缓倾顺层岩质边坡变形数值模拟及处治方案研究

赵久欢　于　萌　刘　品

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司　贵阳　550081)

缓倾顺层岩质边坡变形数值模拟及处治方案研究

赵久欢于萌刘品

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司贵阳550081)

摘要以黄花互通D匝道边坡为依托，采用FLAC软件对边坡进行数值模拟，探讨了水力作用对边坡变形破坏的影响；分析了预应力锚杆边坡加固前后模型水平位移变化。研究表明，加固后边坡稳定性大为改善，在水力作用下，边坡各处位移也非常小，甚至小于加固后无水力作用的情况。通过现场边坡位移监控，评价了该边坡处治效果。

关键词顺层岩质边坡数值模拟预应力锚杆稳定性系数现场监测

针对顺层问题，国内外学者进行了深入研究。概括来说，顺层边坡变形破坏机理为以下几种形式：滑移破坏型、溃曲破坏型、滑移-压致拉裂型[1-2]。程强[3]等研究表明，边坡变形破坏一般经历开挖后应力重新调整、陡倾裂隙、节理不断发展、最终演变成变形破坏这3个阶段。同时，边坡坡角和地层构造岩体的倾角比较相近时，此类边坡有较大可能发展成为滑坡。对于顺层缓倾角边坡的破坏变形机理认识还不是很清楚，通常情况下认为它与岩体边坡体的弯曲变形破坏有关[4]。

虽然目前在顺层边坡的破坏机制、稳定性分析、治理方法等方向的研究获得了不少成果，但是依然存在以下不足：①对各个影响因素的评价没有形成量化指标；②为了便于研究分析计算通常忽略岩体中的一些作用力不计，这必然导致分析计算结果的偏差；③通常只是把边坡当做整体处理，未能考虑内部岩体存在的裂隙、节理，很难与实际所匹配。

本文从现场顺层处治方法、数值模拟、现场位移监测这3个方面，论述了高速公路顺层边坡的破坏机理和处治技术研究。

1工程概况

黄花互通D匝DK0+170～DK0+300段挖方路基右侧边坡发生大面积滑移，滑移体厚6～7m，裂缝最大宽度达到10m；通过分析得边坡滑移原因为：滑坡段为岩质边坡，岩性为中厚层状泥灰岩夹泥质页岩，泥质页岩夹层厚3～5cm，质地软弱、抗风化能力差且遇水软化，属层间软弱夹层；滑坡段为顺向坡，岩层倾角8°～12°，滑面上方岩体裂隙发育，将岩体切割成块状、巨块状、透水性好。路基开挖后破碎岩体临空，加上降水频繁，大气降水入渗后受到泥质页岩阻隔并沿泥质页岩不断渗流，在这一过程中泥质页岩发生软化，形成滑动面。鉴于此，针对本边坡提出以下处治方案。

(1) 确定将该段滑移体以及滑动面范围内不稳定的岩体全部进行卸载。

(2) 确定在边坡平台及卸载后的坡面采用预应力锚杆对下部岩层进行加固；边坡平台处设置2道钢筋混凝土地梁。

(3) 确定DK0+110～DK0+250段边坡采用主动柔性挂网防护，DK0+250～DK0+395段采用挖方边坡挂网植爬壁藤防护。

2支护体系模型

2.1模型条件

根据边坡几何形态，借助FLAC程序建立边坡模型见图1，模型土层参数见表1。

图1　边坡FLAC模型和监控点布设位置图

岩石类别密度/(kg·m-3)泊松比μ弹性模量/MPa剪切模量/MPa抗剪强度粘聚力/MPa内摩擦角/(°)吸水率/%孔隙率/%页岩 26000.304000011.7218281.12.4泥质页岩 17000.403000014.535122.35.8微风化灰岩27000.204000067.3529450.94.6

