多种支护形式滑坡稳定性数值模拟分析

肖 猛,苏吉平,王 磊

(湖南省地质工程勘察院, 湖南 株洲市 412003)

0 引 言

随着我国大规模基本建设的发展,我国边(滑)坡治理工程建设与科技水平不断提高,新型的支挡方法与支挡结构类型不断涌现,稳定分析方法与支挡结构设计计算方法迅速进步.但同时应注意到岩土力学性质较为复杂,其变形破坏原因是多方面的,而有些变形机理到目前还处于研究探索过程.适应性极广的数值计算方法为边(滑)坡设计提供了技术支撑.本文以株洲市民兵装备修理所滑坡治理为例,采用FLAC3D软件对滑坡在多种支护形式治理下的应力和应变情况进行模拟分析,为滑坡治理后的稳定性提供科学依据.

1 滑坡治理工程地质情况

株洲市民兵装备修理所滑坡总体平面形态呈圈椅形,滑坡体水平投影长约32 m,前缘宽为35 m,后缘宽约14 m,面积约650 m2,滑体总方量约2600 m3.滑坡前缘已堆积到下部株洲市民兵装备修理所的墙体附近,严重威胁该楼的安全.若该滑坡体再次活动,可能将该墙体毁坏,造成房屋倒塌.

勘查区及附近出露的地层主要为:第四系滑坡堆积物粉质粘土属滑坡堆积物硬塑以主,局部可塑,以粘性土为主,平均厚度为2 m;第四系残坡积层粉质粘土主要为冷家溪黄浒洞板岩风化残积而成,黄褐色,硬塑为主,夹有板岩碎块;中元古生界冷家溪黄浒洞组岩性为板岩、砂质板岩夹砂岩,强风化,岩质较软,裂隙发育,岩芯呈碎块状,岩层节理裂隙不太发育,宏观上可视为连续介质体.

根据场地滑坡工程地质条件,设计采用适量削坡＋锚喷＋重力式挡土墙支护体系,即在滑坡后缘依原有后壁大致以1∶0.5坡率修坡,采用锚喷支护;对滑坡体按1∶3坡率削坡,植草绿化;在滑坡前缘采用重力式挡土墙支护.锚杆采用全长粘结型锚杆,锚杆直径25 mm,布置网度2000 mm×2000 mm,锚固体直径100 mm,锚固体水泥浆强度M30.坡面挂Φ8 mm×200 mm×200 mm的钢筋网,喷层的厚度为150 mm的C25细石砼.重力式挡土墙设置在滑坡前缘,设计墙高2.2 m,基础埋深1.0 m.滑坡治理工程结构断面见图1.

图1 滑坡治理工程结构断面

2 数值计算模型

2.1 模型的建立

滑坡治理工程数值模拟模型宽度方向取锚杆水平间距2 m,断面按实际设计情况建模,考虑到边坡稳定性计算需要,模拟岩层的范围为挡土墙墙底自然地面以下5 m.模型的边界处理方法是:根据半无限空间体概念约束全部节点y方向的位移,即各节点单方向约束位移;下部边界为全约束边界,即约束底部边界节点x、y、z方向位移;上部边界和x方向不约束,为自由边界[1].采用锚杆(索)结构单元和壳结构单元分别模拟锚杆和喷射砼面层,挡土墙与岩土接触面部位采用分界面处理.整个模型采用四面体及六面体单元,单元化分按照从模型底边界到边坡支护区逐渐加密的原则,岩土体共化分为9096个单元,挡土墙化分为1480个单元,锚杆与喷射砼面层共化分62个节点.单元体计算模型计算除挡土墙外均采用 Mohr—Coulo mb应变软化准则[2G3].

2.2 物理力学参数

摩尔一库仑模型所涉及的物理力学参数包括:体积模量、剪切模量、内聚力、摩擦角、密度.其中,体积模量和剪切模量是由变形模量和泊松比确定.本文没有单独考虑钢筋网,而把它结合在喷射混凝土中.表1~表4分别为自上而下滑坡岩土力学参数和滑坡治理工程支护材料参数[4].

