基于3DEC的巖質邊坡傾倒破壞穩定性分析

許源華 譚化川 劉 品

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550081)

在西南山區的公路建設中，經常遇到反傾的層狀巖質邊坡，在其巖層產狀與開挖坡面具有一定的反傾關系時，開挖切腳臨空后，導致有層理分割形成的板狀巖體在自重彎矩作用下向臨空方向產生懸臂梁式彎曲，并向坡體內部發展，在變形積累到一定階段后產生巖塊轉動、傾倒等變形破壞。傾倒變形破壞演變過程見圖1[1-2]。

圖1 傾倒變形破壞演變過程圖

和其他邊坡變形失穩過程相比，傾倒破壞與巖層、節理的切割、邊坡開挖的空間關系很大。同時在傾倒破壞過程中塊體的運動及對其他塊體產生的影響也會對邊坡穩定性造成較大的影響。

離散元法允許巖塊之間滑動、平移、轉動，以及巖體斷裂等復雜過程，具有宏觀上的不連續性，可以較真實、動態地模擬邊坡塊體在開挖過程中應力、位移、變形狀態的變化特征，以及巖體破壞過程。因此，利用該方法對傾倒破壞進行穩定性分析具有較好的適宜性。

1 工程實例地質條件

貴州省某高速公路互通匝道AK2+910-BK0+382左側挖方邊坡，于2014年12月4日第三級以上防護施工完成后，在進行第二級邊坡開挖過程中，AK2+910-AK2+975段邊坡出現傾倒破壞，第二級邊坡平臺出現多條裂縫(見圖2，分布4條主要裂縫)，裂縫走向主要以N19°E為主，部分為N20°～30°E。裂縫斷續分布，單條長度不大于35 m、寬度多大于15 cm,最大寬度為40 cm。2014年12月15日，第三、四級邊坡平臺也出現裂縫。現場裂縫總體上以拉張變形為主，未發現明顯的剪切滑動或錯落。典型橫斷面見圖2。

圖2 典型橫斷面設計圖

場區上覆第四系殘坡積層碎石土，下伏三疊系中統許滿組薄至中厚層狀質粉砂質泥巖。巖土層從上至下為：

碎石土。灰黃色，碎石成分為粉砂質泥巖，一般粒徑40～80 mm，最大達300 mm，含量55%～65%，其間充填黏土，結構松散、稍濕，厚約2.2 m。

強風化粉砂質泥巖。灰黃色，薄至中厚層狀，地層綜合產狀為248°∠61。節理裂隙發育，節理主要有J1：98°∠70°、J2：195°∠80°、2組，節理間距120～400 mm，單條節理裂隙地表延伸長度2～4 m。巖體破碎，巖石軟，巖芯呈塊狀、碎石狀，厚約15 m。

中風化粉砂質泥巖：灰色，薄至中厚層狀，巖體較完整，巖石較軟，巖芯呈柱狀、塊狀。

根據邊坡變形現象和地質條件分析，附近河流環場區繞行，在溝谷快速下切的過程中巖體卸荷回彈，導致巖體節理裂隙發育，巖體破碎。巖層陡傾，開挖邊坡與巖層走向近平行，造成反傾邊坡，開挖臨空為邊坡產生傾倒破壞提供了條件。邊坡在施工開挖后經歷多次連續降雨，軟化巖體強度，出現傾倒破壞。

2 計算結果及治理分析

2.1 計算模型

依據上述地質調查資料，采用3DEC建立計算模型。根據工程實際情況，按照比例1∶1建模，模型總高100 m、寬130 m。為了簡化計算，通過3DEC軟件中Joint單元設置一組產狀248°∠61°、間距2 m的層面，來模擬實際邊坡。巖土體參數見表1，巖體層面參數見表2。計算采用摩爾-庫侖屈服條件的彈塑性模型。

表1 巖體物理力學參數

表2 巖體層面物理力學參數

由于匝道路基設計線為半徑80 m的曲線，為了較準確地模擬邊坡的實際狀況，通過3DEC內置的fish語言進行編程，實現本工程中邊坡曲線開挖的模型建立[3-5]。三維模型圖見圖3、圖4。

圖3 開挖前后模型圖

圖4 邊坡模型典型斷面圖

對該模型進行邊界約束，在前后左右4個邊界通過約束單向的速度來實現空間半無限體的條件，對下邊界采用3個方向的速度約束條件。通過增加重力并計算穩定來實現重力場的模擬[6]，結果顯示未開挖前邊坡穩定性。之后對模型中“pit excavation”部分進行開挖，計算分析開挖后坡體的變形受力狀態，并與工程實際進行對比分析，驗證邊坡傾倒破壞的穩定性理論計算。