2.2工况设计

数值模拟过程中，设定计算工况是必要环节。结合工程实际，对本边坡进行4种工况计算：

工况1，天然开挖状态，无水力作用。

工况2，降雨扰动开挖状态，有水力作用。

工况3，加固天然开挖状态，无水力作用，开挖过程采用加固措施。

工况4：降雨扰动加固开挖状态，有水力作用，开挖过程采用加固措施。

3结果分析

通过FLAC数值模拟比较各种工况和边坡的稳定性。在滑坡研究过程中，最关心的是边坡的水平位移，主要监测和研究对象是水平位移[5-7]。

由以下各工况的位移云图(见图2)可清晰看出，边坡各处发生位移情况。显然，结构面上部岩土体发生位移较大，下部岩土体发生位移较小；在天然开挖情况下，边坡的水平位移较小，但是一旦有水力作用没有加固措施时，边坡水平位移剧增，出现失稳。边坡在滑动过程中前缘部分先发生滑动，后缘部分后发生滑动；并且前缘坡脚处滑动速度大于前缘坡顶处滑移速度。加固后边坡滑床(滑面下)和滑带(滑面上)上的土体位移差别很小，通过预应力锚杆的连接作用，使得工况3和工况4在加固后的水平位移云图更加均匀，整个边坡体表现为一个整体。

图2　各工况水平位移云图

为了便于分析，选择了工况1中布设监控点的3，4，5，6水平位移变化情况，见图3，对边坡稳定的情况进行分析，其中水平位移的单位为m。其中：时步(step)的含义是在非线性问题或瞬态动力学问题求解中使用，是每一次迭代求解的步长，并没有明确的单位。时步数越大，表征的时间越长，在实际工程中特别是在计算位移时候能够表示时间。见图3。

各位移监控点中，3号和4号、5号和6号监控点就是分别布置滑动面上下的监控点。通过它们的位移曲线对比，很显然，模拟结果显示边坡已经滑动。其中：3号监控点的位移量要比4号监控点的位移量大得多；5号监控点的位移量要比6号监控点的位移量大得多，而3号(滑带上)监控点与5号(滑带上)监控点位移曲线基本保持一致，4号(滑床上)和6号(滑床上)也是如此。通过对该边坡进行数值模拟分析，计算得出的稳定性系数仅为0.90，换言之，即使无其他因素干扰，只在重力因素作用下该边坡都会发生滑动。边坡不稳定。

工况2计算分析过程中，由于水力作用影响，边坡稳定性系数应该更低。在自身重力作用，外加水力作用影响条件下，边坡的稳定性系数仅为0.51，发生滑坡灾害可能性极大。这是因为：一方面降雨的渗入加大了边坡岩土体的自身重力，使边坡下滑力增大；另一方面，地表水渗入结构面，溶解部分结构面物质，同时使结构面软化，导致结构面抗剪强度减小。由于工程周期比较长，降雨是不可避免的，因此，在边坡施工之前，需要进行安全性的分析论证，从而避免在施工过程中由于降雨而发生边坡失稳现象。

工况3是边坡开挖后，无水力作用，在自重应力作用下，采取加固措施后边坡稳定性状态。在边坡布设6排预应力锚杆作为加固措施。研究表明，打入锚杆以后，边坡发生变形移动位移很小，而且变形一段时间后曲线趋于平缓。同时边坡稳定系数满足要求。根据位移云图可以看出，云图较为规则，没有大位移和特殊地段的存在，说明预应力锚杆加固可以起到很好的加固效果。

选出工况3中3，4，5，6滑动面上下的监控点，见图4，通过它们的位移曲线对比，得出3号监控点的位移要比4号监控点的位移大，但是差别很小；5号位移同样大于6号监控点，差别也不大。说明通过预应力锚杆的加固作用使得边坡变成了一个整体，减小了滑面上、下位移差别，有效地防治了滑坡的产生。

图3　工况1监控点3，4，5，6水平位移-施工步序图

图4　工况3监控点3，4，5，6水平位移-施工步序图

工况4是在工况3的基础上增加了水力条件的影响。根据模型研究结果可知，即使在降雨条件下，加固后的边坡稳定性也是很好的，不存在边坡滑动的趋势，其中滑移面上下土体的水平位移差距比较比工况3更小，各点的水平位移更小。由位移云图可以得出，工况4在加固后边坡的水平位移非常小，此处不再列出控制点水平位移与施工步序图了。通过对不同工况的计算分析，得到以下几点结论：

