汶川地震灾区某工程开挖边坡变形三维稳定性分析

范磊,陶连金,魏云杰,朱剑

(北京工业大学城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室,北京 100124)

汶川地震灾区某工程开挖边坡变形三维稳定性分析

范磊,陶连金,魏云杰,朱剑

(北京工业大学城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室,北京 100124)

汶川地震灾区某边坡,因厂房建设需要,对其进行开挖改造。鉴于其稳定性对工厂正常运行有重要影响,本文在岩体质量分级和岩体结构模型概化的基础上,采用快速拉格朗日差分法FLAC3D模拟边坡开挖,分析了边坡在自然条件、暴雨条件以及地震条件下的应力场、位移场、剪应变增量及塑性区的分布和变化特征。研究结果表明:边坡开挖引起坡面局部应力集中,后缘易拉裂破坏;降雨时呈现部分区域安全储备较低;在地震作用下,边坡处于不稳定状态。

边坡;FLAC3D;岩体质量;拟静力;稳定性

汶川地震灾区某边坡属于山区构造剥蚀斜坡地貌,因建厂房需要,对边坡进行了人工改造,改造后的北边坡为一折线型岩质边坡,坡面共分4个台阶,每个台阶高度16 m,台阶上平台宽度4 m,设计坡比1∶1,边坡总体高度64 m,东侧边坡为2个台阶的以土质为主的边坡。鉴于边坡稳定的重要性和工厂正常持续运营的严格要求,分析评价边坡开挖变形稳定性具有重要意义。

1 工程地质条件

工程区位于四川盆地北部,处于山地和盆地交接地带,气候温和湿润,雨量较多,历年平均降雨量在900～1100 mm之间,通常6～9月为雨季,占年降雨量的75%。地势海拔高,调查未见地下水位,大气降水,排泄于冲谷或补给下伏基岩裂隙。

根据区域地质资料及现场调查、调绘,该场地边坡区内填土覆盖层厚度大,主要为含粘性土碎石层,坡下见基岩出露,基岩露头测量岩层产状约313°∠65°,下伏基岩呈单斜构造。垂向地层分布为:第四系全新统坡积形成的粉质粘土、含粘性土碎石层(),下伏基岩为茂县群滑天坡组中下段(Sh1+2)页岩。区内构造(走马岭向斜、河湾场背斜)属四川盆地边缘弧形(华夏式)构造带,西北侧受龙门山构造制约,东南西侧受巴中莲花状构造影响,总体呈由北东逐渐向东偏转的弧形舒缓宽展褶皱。

2 边坡岩体质量分级

岩体力学参数是影响边坡稳定性的主要因素之一,准确确定边坡岩体力学参数,是进行边坡稳定性分析的关键环节和基础性工作[2]。岩体质量评价是岩体自然特性的反映,因此,用评价结果来估算边坡岩体力学参数具有重要实际意义。CSMR分类体系充分考虑了岩石材料强度、岩石质量指标、地下水条件、不连续面条件、不连续面间距、不连续面-边坡面产状关系、边坡破坏模式、边坡开挖方法,并引入高度修正系数和结构面修正系数,在此基础上李天斌等分析总结以往边坡岩体质量分级的工程实例和经验,对CSMR分类法中的F3和λ的分类与取值进行了修正[3]。修正后的CSMR分类体系更能充分反映岩体自然特性。根据上述方法及大量现场调查将边坡岩体质量分为Ⅲ～Ⅴ类,北边坡典型剖面,如图1所示。

图1 北边坡典型剖面Fig.1 No rth Slope typical p rofile

根据工程勘察报告,结合现场岩体质量分级,边坡各级岩体物理力学参数取值见表1。

表1 岩体物理力学参数Table 1 Physical-mechanical parameters of rock mass

3 边坡变形稳定性分析

3.1 数值计算模型建立

计算范围是以需研究的边坡为中心,平面上X向宽度为500 m,Y向宽度为600 m,顶面以原始地面及开挖面为界,底面取海拔高程270 m。根据工程要求、开挖情况、现场踏勘以及相应的工程地质条件,建立开挖后边坡的三维地质模型,如图2所示。模型共有152807个单元,29071个结点。

图2 计算模型图Fig.2 Calculating model

在本次模拟中,采用Mohr-Coulomb强度准则,在模型的周边边界和底部X,Y,Z方向位移都被约束即模型周边边界处于原岩应力状态,不受边坡开挖的影响。不考虑构造应力的影响,把构造应力作为安全储备系数,在岩体自重应力作用下进行初始应力计算[4]。

3.2 自然条件下边坡稳定性分析

北侧边坡开挖按设计方案采用分台阶开挖方式,共分为4步开挖,每步开挖均为45°放坡,每级台阶高16 m,台阶平台宽4 m,依次从顶到底开挖。东侧边坡局部两台阶,其余一台阶开挖。中间为将来建厂房场址区。

