某料场高边坡开挖有限元数值模拟研究

李 霍

(成都理工大学地质灾害防治与环境保护国家重点实验室,四川 成都 610059)

某料场高边坡开挖有限元数值模拟研究

李 霍

(成都理工大学地质灾害防治与环境保护国家重点实验室,四川 成都 610059)

根据某料场高边坡的实际地质地形特征,建立了三维边坡开挖数值模型,模拟了该边坡从天然工况到逐级开挖工况下的开挖变形形态、应力状态及边坡稳定性等,并进行了系统的研究.结果表明,数值计算模型能够比较真实地反映边坡实际情况,数值模拟的结果是可靠的、合理的,能够在此基础上对边坡以后的应力场、形变场特征作出较好预测.

高边坡;开挖;数值模拟

0 引 言

一般来说,边坡稳定性评价范围包括了开挖前的稳定性和逐级开挖过程中的稳定性,直至开挖完成.边坡支护设计时往往根据后者进行分析计算,而边坡在开挖阶段的稳定性则采取“边坡开挖一级支护一级”方式加以保证.但在实际施工中,为了加快进度与便于施工,施工方常采用一挖到底后再支护,以致部分边坡在开挖阶段就发生卸荷回弹.因此,开展对高边坡开挖过程的研究以及开挖后的稳定性分析具有十分重要的现实意义.

1 工程地质条件

1.1 基本地质条件

研究场地地处北回归线以南,属亚热带季风性气候,光热充足,气候温和,雨量充沛,但年内降雨量的分配很不均匀,其中,汛期的4～9月的降雨量约占全年降雨量的85%,降雨多属锋面雨和热带气旋雨.料场边坡西侧及南侧与陆域相连,东侧及南东侧则直接临海.该边坡为构造侵蚀中山区,山势陡峻,地形起伏大,林木丛生,荆棘密布.总体上地形北高南低,高差约 100 m,坡度 15～ 70°间,坡向 63～213°,坡顶高程约19～99 m,坡底零米标高为4.65 m,其最大相对高差约94 m,实地形貌如图1所示.

图1 高边坡范围示意图

该场地位于华南褶皱系内,横跨粤北—粤东北—粤中坳陷区和粤东隆起区两个二级大地构造单元.在地震构造分区上,场地属于东南沿海地震带.该场地的断裂最早在加里东运动时期就已经开始发育,在燕山期活动最强,但在华力西和印支构造期断裂活动不明显,基本以整体隆升剥蚀为主.

1.2 稳定性影响因素

通常,影响边坡稳定性的因素包括风化卸荷作用、降雨作用、地下水的软化泥化作用以及人类工程活动等.风化卸荷作用使得原有的结构面张开,有利于地下水入渗,加剧了岩体风化程度,大大降低了岩体的物理力学性能;地表水沿裂隙的入渗,一方面引起裂隙中的孔隙水压力增高,加速了裂隙的进一步发展,另外也使得软弱夹层软化、泥化,进而导致其力学性能的降低;人类工程活动主要表现为人工开挖破坏了坡体内原有的应力平衡,导致边坡产生一定范围内应力调整,从而可能引起局部应力集中产生变形,同时,爆破的振动作用使得结构面进一步张开,不利于块体的稳定.

2 边坡开挖数值模拟分析

2.1 模型的建立

在工程地质条件分析的基础上,建立料场高边坡的地质概念模型,计算采用莫尔—库仑屈服条件的弹塑性模型分别计算天然状态和8级开挖各阶段边坡稳定性.目的在于分析边坡的变形模式、开挖引起的大变形和破坏范围,进行基于变形的稳定性分析,进而为设计施工提供可靠的依据.具体计算时,选用适合岩土体应力—应变分析的快速拉格朗日差分法(Flac-3D软件).本次模拟计算的三维模型共划分为881 123个单元和156 964个节点.计算模型如图2所示.

2.2 物理力学参数选取

本研究的高边坡主要由地表第四系堆积物、全风化的凝灰岩、强风化的凝灰岩、中风化的凝灰岩、微风化的凝灰岩组成.该边坡主要发育结构面为:原生结构面,根据现场测绘,边坡范围内地层为沉积结构面,其产状自南向北基本一致(160°～180°∠40°～60°),没有大的变化,统计后的优势产状为160°∠51°;次生结构面(构造及浅表生),边坡中主要发育有3组节理、多处破碎带及多条小规模断裂.对边坡稳定性起主导作用的是构造结构面.

岩土体物理力学参数的选取采用工程地质类比法,主要参考该高边坡岩土工程勘察报告书中岩土工程性质测试专题中物理力学试验资料与《工程岩体分级标准(GB50218-94)》条文说明中岩体及结构面物理力学参数取值,具体见表1.

表1 料场高边坡力学参数取值表

2.3 天然状态坡体应力场分析

在进行边坡开挖模拟前,有必要对坡体天然应力场做简要分析,以此作为开挖后应力分析的对比基础.边坡天然应力场具体表现如图3所示,具体而言:

图3 天然状态应力图

1)最大主应力量值总体上与埋深呈正比,分布比较均匀,在岩层分界部位产生分异,岩层分界上下应力量值大小产生均匀变化,在侧坡内表现较为明显,整个边坡基本上没有拉应力区出现.

2)中间主应力分布情况为,在整个坡体中部浅表层有部分零星处呈拉应力状态,在坡体表面上部有部分拉应力,达0.6MPa.

