某顺层岩质边坡及其支护稳定性数值分析

吴声志

(机械工业第六设计院有限公司福建分公司 厦门市 361000)

0 引言

随着我国基础建设重心的西移，交通基础设施建设不断向山区发展，岩质边坡被大量修建。路堑开挖后导致土体应力重分布，尤其当岩层为顺层条件时，由于岩层抗滑岩体减少，导致边坡整体抗滑力下降，结构面的强度不满足自身的重力所产生的下滑力，极易发生边坡滑坡，从而引发相应次生灾害，因此边坡稳定性问题不可忽视。目前国内已有不少学者对边坡的稳定性进行了分析研究，研究重心主要集中于高速公路、城市干道、水利工程等[1-3]，并取得了许多研究成果，如锚索技术在岩质边坡加固中得到进一步应用[4-5]。

为研究顺层岩质边坡支护稳定性、改善边坡结构面易失稳问题，以某岩质边坡为研究对象，采取喷混凝土及施加锚杆的支护方案，基于Midas/GTS软件平台对岩质边坡支护前后边坡塑性区分布情况、边坡整体位移变化以及剪切应力的变化规律进行研究，分析该岩质边坡的支护稳定性。

1 工程概况

某岩质边坡，位于盆地丘陵、低山地区，高约24m，是一个岩层外倾的顺层边坡，边坡主要以凝灰岩组成，风化程度较高，顶部为全风化凝灰岩层，其下为强风化凝灰岩以及中风化凝灰岩，中风化凝灰岩岩体完整性较好。岩土参数如表1所示。

表1 土层参数表

根据边坡岩土体性质，拟定支护方案采用第三级1∶1.25放坡，其余两级1∶1放坡，每级放坡之间留2m的马道，每级坡高8m。边坡锚杆采用直径为20mm的HRB400钢筋，长度为6m。坡脚设置9m高的重力式挡墙。支护方案设计参数如表2所示。

表2 支护参数表

施工具体步骤为开挖一级边坡，一级边坡喷混凝土、施作锚杆(工序1)→开挖二级边坡，二级边坡喷混凝土、施作锚杆(工序2)→开挖三级边坡，三级边坡喷混凝土、施作锚杆(工序3)→挡土墙施工开挖，施作挡土墙(工序4)。

2 有限元模型建立

在利用Midas/GTS软件建立有限元模型时，边界的选取十分重要。边界范围越大能够让计算结构更接近真实结果，但与此同时则带来计算量过大的问题，因此需要综合考虑相关因素再选择合理边界范围[6-7]。根据摩尔-库伦强度屈服准则将边坡及周围土体视为理想弹塑性材料，边坡地面采用固定支座约束，坡面为自由边界，荷载仅考虑土体自重。边坡单元主要以三面体和四面体混合而成，共2255个节点，2273个单元，边坡的锚杆实际作用机理除了能够起到一定的抗拔作用以外，还能承受一定的剪力。但考虑一定的安全储备情况下，在模型建立过程中锚杆采用植入式桁架单元来模拟，喷混凝土采用板单元来模拟。采用的模型尺寸边界及网格模型如图1、图2所示。

图1 建模尺寸示意图

图2 边坡模型网格图

3 结果分析

3.1 塑性区及位移结果分析

边坡的塑性区分布是坡体应力重分布的结果，能够反映边坡的变形以及边坡是否发生失稳破坏。因此建立岩质边坡的二维模型，分析了初始应力状态以及支护施作完成后的边坡塑性区分布，如图3、图4。

图3 初始状态下边坡塑性区分布图

图4 支护后边坡塑性区分布图

分析图3和图4得到：

在对边坡进行支护前的初始状态下，如图3所示，塑性区分布面积不大，主要集中在全风化凝灰岩层以及强风化凝灰岩层，且沿全风化凝灰岩层至强风化凝灰岩层边坡塑性变形贯通上下，其中在靠近强风化凝灰岩层与中风化凝灰岩层分界面处的塑性应变值最大，为1.42×10-3，是边坡最危险的滑动岩层的等效塑性应变区。由图可看出该潜在的表层滑动带呈圆弧状，破坏形式为平面剪切滑动。由图4看出在支护完成后，边坡塑性区面积有所增大，且塑性应变最大值位置转移至中风化凝灰岩层，但由于该层岩层风化程度低，且最大塑性应变值从初始状态减小至2.15×10-4，坡体发生破坏的概率大大减小。

