201脾第3期西南公路XINANGONGLL岩石高边坡稳定性分析李洲(广甘高速公路建设指挥部成都6104[摘要西南山区山高坡陡,地质条件复杂,公路铁路及水电建设将不可避免地形成大量的岩石高边坡,其稳定性常成为工程所关注的重点 针对山区某岩石高边坡工程,采用弹塑性有限元方法并结合工程地质分析,研究了高边坡在开挖降雨地震等多种组合工况下的稳定性,并给出了开挖松动区范围,为工程设计提供了参考 !关键词岩石高边坡,稳定性,有限元,开挖松动区!中图分类号∀u4161+#!文献标识码B0引言近年来随着西部大开发的持续深入,在西南山区修建的公路铁路及水电工程正不断增加,在高陡斜坡岩体上修建的岩石高边坡工程也越来越多 这些高边坡与一般工程边坡相比,突出的特点是坡体所处的地质条件复杂边坡高陡地质构造应力明显地质构造发育等 岩石高边坡的稳定性常常是工程所关注的重点,许多学者和工程技术人员采用不同方法对岩石高边坡的稳定性进行了分析,获取了大量有价值的成果 目前用于分析岩石边坡稳定性的方法主要有极限平衡法,工程地质类比法以及以有限元为代表的数值分析方法等 极限平衡法具有概念清晰操作方便和经验丰富的特点,在工程中得到了广泛的应用,但是其缺点是没能考虑岩体的应力应变关系,仅将坡体视为刚体,无法得到变形结果 有限元作为数值分析方法的代表,凭借其强大的复杂边界条件和材料模拟能力,在边坡工程设计中日益得到重视,目前已在多数大型岩石高边坡工程稳定性分析中得到应用,并取得了良好的效果 本文结合西南山区某岩石边坡工程,采用弹塑性有限元方法对该高边坡在各种工况下的稳定性进行了分析,其研究方法及计算结果可供类似工程参考 1边坡地质条件西南山区某岩石开挖边坡高约55.Om一83.5m,总体走向约N25oE,倾向NW,边坡的地质断面图如图801所示 开挖边坡岩体以弱风化强卸荷的W,级大理岩岩体组成,碎裂一块裂结构,岩体嵌合松弛,完整性普遍差;边坡坡脚局部为弱卸荷的112级大理岩岩体,完整性较差 据前期地质调查和勘探揭示,该开挖边坡范围内岩体中夹有较多的顺层绿片岩透镜体,而且绿片岩性状差软化,普遍强风化成黄褐色,构成开挖边坡中的软弱部位 强风化的顺层绿片岩夹层在后缘开挖边坡中出露时,与后缘NE向倾SE陡倾角裂隙组合,可能构成边坡中不稳定块体,局部可能发生顺层滑动破坏 下游侧开挖边坡坡向与岸坡近于垂直与岩层走向交角大,坡高较低,开挖边坡较为稳定,但与下游开挖边坡坡向近于平行的NW一NWW向陡倾松弛张裂隙对边坡稳定不利 强卸荷界线
图1边坡地质断面图2计算模型及参数选择概化的地质力学模型如图2所示 模型沿xy轴李洲:岩石高边坡稳定性分析的计算范围为 230mx222m 开挖边坡高约60m,分两级开挖 整个模型划分为3245个三节点三角形单元,计算区域的右边界采用法向约束,底部二向约束 初始应力场包括自重应力场和构造应力场,由于边坡工程属于地表工程,对于一般开挖深度不是很大的边坡而言,其构造应力场在长期的地质作用下已消失殆尽,故计算时将初始地应力场处理为自重应力场 隽摊纵下 下岳娜纽长 {图2网格剖分图采用弹塑性材料模拟岩体,屈服准则采用莫尔一库仑屈服准则,岩体力学参数见表1 锚杆锚索分别使用锚杆和锚索单元模拟,喷射混凝土则采用板单元模拟,相关参数见表2 表1岩体力学参数名称原始参数数爆破影响范围 围内力学参数 数Y(MNzm,)E(MPa)卜e(MPa))价衍衍r∃(Mpa))毋( )el+d1QQ0.02010.02221(XX033住 05/0.03325/2lIVII0刀27/0刀2882以%%0255a6人!.48835/3220.3330另 另111,0.02773以%% 02550.9942.44045541.00111..0.02779以X% 0255l5546.990.7554222II0.0277210000之521))53一 51.00499(l)爆破开挖(不加支护) 该工况主要考虑爆破开挖对边坡的影响,根据工程实践经验,大理岩中实施爆破的影响深度为sm左右,有必要对爆破范围内的参数进行适当的折减 根据中科院1980年在生产试验中总结的经验,岩体结构面的内摩擦角爆后比爆前降低10%一巧%,粘聚力爆后比爆前降低40%一60% 该工况按在距坡面sm左右的范围对岩体参数进行如下折减:内摩擦角爆后比爆前降低巧%,粘聚力爆后比爆前降低50% (2)工后降雨(不加支护) 考虑到降雨应该从地表往下渗,将强卸荷线以上的岩土体的参数取为饱和状态下的参数 (3)工后地震(不加支护) 根据成勘院提供的地震资料,地震的烈度为珊级 根据拟静力法将地震影响折合成一个水平方向的加速度,大小为0.1049,在最后一级开挖完成后施加于模型上 (4)工后降雨+地震(不加支护) 