(1) 不经过防护直接开挖，顺层边坡发生失稳几率很大。

(2) 边坡在滑动过程中前缘部分先发生滑动，后缘部分后发生滑动；并且前缘坡脚处滑动速度大于前缘坡顶处滑移速度。

(3) 加固后工况3和工况4，在没有水力作用时水平位移反而大于有水力作用的水平位移，并且都在控制范围内，所以预应力锚索加固边坡引起边坡应力的重分配是良性的，说明边坡支护方式是成功的。

4边坡处治方案效果评价

除了采用数字模拟分析，更具有说服力的评价方式是在处治后的边坡现场布设监测点，通过监测结果来说明边坡的运动状态，见图5，6，进而对边坡稳定性状态进行评价。

图5　边坡变形过程各监控点位移图

图6　边坡治理后各监控点位移增量图

治理之后通过对边坡各监控点的监控，发现部分监控点刚开始位移量略有增加，随着时间推移边坡各个监控点位移增量趋于0，表明边坡变形过程结束，达到稳定状态，同时也说明治理措施取得良好的效果。

5结论

(1) 总结分析了影响层状岩质边坡稳定性的因素，认为该类型边坡稳定性影响因素可归纳为内在因素和外在因素；其中外因中水力作用对边坡破坏有举足轻重的作用，水对边坡作用很复杂，有软化、润滑、溶解等作用。

(2) 预应力锚杆框架等新型支护方式在工程中运用并取得良好的治理效果，并且很好地解决了水力作用时边坡失稳的稳定问题，使得即使在水力作用下，边坡位移分布也是良性的。

(3) 对可能发生开挖失稳的边坡宜采用边开挖边加固的施工方式。

(4) 本模型也存在一些缺点和不足：在边坡数值模拟过程中，参数选择有待改善；水力对边坡的作用是个复杂的过程，有待深入研究。

参考文献

[1]张倬元,王士天,王兰生,等.工程地质学分析原理[M].北京:地质出版社，1994.

[2]刘才华,徐建,曹传林,等.岩质边坡水力驱动型顺层滑坡破坏机制分析[J].岩石力学与工程学报,2005,24(19):3529-3533.

[3]程强,黄绍槟,周永江.公路深挖路堑边坡工程施工监测与动态设计[J].岩石力学与工程学报,2005(8):1335-1340.

[4]孙广忠，孙毅.地质工程学原理[J].岩土工程界, 2005(2):26-26.

[5]龚文惠,刘涛,黄燕宏.顺层路堑边坡锚杆支护稳定性的有限元模拟分析[J].岩土力学,2005,26(S2):136-140．

[6]胥良,石豫川,柴贺军,等.边坡变形破坏机制的离散元模拟[J].水文地质工程地质,2003(3):51-53.

[7]雷松林,郑永来.有限差分程序FLAC基本原理及其在工程中的应用[J].东北水利水电,2007(8):4-9.

收稿日期：2014-11-05

NumericalSimulationandTreatmentMethod
ResearchonFlatBeddingRockSlopeDeformation

Zhao Jiuhuan，Yu Meng，Liu Ping

(GuizhouTransportationPlanningSurvey&DesignAcademeCo.,Ltd.,Guiyang550081,China)

Abstract：Based on the engineering project of Huanghua interchange D ramp, the numerical simulation of slope is performed to investigate the influence of hydraulic effect on the slope deformation and failure by using FLAC software. It is concluded that with and without hydraulic function role, the safety coefficient varies widely. State of slope and the slope stability is analyzed in the position can create embedded prestressed anchor for slope reinforcement. The simulation results show that the slope stability conditions are greatly improved, even in condition of hydraulic effect, and the slope displacement of each part is very small, which has high security reserves. Finally through the field monitoring the lope treatment effect is evaluated.

Key words:bedding rock slope; numerical simulation; prestressed anchor; the stability coefficient; field monitoring

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.018