表1 滑坡岩土力学参数

表2 锚杆支护材料参数

表3 挡土墙参数

表4 喷射砼参数

3 FLAC3 D数值模拟分析

坡体在削坡并设置支挡结构后,其力学性质发生变化.本文滑坡体治理首先模拟出支挡结构设置岩土初始应力场,然后局部进行削坡,设置挡土土墙及锚喷结构.

3.1 应力稳定性分析

图2反映了最大不平衡力与时间(步长)的关系[5],从图2中可以看出,滑坡体不平衡力在变形的初期有较大幅度的调整,随后,逐渐趋于稳定.

图2 最大不平衡力位移随时步的变化率

图3 为单元体塑性状态图,其中红色表示拉伸塑性区域,黄色显示剪切塑性区域,蓝色表示稳定区域(见电子版).从图3中可以看出,塑性区仅位于局部区域,滑坡在综合治理下处于稳定状态中.同时图中显示挡土墙坡角处2 m范围内部分岩土体外于拉伸破坏中,在实际施工过程对此部份区域需进行夯实加固处理,以防止坡角隆起.

图3 塑性区显示图

图4 为锚杆的轴向力和水泥浆的滑动状态[6],可见加锚喷网支护后,图中所有锚杆为绿色,说明都处于张拉状态,最大锚杆张拉力发生在从上到下第4根锚杆,最大张拉力为78.6 k N.监测锚杆构件端部在水泥浆中的滑动状态及锚杆轴向力应力分布可以看出第二根锚杆端部已处于滑动状态,而其它锚杆处于稳定状态,说明第二根锚杆端部位于滑动面附近,第一根锚杆已在滑动面内,说明此二根锚杆作为构造用锚杆.

图4 锚杆轴向力分布及水泥浆滑动图

3.2 位移稳定性分析

图5 反映了各单元体在x方向上的位移,其中坡体上部区域及挡土墙左部区域位移量较大,最大部分位移处于坡体上部区域,最大位移量64 mm,其它区域x方向基本无位移.

图5 x方向位移

图6 为挡土墙顶点位移图,从图6中可以看出,随着迭代时步的增加,挡土墙顶点位移逐渐稳定在某一特定值上.这表明,挡土墙经过变形后,最终稳定下来,挡土墙顶点处最终位移为42 mm.

图6 挡土墙顶点位移

4 结 论

(1)通过最大不平衡力监测及塑性区域分析得出,塑性区仅位于局部区域,滑坡在综合治理下处于稳定状态中,挡土墙坡角处施工过程需进行夯实加固处理,以防止坡角隆起.

(2)支护锚杆都处于张拉状态,最大张拉力为78.6 k N.从锚杆轴向力分布及滑动图上分析第一、二排锚杆作用为构造用锚杆,设计中需考虑此两根锚杆以提高抗滑安全系数,建议加长锚杆长度.

(3)滑坡在综合治理下位移变形量较小,最大部分位移处于坡体上部区域,最大位移量64 mm,挡土墙顶点处最终位移量为42 mm.

(4)建议施工时辅以监控量测手段,以判断滑坡体是否稳定,从而判断支护参数是否合理,并及时修正设计.

[1] 肖 猛,丁德馨,莫勇刚.软岩巷道围岩稳定性的FLAC3D数值模拟研究[J].矿业研究与开发,2007,27(01):73G75.

[2] 韩万东,谷明宇,杨晓云,等.FLAC3D数值模拟的边坡稳定性[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2013,32(9):1204G1208.

[3] 刘 琳,王志国,艾立新,等.基于FLAC数值模拟的边坡稳定性分析[J].现代矿业,2014,30(3):62G64.

[4] 郑颖人,陈祖煜,王恭先,等.边坡与滑坡工程治理(第二版)[M].北京:人民交通出版社,2010.

[5] 李延泽,陈鹏飞,高长志.基于FLAC3D模拟的复杂边坡稳定性分析[J].露天采矿技术,2014(6),25G28.

[6] 袁东进.基于FLAC3D的边坡锚固效果及锚杆受力分析[J].人民黄河,2016,38(1):102G104.