边坡位移云图揭示了边坡开挖时坡面处的变形情况，反映了边坡的位移变化。分析图5可以发现，

对比边坡支护前后的位移云图，边坡在初始状态下整体位移值较大，最大位移值为43.8mm，位于全风化凝灰岩层至强风化凝灰岩层之间。在进行喷混凝土及锚杆支护之后边坡的整体最大位移为12.6mm，位移减小了31.2mm。分析可知采用喷混凝土锚固的支护措施之后，由于锚杆的存在，承受较大拉力的同时也起到一定抗剪抗滑作用，极大地约束了边坡的侧向位移以及限制等效塑性区域的发展，避免危险滑面发生滑动破坏，边坡稳定性得以提高。

3.2 剪切应力分析

利用Midas/GTS有限元分析软件对该岩质边坡在支护施作过程的剪应力变化情况进行计算，计算结果如图6所示。

边坡坡面处的最大剪应力代表边坡可能出现应力集中的部位，应力集中的逐渐扩展容易导致边坡发生剪切破坏。从图6(d)中可以看出初始状态下边坡最大剪应力为1.085MPa，支护施作完成后减小

图5 支护前后边坡整体位移云图

图6 各阶段施工完成后剪应力云图

至1.035MPa，可知边坡的开挖支护对边坡深处最大剪应力值影响较小。对比支护前后坡面位置处的剪应力值发现，除受支护结构影响较大的边坡坡面剪应力有所增大以外，剪应力分布从下至上呈过渡状态，由边坡深处向临空面层层递减。在未进行支护前坡脚处剪应力值较大，出现坡脚处的应力集中现象，是导致该边坡发生剪切破坏的重要荷载因素。由图6(a)也可以看出，在第一级边坡支护完成之后，坡面剪应力主要集中在一级边坡与二级边坡位置，此时主要影响边坡稳定性的因素就是支护结构的抗剪强度。分析图6(a)～图6(d)，发现三级边坡开挖支护过程中，随着工序的施作推进，坡面处的最大剪应力值增大了0.065MPa，但增加幅度有限，由于支护结构存在坡面并不会发生剪切破坏。分析支护过程发现，每级边坡进行开挖支护后，坡体剪切力大小整体分布趋势基本不变，但由于边坡上部土体自重的减轻使得坡脚处剪应力值都有所减小，在第三级、二级、一级边坡分别施作完成后，坡脚剪应力相应的减小了7.8%、18.3%和56.2%，表明支护结构能够改善边坡坡面剪应力分布情况，减小边坡坡脚处的剪应力和剪应力集中现象，施工过程坡脚处发生剪切破坏情况的可能性较低。

4 结论

通过Midas/GTS有限元分析软件，研究分析了某岩质边坡支护方案下的塑性区变化、整体位移及剪切应力的变化规律，得到了以下主要结论：

(1)初始状态下，等效塑性应变区位于该边坡全风化凝灰岩层与强风化凝灰岩层，破坏形式为平面剪切滑动；在完成支护后，塑性应变最大值位于中风化凝灰岩层，且塑性应变值有所减小，使边坡发生剪切破坏的概率大大降低。

(2)施作支护结构后边坡的最大位移值相对初始状态下边坡减小了31.2mm，支护结构有效地抑制了边坡的变形，提高了边坡稳定性。

(3)影响边坡稳定性的主要因素是边坡坡面岩层抗剪强度，支护结构对边坡剪应力的整体分布趋势改变较小，但能够改善边坡坡面最大剪应力的分布情况；随着支护措施的施作，坡脚处剪应力值逐渐减小，施工过程中坡脚处发生剪切破坏情况的可能性较低。