板梁状陡坡裂缝性状变化与地基稳定分析

胡惠华，张鹏，张奇华，舒魏碧章

(1.湖南省交通规划勘察设计院有限公司，湖南 长沙410219；2.中国地质大学(武汉)，湖北 武汉430074；3.中南公路建设及养护技术湖南省重点实验室，湖南 长沙410219)

陡坡分为岩质陡坡和土质陡坡，其中岩质陡坡更为常见。从地质演化过程而言，裂隙岩体在风化、卸荷、重力、降雨和地震等环境因素作用下，岩体沿着陡倾裂隙发生开裂、倾倒和坠落等形式的变形破坏过程。坡体前部失稳后，后部岩体暴露在外并可进一步发生变形破坏，坡体逐渐后退。因此陡坡的变形失稳是一个具有时效性的地质演化过程。陡坡变形失稳主要表现为岩体沿着陡倾裂缝发生开裂、倾倒或坠落等形式。适用于陡坡这种变形失稳形式的稳定分析方法主要有：定性分析法[1]、解析法[2]和数值分析法[3]等。定性分析法简单实用，是定量分析方法的基础，也是工程实践采用最多的的方法。但单独的定性分析往往凭借经验，难以满足重大控制性工程的精度要求。解析法属于最常用的定量分析方法，其原理简单易懂，但在计算过程中，必须采用诸多假定，难以实现对复杂陡坡工程的分析计算。数值分析方法弥补了传统解析方法的不足，不仅可以求出安全系数与极限荷载，还可以求出材料的破坏位置与形态，且无需采用过多假定，已经成为了陡坡稳定性分析方法的焦点。在陡坡问题的数值分析方法中，以有限元强度折减法的应用范围最为广泛。自ZIENKIEWICZ等[4]于1975年提出强度折减法以来，国内外学者对其展开了大量的探索和创新，包括：强度折减法的失稳判据[5]、局部强度折减法[6]、动态强度折减法[7]、双参数强度折减法[8]、材料屈服准则的研究[9]等等。这些探讨很好地解决了强度折减法在理论上所存在的一些缺陷，扩大了强度折减法的应用范围，使得强度折减法的理论逻辑趋于完善。有限元强度折减法已广泛应用于许多陡坡工程的稳定性分析中，分析内容主要包括坡体自身稳定性[10-14]以及与构筑物相互作用时的稳定性[15-19]2个方面，并取得了诸多研究成果。但是，在针对板梁状结构陡坡[20]问题的分析中，有限元强度折减法仍存在一些不足。一方面，板梁状结构陡坡的稳定性受控于岩体内裂缝的发育情况，其裂缝性状具有连续性与非连续性2种特征。在外界因素作用下，板梁状陡坡内部裂缝2种性状可能发生转换，而单独的有限元程序计算难以拟合这个变化过程。另一方面，当构筑物位于此类陡坡上时，其前部岩块的失稳与构筑物地基的失稳并不同时发生，而有限元强度折减法仅输出陡坡体内的最易失稳岩块，难以分析构筑物的地基稳定性。为解决上述问题，本文从矮寨悬索桥吉首岸陡坡工程实际出发，从岩体受力特点出发，通过将生死单元法与迭代修正法引入强度折减法中，解决了强度折减法在分析板梁状结构陡坡地基稳定性过程中所存在的2类问题，可以为有限元强度折减法在同类工程的应用提供参考。

1 工程概况及场地工程地质条件

1.1 工程概况

矮寨悬索桥位于湖南省吉首市矮寨镇，是吉首至茶洞高速公路的控制性工程。矮寨悬索桥跨越矮寨峡谷，桥面与地面高差达355 m，经过多次优化后桥长1 009.04 m，索塔间距1 176 m，桥型布置图见图1。吉首岸索塔塔基采用扩大基础，基础底面为18 m×21 m，基底设计标高为566.50 m。