该工况同时考虑工况3和工况4的因素,将强卸荷线以上的岩土体的参数取为饱和状态下的参数并施加水平方向的加速度 (5)爆破开挖(加支护) 该工况是在工况2的基础上考虑支护措施,即在每级开挖完成后按设计方案及时进行支护 (6)工后降雨(加支护) (7)工后地震(加支护) (8)工后降雨+地震(加支护) 注:&/∋下参数表示饱水状态;爆破影响范围按距开挖坡面sm范围记 表2锚杆(索)喷射混凝土参数种类直径(厚度))长度(m))问排距距预应力力备注 注 (mm))(m))(kN))系统锚杆杆小28中3226 815x1.55高强螺纹钢筋筋混凝土喷层层 (l(X))预应力锚索索12x小15244405x1552(n %3计算工况根据该岩石边坡工程自身的特点,计算考虑8种工况:4计算结果及分析各种工况下边坡开挖完成后开挖面最大水平位移列于表3中 部分位移应力计算结果见图3和图4 由表3可知:对于爆破开挖不加支护的工况(工况1),坡面最大水平位移为1.54cm,考虑降雨后,位移增加了7%,考虑地震后,位移增加了19%,同时考虑地震和降雨,位移增加27%,量值大约为Zcm;若爆破开挖过程中同时进行支护(工况5),开挖完成后坡面最大水平位移为1.35cm,较不加支护的情况位移降低了12%,考虑降雨后,位移较工况5增加很小,考虑地震后,位移增加23%,同时考虑地震和降雨,位移增加27%,量值达到l)6om左右 8I西南公路表3各种工况下边坡坡面最大水平位移(单位:m)工况咨2;4E(; 6__s(; 8R5+RRH(5玛玛 S+R(SP)).曰.,,,贾胆,_l一∀J0.015440.01655001840019550.01330,013550.01660刀 1655理又曰取人刁 平位移 (m)注:E一爆破开挖:R一降雨;S一地震;Sp一支护同样从各种工况的塑性区和拉应力区分布图可以看出:边坡开挖后,沿开挖面附近均出现了带状分布的塑性区,拉应力区则主要分布在各级边坡的顶部,由开挖面向坡内的延伸长度较塑性区要大,约为Zom 由此可见,边坡开挖后虽然向临空方向产生了一定位移,但位移量值不大,即使在同时考虑地震和降雨的最不利状态下,坡面位移增幅也不大,并未出现可能导致边坡整体失稳的大变形;塑性区和拉应力区向坡内延伸深度在20m以内,这是实际工程中应注意的部位;在采用锚喷支护加锚索后,坡面变形减小,改善了边坡应力变形条件,提高了边坡的稳定性 尸迎塑州第一级开挖松动区第二级开挖松动区_纤
瓜密麟目∀日.(a)水平位移云图(h)受拉区分布图图3工况5计算结果一 .圈逆目口!..洲卜}(a)水平位移云图(h)受拉区分布图图4工况8计算结果由前述计算结果可知,边坡开挖导致开挖面附近岩体进人塑性屈服状态,而且随着开挖深度的增加,塑性区也逐渐向下向坡内延伸 开挖完成后,一级坡附近塑性区向坡内延伸深度一般在sm以内,二级坡附近延伸长度达到15m 开挖导致坡顶部分岩体呈拉应力状态,但拉应力区主要分布于各级边坡顶部,由开挖面向坡内延伸长度一般在20m以内 根据计算结果分析得出的边坡开挖松动区如图5所示 82图5各级开挖后形成的开挖松动区范围5结论通过采用弹塑性力学模型,并且模拟施工顺序进行的二维数值仿真分析,并结合边坡岩体的工程地质条件,对该工程边坡的稳定性得到以下结论:(l)边坡整体是稳定的,不具备产生大规模整体破坏的条件,边坡破坏主要为发生在边坡浅层受结构面控制的局部楔形体失稳破坏,但块体经过加固处理,可以满足运营稳定要求 (2)边坡位移和应力量级及其分布形态,主要取决于边坡岩体的初始应力状态和坡面形态 该工程边坡的拉应力区和塑性区分布深度一般在20m以内,拉应力区主要出现在各级边坡的中上部和各级马道部位,是加固处理应予重视的部位,坡面水平位移量值在1.scm左右 (3)边坡开挖过程中,受开挖卸荷效应爆破等因素的影响,近开挖面一定范围岩体将发生&张开位移∋,这不仅破坏了边坡岩体结构的完整性,而且开挖松动区的边界很有可能构成边坡失稳的边界条件,因此,开挖松动区是工程技术人员最为关心的问题之一,其范围的确定也具有较大的工程价值 根据各级边坡开挖后的塑性区和拉应力区分布规律,可得到边坡的开挖松动区范围,以供下阶段支护设计参考 参考文献[l]张有天周维垣.岩石高边坡的变形与稳定(M工北京:中国水利水电出版社1999l2]陈祖煌,汪小刚.岩质边坡稳定分析一原理方法程序!M]北京:中国水利水电出版社, 2005口2刘爱华.节理裂隙岩体的离散元计算方法IJj.中南工业大学学报,1995,26(4):452一56I4]章光,王永林,阂弘#数值流形元方法及其应用介绍lJl,岩土(程界,200()3(12):44一46l5]赵尚毅,郑颖人,时卫民等.有限元强度折减法求边坡稳定安全系数[Jl.岩土卜程学报, 2002,24(3)二343~3奶