3)最小主应力分布受软弱夹层分布影响较大.整个坡体最小主应力随埋深增加按正比例线性增大,最大达0.7 MPa;在坡体上部黏土层地表出露带附近出现了部分拉应力区,主剖面高程96 m左右出现拉应力区,最大拉应力为0.02 MPa.

2.4 分级开挖后坡体应力场分析

模拟中按设计施工的开挖顺序进行分级开挖,开挖过程如图4所示,开挖结果见图5,计算中不平衡推力收敛过程见图6.

图4 边坡开挖过程示意图

图5 边坡开挖后地形图

图6 开挖过程中不平衡推力收敛图

边坡开挖过程中,边坡内部原有应力状态将随着开挖的进程而发生变化,引起应力重分布,在局部出现应力集中效应.

1)从最大主应力分布随分级开挖演变过程来看(见图7),开挖使边坡最大主应力发生变化的范围是是有限的,主要对浅表层产生影响,开挖过程中最大主应力变化比较均匀,没有产生过大的应力集中 和突变现象,从0.5 MPa逐步递减到0.03 MPa.在主剖面中从第5次开挖到开挖结束,第4、5、6级开挖面出现了轻微的应力变化,应力从0.03 MPa增加到0.5 MPa,在整个开挖过程中没有出现拉应力.

图7 分级开挖主剖面最大主应分布演变过程

2)图8反映了工程开挖后,在坡体顶部、坡面等处出现了零星拉应力,同时在坡脚处明显出现了一条张拉应力带,而坡缘呈现出一条明显的拉应力带,在北侧边界处拉应力区范围较大,各级边坡顶部也有一定的拉应力条带,拉应力最大值可达 0.05 MPa,在坡脚处,由于岩体内部卸荷回弹的影响,同一数量级的应力带随着开挖的加深呈现隆起状,使得坡脚地表面出现张拉应力带.

图8 分级开挖主剖面最小主应分布演变过程

3)剪应力τ yz特征见图9,在主剖面第5、6、7级开挖处附近等部位产生了应力集中.在坡脚外侧、开挖平台等附近部位出现了拉应力,最大值为0.03 MPa.

图9 开挖八级τ yz分色图

总体上分析,工程开挖对坡体的应力场分布有较为明显影响.开挖边坡坡缘、边坡顶部、4.95 m平台以下较大深度范围岩土体与软弱夹层之上一定范围处于受拉应力状态,而且4.95 m平台以下及坡脚处还处于张剪应力状态;剖面第6级和第7级开挖处应力集中较为明显;坡脚处最大主应力有集中现象,但不十分明显,坡脚表面上多处最小主应力为拉应力则显而易见.上述应力必然会对坡体稳定性产生一定程度的负面影响,特别是对岩性较差部位如何保持其稳定性,需要在工程进行中着重考虑.

3 结 论

通过上述模拟分析,本研究得到以下结论:

1)坡体天然状态下整体处于稳定状态,坡面以下一定深度发生卸荷回弹,坡体内部无较大的应力集中带,但局部区域呈现受拉应力状态,可能形成局部滑塌.

2)工程开挖使坡体的应力场大幅度调整.开挖坡面上最小主应力显著降低,甚至呈拉应力状态,最大主应力在坡脚处产生应力集中,其中最小主应力值在坡脚及部分坡顶出现拉应力,形成一定范围的张力带.

3)开挖边坡大变形发生在坡体浅部,主要在第4级开挖处到开挖完成平台处,最大变形可达13 mm.

4)从边坡应力场特征及其变形特征的数值模拟结果可以看出,边坡的变形破坏主要受边坡的结构特征及几何形态影响,呈现为蠕滑—拉裂式破坏;而在坡顶至第1、2级开挖处岩体内的变形破坏主要受黏土层及全风化层的控制,呈滑移—拉裂式破坏.

5)受边坡开挖后的二次应力场影响,在边坡浅表层,特别是在开挖平台的岩体内产生了强烈的卸荷回弹变形,上述2处甚至还发生了较大的变形破坏,使得边坡岩体极为松散破碎.在这种情况下,一方面很难保证边坡的稳定性,另一方面也很难直接采取相应的支护措施.因此,建议在工程施工时,首先应对边坡进行适当地削坡减载处理,改善边坡的应力条件,同时清除掉边坡已经发生变形破坏的松散岩土体,以便下一步支护方案的安全、顺利实施.

6)从数值模拟得出的边坡变形破坏迹象及变形破坏模式来看,结论与边坡实际情况相吻合.这说明本研究所建立的数值计算模型能够比较真实地反映边坡实际情况,数值模拟的结果是可靠的、合理的,且能够在此基础上对边坡施工过程的应力场、形变场特征做出较好预测.

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Research on Finite Element Numerical Simulation of a Yard High Slope Excavation

LI Huo
(State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China)

According to the actual geological terrain feature of a yard high slope,we establish a three-dimensional slope excavation numerical simulation model.The model simulates and systematically studies excavation deformation form and stress state and the stability of the slope from natural condition to excavation condition step by step.The results show that the numerical model can reflect slope actual situation and the result of numerical simulation is reliable and reasonable.The model can make good prediction for the characteristics of stress field and deformation field.

high slope;excavation;numerical simulation

TU457;TU470.3

A

1004-5422(2013)01-0086-05

2012-12-06.

李 霍(1987—),男,硕士研究生,从事地质灾害与环境保护研究.