重力式擋墻。支護方案設計參數如表2所示。

表2 支護參數表

施工具體步驟為開挖一級邊坡，一級邊坡噴混凝土、施作錨桿(工序1)→開挖二級邊坡，二級邊坡噴混凝土、施作錨桿(工序2)→開挖三級邊坡，三級邊坡噴混凝土、施作錨桿(工序3)→擋土墻施工開挖，施作擋土墻(工序4)。

2 有限元模型建立

在利用Midas/GTS軟件建立有限元模型時，邊界的選取十分重要。邊界范圍越大能夠讓計算結構更接近真實結果，但與此同時則帶來計算量過大的問題，因此需要綜合考慮相關因素再選擇合理邊界范圍[6-7]。根據摩爾-庫倫強度屈服準則將邊坡及周圍土體視為理想彈塑性材料，邊坡地面采用固定支座約束，坡面為自由邊界，荷載僅考慮土體自重。邊坡單元主要以三面體和四面體混合而成，共2255個節點，2273個單元，邊坡的錨桿實際作用機理除了能夠起到一定的抗拔作用以外，還能承受一定的剪力。但考慮一定的安全儲備情況下，在模型建立過程中錨桿采用植入式桁架單元來模擬，噴混凝土采用板單元來模擬。采用的模型尺寸邊界及網格模型如圖1、圖2所示。

圖1 建模尺寸示意圖

圖2 邊坡模型網格圖

3 結果分析

3.1 塑性區及位移結果分析

邊坡的塑性區分布是坡體應力重分布的結果，能夠反映邊坡的變形以及邊坡是否發生失穩破壞。因此建立巖質邊坡的二維模型，分析了初始應力狀態以及支護施作完成后的邊坡塑性區分布，如圖3、圖4。

圖3 初始狀態下邊坡塑性區分布圖

圖4 支護后邊坡塑性區分布圖

分析圖3和圖4得到：

在對邊坡進行支護前的初始狀態下，如圖3所示，塑性區分布面積不大，主要集中在全風化凝灰巖層以及強風化凝灰巖層，且沿全風化凝灰巖層至強風化凝灰巖層邊坡塑性變形貫通上下，其中在靠近強風化凝灰巖層與中風化凝灰巖層分界面處的塑性應變值最大，為1.42×10-3，是邊坡最危險的滑動巖層的等效塑性應變區。由圖可看出該潛在的表層滑動帶呈圓弧狀，破壞形式為平面剪切滑動。由圖4看出在支護完成后，邊坡塑性區面積有所增大，且塑性應變最大值位置轉移至中風化凝灰巖層，但由于該層巖層風化程度低，且最大塑性應變值從初始狀態減小至2.15×10-4，坡體發生破壞的概率大大減小。

邊坡位移云圖揭示了邊坡開挖時坡面處的變形情況，反映了邊坡的位移變化。分析圖5可以發現，

對比邊坡支護前后的位移云圖，邊坡在初始狀態下整體位移值較大，最大位移值為43.8mm，位于全風化凝灰巖層至強風化凝灰巖層之間。在進行噴混凝土及錨桿支護之后邊坡的整體最大位移為12.6mm，位移減小了31.2mm。分析可知采用噴混凝土錨固的支護措施之后，由于錨桿的存在，承受較大拉力的同時也起到一定抗剪抗滑作用，極大地約束了邊坡的側向位移以及限制等效塑性區域的發展，避免危險滑面發生滑動破壞，邊坡穩定性得以提高。

3.2 剪切應力分析

利用Midas/GTS有限元分析軟件對該巖質邊坡在支護施作過程的剪應力變化情況進行計算，計算結果如圖6所示。

邊坡坡面處的最大剪應力代表邊坡可能出現應力集中的部位，應力集中的逐漸擴展容易導致邊坡發生剪切破壞。從圖6(d)中可以看出初始狀態下邊坡最大剪應力為1.085MPa，支護施作完成后減小

圖5 支護前后邊坡整體位移云圖

圖6 各階段施工完成后剪應力云圖

至1.035MPa，可知邊坡的開挖支護對邊坡深處最大剪應力值影響較小。對比支護前后坡面位置處的剪應力值發現，除受支護結構影響較大的邊坡坡面剪應力有所增大以外，剪應力分布從下至上呈過渡狀態，由邊坡深處向臨空面層層遞減。在未進行支護前坡腳處剪應力值較大，出現坡腳處的應力集中現象，是導致該邊坡發生剪切破壞的重要荷載因素。由圖6(a)也可以看出，在第一級邊坡支護完成之后，坡面剪應力主要集中在一級邊坡與二級邊坡位置，此時主要影響邊坡穩定性的因素就是支護結構的抗剪強度。分析圖6(a)～圖6(d)，發現三級邊坡開挖支護過程中，隨著工序的施作推進，坡面處的最大剪應力值增大了0.065MPa，但增加幅度有限，由于支護結構存在坡面并不會發生剪切破壞。分析支護過程發現，每級邊坡進行開挖支護后，坡體剪切力大小整體分布趨勢基本不變，但由于邊坡上部土體自重的減輕使得坡腳處剪應力值都有所減小，在第三級、二級、一級邊坡分別施作完成后，坡腳剪應力相應的減小了7.8%、18.3%和56.2%，表明支護結構能夠改善邊坡坡面剪應力分布情況，減小邊坡坡腳處的剪應力和剪應力集中現象，施工過程坡腳處發生剪切破壞情況的可能性較低。

4 結論

通過Midas/GTS有限元分析軟件，研究分析了某巖質邊坡支護方案下的塑性區變化、整體位移及剪切應力的變化規律，得到了以下主要結論：

(1)初始狀態下，等效塑性應變區位于該邊坡全風化凝灰巖層與強風化凝灰巖層，破壞形式為平面剪切滑動；在完成支護后，塑性應變最大值位于中風化凝灰巖層，且塑性應變值有所減小，使邊坡發生剪切破壞的概率大大降低。

(2)施作支護結構后邊坡的最大位移值相對初始狀態下邊坡減小了31.2mm，支護結構有效地抑制了邊坡的變形，提高了邊坡穩定性。

(3)影響邊坡穩定性的主要因素是邊坡坡面巖層抗剪強度，支護結構對邊坡剪應力的整體分布趨勢改變較小，但能夠改善邊坡坡面最大剪應力的分布情況；隨著支護措施的施作，坡腳處剪應力值逐漸減小，施工過程中坡腳處發生剪切破壞情況的可能性較低。