3.2.1 边坡开挖后的应力场分析

工程开挖后,从图3～4边坡最大、最小主应力分布特征可以看出,主应力等值线平滑,几乎相互平行,很少出现突变,在坡面部位出现应力集中现象,即在开挖面上边坡部分区域处于受拉状态。而随着边坡的开挖,坡后缘距开挖坡顶40 m范围最小主应力表现为拉应力,此部位可能会产生较为明显的张拉变形与拉张裂隙,进一步发展则破坏,产生的裂缝贯通后甚至会发生局部垮塌,这与现场调查发现边坡后缘产生局部拉张裂隙是一致的。

图3 最小主应力Fig.3 Contour of Smin

图4 最大主应力Fig.4 Contour of Smax

3.2.2 边坡开挖后的位移场分析

工程开挖为边坡向临空面变形提供了发展空间,同时工程开挖破坏了坡体原有的应力环境,坡体为了尽量保持自身的稳定,总是随着时间的演化和外荷载的变化在做应力和变形方面的调整。边坡总体向上卸荷回弹范围和变形范围基本一致。Z方向的卸荷量最大为1.3 cm。北侧边坡位移总体表现为从开挖面顶部向临空面发展的趋势,向坡外最大水平位移为4.5 mm,东侧边坡为2.5 mm。总体看来,边坡开挖完成后岩体变形不大,而其影响范围主要分布在北侧开挖边坡第二、三台阶位置。因此在正常开挖条件下,边坡整体稳定。

3.3 暴雨条件下边坡稳定性分析

开挖边坡所处区域雨量丰富,降雨对开挖边坡稳定性有重要影响,为此进行降雨入渗数值模拟分析。统计结果表明,在四川地区,当前期无降雨、3 d累计降雨量达到70 mm时,将有滑坡发生[5],因此,数值模拟时在入渗边界设定的入渗速率为70 mm/72 h,渗流时间t=72 h。因此在FLAC3D中,Ⅲ类岩体、Ⅳ类岩体、Ⅴ类岩体的渗透系数分别为:2.32× 10-8m2/(Pa·s)、9.18×10-9m2/(Pa·s)和9.08 ×10-11m2/(Pa·s)。

3.3.1 边坡剪应变增量分析

降雨持续入渗的过程就是边坡应力应变不断调整的过程,降雨第一天整个模型上部岩体在做大范围的应力应变调整,最大剪应变增量为4.94 e-5。降雨第二天开挖边坡岩体变形调整范围在从模型四周向开挖区域收缩,意味着有一些区域变形调整开始达到平衡,最大剪应变增量为1.31 e-4。降雨第三天开挖边坡岩体变形调整过程基本结束,整体变形趋于稳定,最大剪应变增量区域集中在北侧边坡第四台阶中部靠近东侧边坡如图5所示,最大剪应变增量为3.5e-4。剪应变增量大意味着这一范围内的坡体的安全储备应是相对较低的,也是最容易(最可能)发生失稳破坏的[6]。

图5 剪应变增量分布Fig.5 Contour of shear strain Increment

3.3.2 边坡塑性破坏区分析

降雨期间,拉伸破坏区在局部范围出现,但随着时间推移破坏区范围没有扩大的趋势。降雨前后剪切破坏塑性区位置都主要分布在北侧边坡第四台阶靠近东侧边坡。在开挖后降雨前处于塑性状态的单元比较少,在降雨后的第一天,本来离散的塑性单元迅速连成一片,塑性区增加,说明开挖边坡在降雨后朝着失稳破坏的方向发展。在降雨后的第二天,塑性区减少了,第三天,塑性区进一步减少,意味着开挖边坡正在朝着平衡发展。降雨稳定后塑性区仍然比降雨前要大,如图6所示,其中左为降雨前、右为降雨后塑性区域。根据塑性区标识判断破坏机制是否在起作用,主要看连接两个面的活性塑性区是否存在交线,若存在,表示破坏机制正在起作用[7]。综合分析下,剪切破坏区和拉伸破坏区交线部分在逐渐减少,意味着所研究的边坡随着时间推移趋于稳定。

图6 降雨前后塑性区域分布Fig.6 Distribution of p lastic zone befo re and after rainfall

通过分析发现,坡体剪应变最大的区域和剪切破坏塑性区有重叠,充分说明这部分边坡稳定性安全储备较低,在降雨、风化等自然情况下,有可能破坏,设计支护结构时应着重考虑,重点加固。

3.4 地震条件下边坡稳定性分析

根据工程区地震安全评价资料,场地处于抗震设防一般地段,该区抗震设防烈度为Ⅶ度,设计时按Ⅷ度计算,根据《中国地震烈度表》(GBT 17742-2008),设计基本地震加速度值为0.25 g。

