某山区公路岩质边坡开挖效果数值模拟分析

黄 辉，聂 彪

（中铁科学研究院有限公司深圳分公司 深圳518000）

0 前言

近年来，关于岩体卸荷的研究获得了很大进展，吴玉山、李天斌和王兰生等人开展了一系列岩石三轴试验的研究，G.Wu 和L.Zhang、李建林［1］和周小平等人在岩体卸荷的理论研究方面也有很大贡献。以上的研究涉及边坡岩体卸荷、卸荷力学、卸荷松弛带等多个方面，并与开挖联系起来，但采用数值模拟具体与工程实践问题相联系的相对较少。

随着山区公路建设的不断深入，开挖稳定问题也越来越突出，本文以具体工程为例，通过数值模拟分析边坡开挖卸荷以及原有断层对坡体变形、应力变化的影响，为类似工程的开挖施工提供借鉴。

1 工程概况

某山区公路路堑岩质边坡相对坡高72 m，坡度35°～40°，岩性为砾岩夹细砂岩、局部为灰岩；层面发育，岩层倾角21°～32°，以倾向坡内为主。边坡坡表为第四系覆盖层，局部为崩坡积块碎石层，边坡以强-中风化岩层为主。山区公路自山体中下部穿过，需进行开挖施工。

2 水文地质条件

本岩质边坡范围大气降水形成的地表（坡表）面流自地势高处向地势低洼处排泄较畅通，地下水主要为储存在基岩裂隙及第四系覆盖层、崩坡积块碎石层的上层滞水，主要接受大气降水补给。

3 开挖卸荷理论

岩体卸荷作用是边坡（斜坡）岩体浅表层改造的一种重要外界营力，其主要表现方式之一的卸荷回弹是指边坡（斜坡）岩土体发生变形破坏。岩体的卸荷作用从工程地质角度上主要产生两个效应，即岩体完整性的变差和物理力学性能的降低。边坡卸荷带是指伴随着边坡开挖或者自然演化河谷下切的过程，因为地应力释放，边坡（斜坡）岩体向着临空方向发生卸荷回弹变形，河谷（边坡）地应力场重新调整，而在边坡（斜坡）的浅表部一定深度范围内（往往会结合原有结构面）所形成的一套破裂变形体系，具体表现为原有结构面的错动加剧、张开加剧、或沿着岩体薄弱部位产生新的表生破裂结构面体系，结果在河谷边坡一定深度范围内形成类似于地下洞室（隧道）围岩“松动圈”的岸坡卸荷回弹分带特征。开挖卸荷则是指上部岩土体挖除后，下部岩土体随着上覆荷载的移除，将引起开挖面岩土体的向临空面的变形［2，3］。

4 数值模拟参数与模型

模型及计算参数Rocscience Phase 2.0 是一款功能强大的岩土工程弹塑性有限元计算软件、广泛使用于各类工程数值模拟分析中。本文采用Phase 2.0 软件模拟该岩质边坡开挖后应力场、变形等的变化。

根据工程地质剖面图及开挖设计方案建立该路堑岩质边坡有限元模型，如图1所示［4］，边坡坡体内长条状为边坡勘查孔揭示的断层。

图1 公路岩质边坡有限元计算模型Fig.1 Finite Element Calculation Model of Rock Slope

边坡开挖仅涉及表部，天然以及开挖条件下的应力及位移场特征的有限元计算不考虑构造地应力场影响，仅考虑边坡自重应力影响。计算中岩土体物理力学参数、断层物理力学参数取值详如表1所示。

表1 岩土体物理力学参数取值Tab.1 Physical and Mechanical Parameters of Rock and Soil

5 数值模拟计算结果分析

5.1 应力场特征

计算结果表明，天然状态下边坡应力符合一般斜坡应力场特征，应力在风化界线附近有一定的变化，在断层及裂隙周围出现应力集中，天然状态下斜坡应力随深度变化，从坡表到坡体内应力逐渐增大，如图2所示。

边坡开挖后，伴随边坡应力场的重分布［5］，开挖坡面的最大主应力值介于0.00～2.00 MPa（见图3a）。在开挖面坡度变化处出现了应力集中现象，由开挖前的1.00 MPa 增大为2.00 MPa。最小主应力范围为-0.01～0.28 MPa，岩体卸荷回弹［6］导致开挖面局部出现拉应力（集中在开挖面及断层附近），即最小主应力为负值（见图3b）。

图2 天然状态主应力云图Fig.2 Cloud Chart of Principal Stress in Natural State

图3 开挖后主应力云图Fig.3 Cloud Chart of Principal Stress after Excavation

5.2 边坡开挖的最大剪应变能特征

边坡开挖的最大剪应变能如图4所示，开挖后最大剪应变发生在坡顶第四系覆盖层，最大值为0.015。由于开挖方量小，开挖面部位最大剪应变值基本为零。剪应变能在断层处有较明显体现，最大值为0.005，表明断层部位出现较明显剪切变形，顺倾坡外的断层在开挖面附近有局部破坏失稳的可能［7，8］。

5.3 坡体位移场及破坏区分布特征

本路堑岩质边坡开挖后总位移如图5a所示，由于开挖对边坡第四系覆盖层［9］的扰动且第四系覆盖层本身稳定性较差［10］，最大位移发生在第四系覆盖层的开挖面处，量值为3.7 cm。开挖面岩体卸荷回弹，在开挖路基前缘处位移较明显，达1.3 cm。开挖后边坡塑性区分布特征如图5b所示，塑性破坏主要分布在第四系覆盖层和断层带，以拉、剪破坏为主，覆盖层有失稳的可能，发生剪切破坏的可能性较大。

图5 边坡开挖后的整体位移云图及破坏分布图Fig.5 Cloud Chart of Overall Displacement and Failure Distribution after Slope Excavation

6 结论

以上数值计算根据岩质边坡工程地质断面图建立计算模型，对边坡开挖后的应力、应变及可能破坏的情况进行了数值模拟分析。数值模拟结果体现了天然及开挖边坡总体稳定性较好；另一方面，体现了岩质边坡开挖后开挖面岩土体卸荷回弹的变形特征、变形总体情况及对应量值，可能发生破坏的部位及破坏类型，即第四系覆盖层开挖面处和开挖面断层处是薄弱位置易发生较大的变形或发生破坏的部位；数值模拟的结果还着重体现了边坡各部位断层在开挖过程中应力及变形破坏方面发生的变化。以上数值模拟结果可供实际开挖施工过程中进行参考，有针对性的对位移较大部位及时进行碾压，对易发生破坏的部位进行预加固，避免滑塌发生。