考虑扰动影响的边坡稳定性实例研究

张　庆　陈良杰　邓岳保

(1.宁波大学,浙江 宁波　315211；　2.哈尔滨工业大学深圳研究院，广东 深圳　518055)



考虑扰动影响的边坡稳定性实例研究

张庆1陈良杰2邓岳保1*

(1.宁波大学,浙江 宁波315211；2.哈尔滨工业大学深圳研究院，广东 深圳518055)

以深圳黄贝岭边坡为例，利用ADINA软件，数值模拟分析了隧道洞口边坡稳定性，研究了不同扰动程度、不同扰动范围对隧道洞口边坡稳定性的影响及其稳态力学特性，为实际工程中的隧道边坡治理工作提供理论依据。

边坡，施工扰动，隧道洞口，稳定性，安全系数

0　引言

随着我国山地、丘陵地区交通网络的发展，隧道越来越显示出穿山越岭的优越性[1]，随之而来的隧道边坡失稳、洞口塌方事故频频发生，给工程建设造成了巨大损失和危害。2012年6月30日，浙江诸永高速公路双峰隧道南洞口突然发生山体滑坡，导致多条道路封道；2013年8月2日，内昆铁路K285+500～K285+900 m线路洞口右侧边坡发生大面积垮塌，整个坡面出现多处裂缝，最宽处达到0.5 m，最大错台有1.5 m，绵延2 km；2014年5月4日，渝湘高速公路大观至石龙路段的斑竹林隧道出洞口处发生边坡滑坡，大量淤泥被雨水冲至路面。因此，隧道边坡失稳成为当前亟待解决的工程问题。

1　工程概况

深圳黄贝岭边坡位于广东省深圳市罗湖区黄贝岭开发区东南侧老乌龟山，为典型的人工开挖山体而形成的风化岩质边坡，处地震烈度7度区。黄贝岭边坡坡面共分二级台阶，其中二级台阶以上坡度为1∶1，二级台阶以下坡度为1∶0.75，台阶宽2 m，最大坡高达40 m，边坡总长为174 m，护坡总面积为6 800 m2。

根据现场测试和室内的土工试验，得到该边坡的物理力学参数如表1所示。其中滑面的c，φ值测试采用室内直剪试验。

表1　边坡岩土体物理力学参数

2　模型构建

采用二维有限元建模，建模过程中尽可能的模拟了边坡的地质情况，以符合实际。岩土体均是基于库仑—摩尔破坏准则的弹塑性材料。边界条件设定为：两侧边设置Y约束，底部设置Z完全约束。模型如图1所示。

图1　有限元计算模型

3　不同扰动程度下的边坡稳定性研究

3.1不同扰动程度下边坡安全系数分析

岩体扰动研究的难点在于其结构形态、介质特性和力学状态等相互制约，理论研究往往难以适应实际工程的复杂情形。本工况考虑在扰动范围为8 m的情况下，隧道洞口开挖对边坡稳定性的影响。定义扰动程度为岩体的抗剪强度指标下降的百分比数值，弹性模量不变。通过ADINA有限元建模，利用强度折减法得到不同扰动程度下边坡的安全系数，如表2所示。

表2　不同扰动程度下边坡的安全系数

当洞口边缘岩体强度下降60%时，显示安全系数无法计算。从结果尝试分析，以扰动程度50%和其安全系数1.12为基数，当扰动程度为40%时，1.12(0.6/0.5)=1.344，当扰动程度为30%时，1.12(0.7/0.5)=1.568。以此类推，可见扰动程度下的安全系数变化有接近线性的关系。因此对扰动程度为60%的情况进行预判，0.5/1.12=0.44，说明边坡扰动程度的极限值约为56%，即当扰动程度达到60%时边坡直接破坏而无法计算安全系数。

图2　不同扰动程度下的边坡安全系数变化曲线

对数据进行拟合曲线，得到如图2所示的结果。扰动程度为60%时的安全系数在插值拟合分析中，出现了骤降，一定程度上说明了扰动程度过大直接导致边坡发生破坏。

3.2不同扰动程度下边坡稳态力学分析

图3和图4显示了应力场分布。施工扰动会导致减弱区与正常岩体有明显的分层痕迹，在分层临界面处剪应力变化较大，其中图4的分层现象更加显著，比较结果可知，在自重作用下既有拉应力也有压应力存在，拉应力集中于上部，压应力集中于下部，最大主应力值分布及变化规律基本一致。在洞口下方和坡脚处出现了应力集中的现象。

