基于FLAC3D的岩石边坡分步开挖稳定性分析

蔡佳豪

(西南交通大学土木工程学院， 四川成都 610031)

边坡稳定性问题是公路、铁路、水利水电工程建设中一个重要的工程地质问题[1]。由于岩质边坡失稳常会造成较大的损失和灾害，因此岩质边坡的稳定性问题受到越来越多的人的重视。对于岩质边坡的病害问题，人们常常关心的是岩质边坡开挖后的整体稳定性情况[2]。目前，针对岩质边坡稳定性分析的方法主要有极限平衡法、工程类比法、数值模拟方法[3]。极限平衡法由于原理简单等优点而被广泛采用，但是极限平衡法不能实时跟踪与分析由于边坡开挖引起的变形和应力，故而存在一定的局限性[4]；工程类比法是针对类似成功的工程案例进行分析，然而，各个地区的工程地质情况各不相同，从而使分析结果造成较大的误差，因而未被广泛使用[3]；数值模拟因为具有能实时跟踪与分析分步开挖引起的变形和应力以及对边坡支护进行合理模拟，因而被越来越多的工程师采用[2]。本文基于数值计算软件FLAC3D对重庆市奉节县某岩石边坡进行分步开挖模拟并分析其稳定性。

1 项目工程概况

梅溪河双线大桥位于奉节县白帝镇袁梁村跃进门，桥梁郑州端与金盆隧道出口相连，万州端与干溪沟隧道进口相连。桥址两岸为陡立岸坡，岸坡岩性为三叠系中统巴东组三段(T2b3)的泥质灰岩夹灰岩、页岩，上部覆盖有粉质黏土及碎石土。

场区属剥蚀低山河谷地貌，地形起伏较大，地面高程140～480m，最大高差约200m，自然坡度25～60 °，部分为陡坎地形。桥址两端地形较陡，居民房较密集。梅溪河在该桥位河道较顺直，属切割河谷地貌，成U字形河谷，河两边岸壁陡峭。

2 工程边坡稳定性分析

2.1 模型建立

根据测区等高线图借助三维地质建模软件GOCAD建立三维实体模型(图1)，模型长200m，宽140m，最高位置达到110m。实际工程中，对该岩石边坡采取自上而下分四步开挖。

图1 边坡开挖计算模型

2.2 计算参数及本构模型选取

根据勘察资料，该地区地层主要以W3和W2泥质灰岩夹泥灰岩为主，其物理力学参数见表1，本次计算考虑整个岩石边坡参数均取为W3灰岩力学参数(考虑最不利情况，有利于边坡安全)。计算采用摩尔-库伦屈服准则和弹塑性本构模型。

表1 边坡岩土体物理力学参数

2.3 约束情况

计算区域各边界均取法向位移约束，即x方向约束x方向位移，y方向约束y向位移，底部边界设为固定边界。

2.4 计算结果分析

2.4.1 初始应力场

图2为原始岩石边坡在自重作用下主应力，从图中看可以看到，最大和最小主应力分布均匀，等值线平滑，无畸变点，随深度增大量值不断增大，坡脚位置存在应力集中，与常规认识相符合，说明此应力场可作为后续分析的初始应力场。

(a)最大主应力

(b)最小主应力图2 主应力

2.4.2 第一次开挖计算结果

图3和图4分别为第一次开挖后自重作用下岩石边坡x方向和和位移三维云图。从三维图中可以看到，由于开挖引起的x方向位移数值很小，最大仅为1mm左右，主要分布在开挖部分顶部和靠近坡脚的位置；其次由于本次开挖引起的和位移数值也很小，最大仅为2mm，忽略边界的影响，主要分布在本次开挖位置。

图3 x方向位移三维云图

图4 位移三维云图

2.4.3 第二次开挖计算结果

图5和图6分别为第二次开挖后自重作用下岩石边坡x方向和和位移三维云图。从三维图中可以看到，由于第二次开挖引起的x方向位移数值很小，最大也不到1mm，主要分布在本次开挖顶部和底部平台位置；其次由于本次开挖引起的和位移数值也很小，最大仅为2mm，主要分布在本次开挖底部平台位置处。

图5 x方向位移三维云图

图6 位移三维云图

2.4.4 第三次开挖计算结果

图7和图8分别为第三次开挖后自重作用下岩石边坡x方向和和位移三维云图。从三维图中可以看到，由于第三次开挖引起的x方向位移数值很小，最大仅为0.9mm，主要分布在本次开挖顶部位置；其次由于本次开挖引起的和位移数值也很小，最大为4.6mm，主要分布在本次开挖底部平台位置。

图7 x方向位移三维云图

图8 位移三维云图

2.4.5 第四次开挖计算结果

图9和图10分别为第四次开挖后自重作用下岩石边坡

图9 x方向位移三维云图

图10 位移三维云图

x方向和和位移三维云图。从三维图中可以看到，由于第四次开挖引起的x方向位移数值很小，最大为6mm左右，主要分布在本次开挖部分右侧侧壁；其次由于本次开挖引起的和位移数值也很小，最大为7mm，主要分布在本次开挖底部平台和右侧侧壁位置。

3 结论

通过模拟该岩石边坡分步开挖，由其计算结果可知，由于分步开挖卸荷作用对该岩石边坡的影响很小，无论是x方向以及和位移均为mm级，说明该岩石边坡在分步开挖作用下稳定性很好。