基于强度折减法的赵家冲隧道仰坡安全稳定性评价

孙宝志，黄胤超

（1.中交一公局第一工程有限公司，北京　102205； 2.湖南省高管局永吉高速公路建设开发有限公司，湖南吉首 416000）

基于强度折减法的赵家冲隧道仰坡安全稳定性评价

孙宝志1，黄胤超2

（1.中交一公局第一工程有限公司，北京102205； 2.湖南省高管局永吉高速公路建设开发有限公司，湖南吉首 416000）

结合已有资料与现场调查，通过原位测量得到赵家冲隧道仰坡几何尺寸、土体性质等基本数据，据此建立有限元模型，通过数值计算得到隧道仰坡的安全系数及滑动面位置，并结合现场勘测情况给出加固意见和建议。

隧道；强度折减法；仰坡；加固建议；安全稳定性

隧道工程和边坡密切相关，隧道洞口段极易受到偏压地形及潜在滑坡、剥落、崩塌等边坡破坏问题的威胁，如何确保隧道和洞口边坡的稳定性一直是隧道施工中关注的重点。该文结合实例工程建立数值模型，对考虑动态荷载下隧道边坡稳定性进行研究，通过计算安全系数评价边坡的稳定性，据此提出加固措施。68°，倾角47°；第二级边坡高1.75 m，倾角26°；第三级边坡高1.15 m，倾角35°。仰坡上部设有浆砌片石截水沟，上宽1.65 m，下宽0.8 m，深0.5 m（见图1）。

1　工程概况

某铁路路基设备为隧道仰坡，总长为104 m。赵家冲隧道进口高9.0 m，隧道口宽5 m，高8.0 m。隧道口设有重力式挡墙，高7.0 m；两侧有砼吊沟， 宽0.5 m，深0.3 m；上有砼截水沟，宽0.7 m，深0.55 m。隧道口上部仰坡为二级边坡，第一级边坡高2.29 m，倾向266°，倾角35°；第二级边坡高3.07 m，倾角26°。仰坡上部设有浆砌片石截水沟，上宽1.6 m，下宽0.8 m，深0.7 m。

赵家冲隧道出口高9.0～14.1 m，隧道口宽5 m，高8.0 m。隧道口设有重力式挡墙，高7.0 m；隧道口上有砼截水沟，宽0.8 m，深0.45 m。隧道口上部仰坡为三级边坡，第一级边坡高2.19 m，倾向

图1　赵家冲隧道整体外观

2　数值计算

2.1地质参数评估

通过SIBAO-MG858S对边坡进行实地量测，并将测量结果导入CAD软件绘制三维地形图。综合实地勘测资料和《岩石力学参数手册》，对该边坡岩土参数进行评估，结果见表1。

2.2数值计算模型

数值模拟软件可对相对复杂的岩土构筑物进行计算分析，并可综合考虑多个复杂因素的影响，因而其计算结果具有较好的参考价值。假定同一层土体为满足Mohr-Coulomb准则的各向同性体且计算时不考虑土体剪胀角，认为土体降雨入渗为饱和渗流问题，片石挡墙及护坡为弹性材料。参考地形实测结果，运用ABAQUS建立该边坡有限元模型（见图2）。

该计算模型取边坡长度为100 m（沿隧道方向长度），坡顶距路面最大距离23 m，自坡脚向下取5 m，坡脚外侧各取5 m，挡墙高为8 m；进口处一级边坡坡角约为35°，二级边坡坡角约为26°；出口处一级边坡坡角约为47°，二级边坡坡角约为26°，三级边坡坡角约为35°。考虑边坡渗水作用，坡体单元采用三维四节点孔压单元（C3D4P）。坡体共划分82 505个孔压单元、16 084个单元节点。计算时所采用的岩土体材料参数见表1。

表1　边坡岩土材料计算参数

图2　边坡计算模型

2.3数值计算结果与分析

运用上述数值分析模型，采用强度折减法对该边坡的稳定性进行评估，获得其安全系数。强度折减法的基本原理为：材料的内摩擦角和粘聚力的逐渐降低导致单元的应力无法与强度配套或超出屈服面，不能承受的应力将逐渐转移到周围土体单元中，出现连续滑动面（屈服点连成贯通面）后，土体将失稳。当假定边坡内所有土体抗剪强度的发挥程度相同时，抗剪强度折减系数相当于边坡整体稳定安全系数。ABAQUS没有内置强度折减法的分析方法，但通过定义变化的材料参数，并通过ABAQUS场变量的设置可计算出滑动面出现时的安全系数。滑动面贯通时对应的场变量（折减系数）即为边坡的稳定性安全系数。

实际边坡在长期自重作用下已经达到自身平衡。在ABAQUS中，由于重力作用会对边坡产生竖向沉降，给滑动面观察造成困难，首先进行地应力平衡计算以消除重力的影响。自重应力作用下的应力云图见图3。从中可见在片石挡墙及护坡处存在应力集中现象。

图3　边坡在重力作用下的应力云图（单位：k Pa）

2.3.1安全系数

采用强度折减法，当强度折减到某一数值时，计算过程中将会出现位移拐点，将计算过程中边坡顶点出现位移突变视为边坡失稳。该边坡安全系数-位移曲线见图4。

从图4可看出：该边坡安全系数为1.238。强度折减系数为0～1.238时，边坡顶点位移变化不大，大于1.238后边坡位移急剧增加。

观察塑性区在分析过程中的变化，了解边坡失稳过程。截取边坡坡脚出现塑性区直至塑性区贯通的过程，安全系数为1.238时的塑性区见图5。

图4　边坡总位移随强度折减系数的变化

图5　折减系数为1.238时的塑性应变

从图5可看出：折减系数为1.238时，边坡塑性区贯通，与数值模拟结果中位移结果一致。

2.3.2滑动面

边坡稳定性分析中需确定滑动面的位置。由于计算过程中第一步分析中进行了地应力平衡计算，消除了重力作用对边坡位移的影响，从塑性应变图即可清楚地判断滑动面的位置。从图5可以看出：滑动面大致呈圆弧状通过边坡坡脚点，圆弧半径为20.75 m左右，滑动面到坡面最大垂直深度约为4.55 m。

3　加固建议

基于现场踏勘、岩土参数预估及数值分析获得的滑坡体几何特征，提出如下预加固建议：

（1）在隧道进口仰坡坡面采用浆砌片石护坡支护进行预加固。

（2）在隧道出口仰坡坡面采用锚杆+网格梁+喷浆的联合支护形式进行加固。

（3）清除有植物根系发育的岩体，防止其崩落，并对坡面作喷浆处理，防止其进一步风化。

（4）清除隧道进、出口仰坡上部截水沟内杂草，并对片石破损部位进行修复。

4　结论

针对赵家冲隧道进、出口边坡，通过ABAQUS建立三维有限元分析模型，考察边坡在自重及孔隙水作用下的稳定性，得出以下主要结论：

（1）该段边坡安全系数约为1.238，考虑到边坡岩土参数离散性及强降雨等不利因素，建议对该边坡进行定期监测，雨季加强监测，并及时采取加固措施进行加固处理。

（2）潜在滑动面圆弧半径为20.75 m左右，滑动面到坡面最大垂直深度约为4.55 m。

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1671-2668（2016）01-0221-03

2015-12-07