計算表明，隨著運行時步的增加，坡體上位移幅度逐漸增大，位移最大值由運行12 000步時的0.089 m增加到運行20 000步時0.517 m，位移矢量云圖見圖5，同時位移最大區域逐漸突出、集中在A匝道小樁號方向第二級坡面位置，與邊坡實際情況相符。如不采取工程措施，坡面第二級拉裂傾倒區域將與后緣沉降區域貫通，邊坡將進入蠕滑變形階段，進而產生后續的滑動破壞，典型剖面位移矢量云圖見圖6。

圖5 位移矢量云圖(單位：m)

圖6 典型剖面位移矢量云圖(單位：m)

圖7為典型剖面xy方向剪應力圖。

圖7 典型剖面xy方向剪應力圖(單位：Pa)

由圖7可見，最大剪應力集中出現在坡腳和第二級平臺區域，第三級坡面及第四級坡面局部也出現較大剪應力。結合現場調查及受力分析，認為坡腳位置由于開挖切腳臨空，存在剪切滑出的趨勢，因此屬于剪應力較大區域；第二級平臺以下的巖體在相鄰2個層面之間的巖體剪應力存在正負相伴的現象，根據受力平衡分析即存在順向的彎矩，在變形上表現為彎曲，與現場調查的情況相符。

數值模擬結果顯示，第二級平臺以下的巖體存在彎曲傾倒現象，與傾倒破壞的懸臂梁式彎曲理論相符，該區域為邊坡變形失穩的關鍵區域，若能制止該區域的變形發展，將有助于制止傾倒破壞的進一步發展，避免傾倒破壞區域與坡體后緣沉降區域貫通，造成邊坡失穩破壞[7-10]。

2.2 治理方案及效果

由于第三～第五級邊坡防護已經實施，且在第二級邊坡發生傾倒坡壞的情況下沒有發生破壞，在保證原有防護的前提下，不具備放緩邊坡的條件。從數值模擬的結果來看，坡腳的開挖臨空是傾倒破壞的主要誘發因素之一，根據邊坡傾倒拉裂變形機理，結合實際地形條件，采取“以抗滑樁固腳+放緩邊坡及加強邊坡排水”的綜合治理措施。

治理方案示意見圖8。

圖8 典型邊坡治理方案示意(單位：m)

AK2+910-AK2+980第一級邊坡采用2 m×3 m抗滑樁，樁長18 m，懸臂10 m，樁間距6 m，樁間采用掛網噴射混凝土(錨桿長4.5 m)支護；放緩第二級邊坡坡比為1∶1.2；完善坡面及坡體的排水系統；為避免爆破對邊坡造成擾動，高程429 m以下的邊坡開挖采用非爆破方式。

施工及運營期間連續觀測結果表明，坡體變形趨于穩定，說明邊坡加固治理措施有效、合理，邊坡加固實際效果見圖9。

圖9 邊坡加固實際效果圖

3 結語

在總結分析已有傾倒破壞穩定性評價的基礎上，用采用3DEC模擬驗證傾倒變形破壞的動態變形過程及應力、位移的變化，進而對巖質邊坡的傾倒破壞進行穩定性分析，通過實例研究得到如下結論。

1) 陡傾的板狀巖體在自重彎矩作用下發生懸臂梁式彎曲，伴隨互相錯動、拉裂，這種破壞模式在反傾層狀巖質邊坡發生傾倒破壞時較為常見，在整體或局部傾倒破壞時，邊坡將會伴隨出現更多的貫通滑面及變形。

2) 通過3DEC內置的fish語言進行編程，實現了巖質邊坡曲線開挖的模型建立，較準確地模擬了邊坡的實際狀況，數值計算可以較好地模擬實際的變形破壞。

3) 利用3DEC較直觀地反映了傾倒破壞的變形破壞趨勢，在坡腳開挖后開始出現坡體淺表層位移，隨著變形發展，坡面第二級拉裂傾倒區域將與后緣沉降區域呈貫通趨勢，為進一步的治理方案提供支撐。

4) 在對邊坡傾倒破壞進行穩定性判斷的基礎上，綜合分析地質條件和施工條件，采用“以抗滑樁固腳+放緩邊坡及加強邊坡排水”的綜合治理措施，治理效果良好，達到了設計要求。