图1 桥型总体布置图Fig.1 Overall arrangement of bridge

1.2 地形地貌及地层岩性

矮寨悬索桥吉首岸陡坡主体岩性为薄层状灰岩，下部为泥质白云岩。边坡表面岩体呈微风化，层面结合较好，岩层产状为340°∠9～16°，倾向峡谷，越靠近峡谷倾角越大。岩体内存在2组陡倾节理，节理产状分为134°∠86°，262°∠87°。层面和节理构成边坡岩体的基本构造格局。上部灰岩岩溶发育强烈，发育多条溶蚀裂缝与多个溶洞，溶蚀裂缝多追踪2组陡倾节理发育，并伴有陡坡的卸荷作用，延伸至下部白云岩顶部。施工阶段开挖揭露L1～L17等确定性的溶蚀裂缝、溶洞7和溶洞9等大型溶洞，各裂缝发育统计如表1。

表1 吉首岸主要溶蚀-卸荷裂缝统计Table 1 Geo-statistics of the main dissolution-unloading fissures on the steep slope

吉首岸上部灰岩坡体形成陡坡悬崖，从工程地质定性角度分析，主要有2个原因。一是，上部灰岩因陡倾溶蚀-卸荷裂缝深大切割，上部灰岩坡体形成大块状岩体，部分块体演变为危岩体，前方块体易崩落，坡面近于直立；二是，与灰岩交界处的泥质白云岩相对隔水，顺溶蚀-卸荷裂缝下渗的地下水在泥质白云岩顶部汇集，造成该部位风化软化并产生一定厚度的风化软化层，上部灰岩的重力作用造成该风化软化层发生压陷，使得上部灰岩岩体整体发生一定程度的外倾变形，越靠近临空面岩层倾角越大，岩体外倾加大了大块体崩落的风险。吉首岸陡坡地质演化过程见图2，工程地质图见图3。

图2 吉首岸陡坡地质演化历史Fig.2 Slope geological evolution history on the Jishou Bank

图3 吉首岸陡坡工程地质图Fig.3 Engineering geology of steep slope on the Jishou Bank

2 有限元模型构建

2.1 地质概化模型

根据地质资料及施工期现场勘查情况，对工程地质条件进行概化，是数值计算结果是否合理的关键所在。根据吉首岸陡坡基本工程地质特征，以及上述的陡坡稳定性工程地质定性分析，在地质概化模型中，主要考虑以下稳定性控制因素：

1)在地质演化过程中，陡坡已经形成的溶蚀-卸荷裂缝L3～L16；

2)陡坡岩体内部形成的层间剪切带；

3)受地下水的作用而逐渐风化软化，在灰岩交界处的泥质白云岩所产生的具有一定厚度的风化软化层。

在本次数值分析过程中，数值模型的初步构建原则如下：

1)对于风化软化层，通过赋予的力学参数差异性体现出其与微新岩体的差异；

2)对于层间剪切带，采用具有一定厚度的低强度实体单元进行模拟；

3)对于卸荷溶蚀裂缝的模拟，则较为复杂。首先，对于L15～L16裂缝，裂缝张开度较大在宏观上，理应进行脱空考虑，但由于这2组裂缝同时脱空时，二者所切割的岩块会同时失稳，因此考虑为L15裂缝脱空而L16裂缝未脱空；对于L3，L4，L6，L7，L10～L14裂缝，其张开度较小，且在宏观上并非完全脱空而有一定的介质相连，因此考虑为模量及强度很低的连续介质；

4)对于岩体内部广泛存在的2组陡倾角节理裂缝，采用宏观岩体力学参数进行模拟。

由于吉首岸陡坡上部的风化层较薄，对坡体整体稳定性影响较小，本次模拟过程中不再单独划分，而是统一为微新岩体。对于泥质白云岩层下部的基岩体，由于其强度并不影响上部坡体的稳定性，本次模拟过程采取强度很大的单元进行模拟。数值模拟过程中，采用摩尔—库伦模型作为材料本构模型，建立的二维有限元计算模型及边界条件如图4所示，其中以虚线标示的裂缝为脱空的裂缝。

图4 有限元模型Fig.4 Finite element model

2.2 计算参数选取

本次计算采取的参数以地质勘察报告为基础，结合现场对开挖岩体实际性状的认识，并参考ZHANG等[21]对矮寨大桥基础岩体问题的分析，确定出本次数值计算过程中所用的参数，见表2。