4　不同扰动范围下的边坡稳定性研究

4.1不同扰动范围下边坡安全系数研究

而实际工程总受人工活动影响较大，其影响范围没有确切的数值。在本案例中，假定扰动程度均为20%，对不同扰动范围下的边坡安全系数进行计算，结果如表3所示。

图3　扰动程度10%的最大主应力云图

图4　扰动程度50%的最大主应力云图

表3　不同扰动范围下边坡的安全系数

当扰动范围达到10 m时，受限于有限元模型网格划分要求，模型无法运行，故安全系数无法获得。数据的拟合结果如图5所示。当扰动范围变化时，安全系数呈现先下降再增加的趋势，但总体变化幅度不大。

图5　不同扰动范围下的边坡安全系数变化曲线

4.2不同扰动范围下边坡稳态力学研究

图6　扰动范围5m的最大主应力云图

由图6和图7可知，当扰动范围更大时，最大主应力值大致相当，最小主应力值更大，这决定了边坡岩体受破坏的可能性越大。

在上述分布中，可知洞口边缘处往往有较大的位移和应力集中现象，是施工过程中重要的环节。以下对处于洞口右边缘的节点588单独分析，由ADINA后处理文件中导出水平位移过程曲线，如图8所示。

图7　扰动范围9m的最大主应力云图

图8　节点588的水平位移过程曲线

从图8中可以看出，该节点的位移共分3个阶段，第一阶段是洞口刚开挖完成，节点有较小的水平位移，之后保持稳定；第二阶段是支护结构施工完成时，节点位移突然增大，岩体挤压强烈；第三阶段是施工后期，节点几乎没有再产生水平位移，边坡结构稳定。因此，洞口开挖后支护结构的施工是整个工程中较为关键的工序之一，及时施工并保证结构不产生过大位移，是工程中的首要任务。

5　结语

采用ADINA对隧道洞口边坡进行有限元数值分析，有针对性的进行了扰动程度和扰动范围的有限元模型研究工作，旨在探讨扰动影响下的边坡稳定性问题。上述工作得到了一些初步的成果和结论：

1)施工扰动的影响使得岩体结构强度下降，减弱区临界面越加明显，且临界面处产生过大的剪应力集中效应，对减弱区岩体的结构安全十分不利。而当扰动范围逐渐变大时，洞口支护结构的作用必然减小，边坡安全系数减小，人为防控作用就不再凸显。

2)施工扰动产生了岩体强弱面，使得岩体塑性区塑性屈服发展加快且不均匀，导致破坏规律难寻，给边坡岩体结构健康检测带来了很大的难度。

3)施工扰动范围越广，扰动程度越大，边坡的稳定性就越差。对边坡的保护，应尽量根据现场条件，采用合理的办法减小施工扰动范围。同时在施工前应对岩体特质进行了解，避免带来较大的扰动使得岩体受损程度过大。

[1]刘辉，张智超，王林娟.2004—2008我国隧道施工事故统计分析[J].中国安全科学学报，2010，20(1):96-100.

[2]毛旭.隧道洞口施工对边坡稳定性影响的预测分析[J].施工技术，2011，40(354)：50-52.

[3]方建勤，廖树忠.隧道施工对洞口边坡稳定性影响研究[J].公路，2009(12):192-196.

[4]龙浪波.隧道洞口段边坡稳定性研究及数值分析[D].成都:西南交通大学,2009.

[5]孙训方，方孝淑，关来泰.材料力学[M].北京：高等教育出版社,2002.

[6]李立锋.开挖扰动对边坡稳定性影响分析[J].路基工程，2008(6)：125-126.

Example research on slope stability by taking distance influence into consideration

Zhang Qing1Chen Liangjie2Deng Yuebao1*

(1.NingboUniversity,Ningbo315211,China;2.HarbinIndustryUniversityShenzhenAcademy,Shenzhen518055,China)

Taking Huangbeiling slope in Shenzhen as an example, the paper carries out numerical analysis for the tunnel entrance slope stability by applying ADINA software, studies the impact of different disturbance degree and different disturbance scope upon tunnel entrance slope stability and its stable mechanical properties, which has provided some guidance for tunnel slope treatment in actual engineering.

slope, construction disturbance, tunnel entrance, stability, safety coefficient

1009-6825(2016)21-0095-03

2016-05-14

张庆(1994- )，女，在读本科生

邓岳保(1983- )，男，博士，讲师

TU413.62

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