3.4.1 拟静力法在FLAC3D中的应用

FLAC3D可以进行边坡动力反应时程分析,但费时费力,本文采用拟静力法进行边坡地震效应模拟。其基本思想是将地震动作用简化为水平、竖直方向的恒定加速度,并施加在潜在不稳定滑体重心上,加速度的作用方向取为最不利于边坡稳定的方向。加速度的量值分布要体现边坡各部位地震响应规律。王存玉等[8]进行的振动台模型实验,何蕴龙等[9]进行的大量数值模拟,祁生文等[10]对边坡动力反应规律进行大量的数值模拟。研究结果表明:沿竖直方向,水平动力系数随高程增高而增大,竖向动力系数在一定坡高下随高程增高而增大,以上基本保持不变;沿水平方向,水平动力系数由坡面向坡体内部逐渐减小,竖向动力系数在坡面附近较长一段范围内没有明显下降。

流固耦合计算完成后,通过FLAC3D内置语言fish编程,在模型每一单元重心处施加一个水平和竖直加速度,地震动力系数借鉴何蕴龙、陆述远的研究成果,根据下面公式计算单元水平地震惯性力HD和竖向地震惯性力VD:

式中,KH为地震系数;Cz为综合影响系数,取0.25;α为岩块形心处水平动力系数;α′为岩块形心处竖向动力系数;W为岩块的自重。

3.4.2 边坡拟静力法计算结果分析

在Ⅷ度地震作用下,边坡开挖后如果不进行支护,后果无疑是灾难性的。X向最大位移为10.3 m,出现在边坡后缘;Y向最大位移为3.94 m,同样出现在边坡后缘。图7为工程边坡震后位移等值线图,从图中可以看出:边坡的动位移最大值出现在边坡后缘山体中上部,最大位移值达13.1 m。整体位移分布规律为,坡面处位移较少,坡后山体位移较大,通过跟踪坡面重要部位岩体随时间的变形演化情况,坡面变形范围为1.0～2.0 m,比该边坡在降雨条件下的位移量大得多。

图7 位移等值线图Fig.7 Contour of disp lacement

从图8中可以看出边坡体大范围出现塑性区,在坡体底部有所缓解,说明边坡顶部对振动的反应幅值和边坡底部相比存在明显的放大作用。其中边坡中部位置以下多为受剪切屈服,边坡中部位置以上多为受拉屈服。和降雨后局部范围出现拉伸破坏区相比,震后,呈现大规模连续的破坏,由此可以看出地震对边坡的影响比较大,对边坡稳定性起着主要作用,在施工时应采取有效的抗震措施。

图8 地震后塑性区域分布Fig.8 Distribution of p lastic zone after earthquake

4 结论

通过上述分析,可得出以下结论:

(1)边坡开挖后,北侧边坡坡面出现不同程度的应力集中,在坡后缘40 m范围内出现张拉应力。边坡岩体质量较好,水平位移较少,整体处于稳定状态,与现场调查一致。

(2)3 d连续暴雨条件下边坡整体做应力变形调整,在北侧边坡三、四台阶靠近东侧边坡位置,剪应变增量最大,且集中。同时此位置发生剪切塑性破坏。说明这个区域安全储备较低,相对不稳定,在做支护设计时应重点考虑。

(3)在设计地震荷载作用下,工程边坡出现了大位移,塑性区出现了大规模贯通的现象,有可能发生解体式破坏。

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A THREE-D IM ENSIONAL STABIL ITY ANALYSISOF EXCAVATING SLOPE DEFORMATIONIN SUFFER AREASOFWENCHUAN EARTHQUAKE

FAN Lei,TAO Lian-jin,WEI Yun-jie,ZHU Jian
(Beijing University of Technology,The Key Laboratory of U rban Security and Disaster Engineering, M inistry of Education,Beijing 100124,China)

As a result of plant-building needs,a slope was dealt w ith excavating treatment in the region of Wenchuan earthquake.In consideration of its stability having influence on normal operation of the p lant and on the basis of rock classification and generalization model of rock mass structure,Fast Lagrangian method FLAC3Dsimulation of slope excavation was used to analyze the stress field,disp lacement field,shear strain increment and the p lastic zone distribution w hich could be under the natural conditions,heavy rain conditions,and seismic conditions.The results showed that:excavation caused local stress concentration,posterio r border easy to fail in tension;part of the regione was in low security reserve under rain;the slope was unstable due to the earthquake.

slope;FLAC3D;rock mass;pseudo-static;stability

P642;TU 452

:A

1006-4362(2010)02-0032-05

范磊(1983-),男,北京工业大学建筑工程学院岩土所硕士研究生,从事村镇地质灾害危险性评价研究。

2010-03-22改回日期:2010-04-21

“十一五”国家科技支撑计划项目资助(2006BAJ05A 02、2006BAJ27B05)