表2 岩体物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of rock mass

3 吉首岸陡坡地基稳定性分析

相对于自然陡坡的稳定性而言，板梁状结构陡坡的地基稳定性问题显得更为复杂，利用有限元强度折减法计算时主要存在以下3个难点：

1)单次的强度折减法运算往往只可以得出陡坡内部最易失稳的块体及稳定系数。

2)桥梁荷载作用在岩块上时，岩块后部原先张开度较小的裂隙可能产生拉裂，使得该岩块与后部岩块脱开，不再满足连续体假设。

3)桥梁荷载作用岩块先于其前部岩块失稳时，荷载作用岩块的前倾会使原本独立的2个岩块发生接触，使得两者之间有作用力的传递。

鉴于上述问题的复杂性，在计算分析过程中，笔者通过反复试验和计算方案调整，最后进行归纳总结的方法。根据工程资料，建立基坑开挖模型图如图5所示，计算过程中所采用的塔基均布荷载q=1.4×103kN/m2，为塔基基底荷载Q=540 MN与塔基底面积18×21 m的换算。单次试算的一般性方案见表3，计算过程中共采取了5次试算，试算过程见表4，位移云图见图6。

图6 X方向变形云图Fig.6 X-direction deformation cloud map

表3 一般性试算方案Table 3 General calculation scheme

表4 试算过程具体内容Table 4 Specific content of the trial plan

图5 基坑开挖区域及荷载位置Fig.5 Excavation area and load position

试算过程1(④=0)的计算结果表明，荷载直接作用时，L15外侧岩块安全系数为1.388，为最易失稳岩块，是坡体失稳源，失稳形式为L15与L16裂缝所控制的岩块在重力作用下倾倒，推动L16裂缝外侧岩块沿软弱面滑移，同时对L15裂缝产生拉裂。

进行试算过程2(④=杀除L15前部条块)的计算结果表明，当L15裂缝控制的前部岩块移除后，坡体最容易失稳的岩块转为由L8裂缝所控制的岩体，计算所得稳定系数为1.653，坡体失稳形式上部岩块的滑移引起L8裂缝的拉裂。

试算过程3(④=杀除L8前部所有条块)的计算结果表明，若不考虑对L5裂缝脱空段(即L5裂缝区域内的溶洞)进行处置，当受L8裂缝所控制的前部岩块发生失稳后，坡体最容易失稳的岩块为塔基荷载作用下的岩块，此时计算所得地基稳定系数为2.039，该岩块的失稳形式为在塔基荷载作用下压屈，滑动面贯通，并沿软弱结构面推动L4裂缝与L5裂缝所控制的岩块向脱空区的局部失稳，实际过程中表现为向L5裂缝区域里溶洞的局部失稳。

试算过程4(④=杀除L8前部条块，激活L5脱空段)的计算结果表明，当对L5裂缝区域内的溶洞注浆后，基础的失稳形式为塔基荷载作用使下部岩块压屈，并推动L4裂缝与L8裂缝所控制的岩块沿软弱面的滑移失稳，计算所得稳定系数为2.123。

综上所述，矮寨悬索桥吉首陡坡可以分为3个失稳区，依次为：L15裂缝所控制的外侧岩块区(外侧岩块区)、L8与L15裂缝所组合切割的岩块区(中部岩块区)、L3与L8裂缝所组合切割的岩块区(塔基岩块区)。外侧岩块区的岩体稳定系数为1.388，中部岩块区的岩体稳定系数为1.653，塔基岩块区的地基稳定系数为2.123。陡坡外侧岩块区最易失稳，为坡体失稳源；塔基设置在稳定的岩块区。

4 结论

1)通过将生死单元法与有限元强度折减法相结合，以及对有限元模型的迭代修正，解决了传统有限元强度折减法难以分析的裂缝性状变化与地基稳定性问题。

2)确定了矮寨悬索桥吉首岸墙板结构陡坡外侧岩块区稳定系数为1.388，其值最小，最易失稳，为坡体失稳源。

3)矮寨悬索桥吉首岸塔基设置在稳定的岩块区，在主塔荷载作用下，地基稳定系数为2.123。