一类顺向软弱夹层下伏于坡脚边坡的抗滑稳定分析

2024-03-01温仁节陈启豪

四川水利 2024年1期

关键词：滑面坡脚坡面

温仁节,王瑶,宋勇,陈启豪

(四川水发勘测设计研究有限公司,成都 610072)

0 前言

当岩质边坡的软弱夹层产状与坡面结构呈顺向结构时,开挖边坡稳定问题尤为突出[1]。对于软弱夹层倾角小于坡面倾角的边坡,随顺向软弱夹层空间位置不同,其在开挖坡面出露或下伏于坡脚[2]。

当软弱夹层切脚出露于坡面,如图1所示,此时边坡的失稳模式为软弱夹层以上岩体ABC沿软弱夹层滑动,边坡抗滑稳定安全系数可由下式计算[3]：

图1 软弱夹层出露于坡面

(1)

式中,G为单宽岩体自重;θ为软弱夹层倾角;φ为软弱夹层内摩擦角;c为软弱夹层黏聚力;L为滑动面长度。

如图2所示,当软弱夹层下伏于坡脚,边坡失稳模式判别变得困难。从边坡结构分析,软弱夹层仍是潜在滑面的一部分,但滑面剪出位置不确定。从边坡受力分析,坡脚岩体受到夹层以上岩体传递的不平衡推力最大,而坡脚距离软弱夹层最近,岩体应力明显大于其他部位,是边坡失稳的潜在剪出区,但滑面形状及剪出口仍不确定[4]。因此,有必要依托数值模拟,对此类边坡进行弹塑性分析,探究边坡失稳模式,并据此给出合理的边坡极限平衡分析方法。

图2 软弱夹层下伏于坡面

1 边坡抗滑稳定数值模拟

1.1 计算模型

计算依托实际工程中的基坑开挖边坡,边坡级别2级,基坑长200 m,取单宽岩体进行分析,计算网格如图3所示。边坡岩体为砂岩,下伏一条泥化夹层,网格剖分时将夹层厚度适当加厚至0.5 m,以便网格剖分,并将软弱夹层网格加密以提高模拟精度。边坡岩体物理力学参数见表1。边坡材料本构模型选取摩尔-库伦模型。计算约束边坡左右前后及底面法向位移。

表1 边坡岩体物理力学参数

图3 边坡计算网格

1.2 开挖边坡应力变形结果

数值模拟先按岩体自重生成初始地应力场,并将位移和速度清零,再模拟开挖边坡临空面以上岩体。数值模拟表明该边坡变形收敛,开挖边坡位移及大主应力结果分别见图4、图5。由图4、图5可知,边坡开挖后总体发生卸载回弹,受软弱夹层影响,其上岩体位移明显大于其下岩体;坡脚因受坡面转折和软弱夹层影响,产生应力集中,最大主应力达1.16 MPa,是边坡失稳的潜在剪出区。

图4 开挖边坡位移等值线(单位：m)

图5 开挖边坡大主应力等值线(单位：Pa)

1.3 边坡抗滑稳定模拟

边坡抗滑稳定计算采用强度折减法,该法将岩体内摩擦角和黏聚力分别除以系数K后,进行稳定计算,通过不断加大K值,直至边坡失稳,此时的K值即为边坡抗滑稳定安全系数,边坡失稳判据为塑性区贯通或变形不收敛。计算得边坡抗滑稳定安全系数Fs=1.741,大于2级边坡施工期允许安全系数1.20。

强度折减后边坡位移等值线见图6,由图6可知,边坡潜在失稳区为夹层以上和坡脚岩体;边坡位移矢量见图7,坡脚以上失稳岩体位移矢量方向与软弱夹层平行,坡脚位移矢量方向从右下偏转至右上。

图6 强度折减边坡位移等值线(单位：m)

图7 强度折减边坡位移矢量示意

强度折减后边坡大主应力见图8,坡脚应力集中明显,最大值为1.47 MPa,较强度折减前增加了0.31 MPa;边坡塑性区分布见图9,塑性区沿软弱夹层发育,在坡脚贯通,呈“K”型,为剪切塑性区。

图8 强度折减边坡大主应力等值线(单位：Pa)

图9 强度折减边坡塑性区分布

综合图6-图9,不难发现,这类顺向软弱夹层下伏于坡脚的开挖边坡,潜在失稳滑面沿软弱夹层发育,在坡脚转折后,从坡脚地基剪出。从边坡塑性区分布图分析,坡脚岩基受到上部不稳定岩体沿软弱夹层传递的不平衡推力,导致坡脚地基整体处于塑性状态,发生剪切隆起,其失稳机理是地基承载失效。

2 边坡极限平衡分析

数值模拟结果表明,软弱夹层下伏于坡脚边坡的失稳模式为地基承载失效。将坡脚平面以上岩体传递的不平衡推力视作地基荷载,则可通过地基极限承载力与不平衡推力的比值来度量边坡安全系数。地基极限承载时,坡脚岩体处于塑性状态,应同时满足塑性条件和平衡条件,若将地基视作无重介质,可通过特征线法,求解地基极限平衡状态偏微分方程组,得到地基极限承载力,即Prandtl-Reissner课题解[5],但这种处理与实际差异较大,加之软弱夹层的影响,偏微分方程组解析解不易求得。

若将软弱夹层视作倾向下游的坝基缓倾结构面,则此类边坡稳定与重力坝深层抗滑几近相似[6]。如图10所示,距离坡脚E水平长度L处,存在软弱夹层,类比重力坝深层抗滑计算方法,将边坡滑面简化为双滑动面。显然,双滑动面的一条为软弱夹层面AB,另一条滑面B剪出于坡脚基础C。结合图6,假定两组滑动面的交点B为坡面FE延长线与AB交点。