开挖影响下顺层岩质边坡应力与变形特征的研究与分析

蒋小权

摘要：本文以湖北省谷城至竹溪高速公路第24合同段杜家溝1号顺层岩质深路堑边坡为研究背景，详细阐述了杜家沟1号顺层岩质边坡的变形特征及变形机理。并采用FLAC3D进行建模，研究了在不同开挖角度下，该边坡的应力场和位移场的变形特征，为边坡的后期治理提供了理论依据。

Abstract： Based on the research background of Dujiaghou No.1 bedding rock deep cutting slope of No.24 contract section of Gucheng-Zhuxi Expressway in Hubei Province， this paper expounds the deformation characteristics and mechanism of Dujiaghou No.1 bedding rock slope in detail. The FLAC3D model is used to study the deformation characteristics of the stress field and displacement field of the slope under different excavation angles， which provides a theoretical basis for the later treatment of the slope.

关键词：顺层岩质边坡;应力特征;变形特征

Key words： bedding rock slope;stress characteristics;deformation characteristics

中图分类号：U213.13                                     文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）23-0202-03

0  引言

顺层边坡对实际工程的建设造成巨大破坏，人民的生命财产造成巨大损失[1-3]，本文在分析杜家沟1号顺层岩质边坡坡体特征、变形机制及变形影响因素的基础上，采用有限差分软件FLAC3D建模计算，模拟该边坡的分级开挖过程。通过数值模拟，分析了边坡在逐步开挖过程中应力和位移的变化规律，为后期施工过程中的加固防护提供指导意见。

1  研究区工程地质条件及变形机制分析

1.1 地形地貌及地层岩性

杜家沟1号顺层岩质边坡位于湖北省竹山县城关镇杜家沟村境内，路堑从边坡底部通过。根据现场调查，该边坡在空间上呈舌状，最宽处为160m，宽约为130m，纵向长约200m，边坡两侧以冲沟为界，边坡前缘高程320m左右，边坡相对高差约40m，潜在滑体的面积约18850m2，体积约113000m3，属中型滑坡。根据地质勘察资料分析得知，研究区岩芯揭露主要为碎石土、弱风化～强风化绢云母片岩。

1.2 地质构造

研究区的地层岩性主要为古生界志留系绢云母片岩，岩层产状25°∠28°，地层产状总体与山坡呈顺向坡，岩层倾角小于边坡坡角，因此发生大规模岩层顺层岩质边坡的可能性较大。节理裂隙发育明显，主要有2组，其中一组以闭合～微张为主，裂面较平直，泥质部分充填，也有方解石脉和石英脉充填，在岩体中，裂隙面侵染生成的铁锰质较多，大部分浅部岩石观测到一定风化。

1.3 人类工程活动

根据现场调查可知，附近村民在边坡下方修建村道时开挖坡脚，而开挖后的陡坡未有支护措施和截（排）水设施。同时，在修建高速公路时进一步开挖边坡，并在边坡后缘的出现了张拉裂缝，存在较大的安全隐患。因此，人类工程活动也导致边坡失稳的原因之一。

1.4 边坡体特征及变形机制分析

边坡变形主要表现为坡体开裂、抗滑桩的位移及路堑墙外倾。该边坡曾经发生过变形，坡体已经变得十分松散，同时雨水入渗浸润坡体，加快了绢云母片岩风化速度，恶化土体物理力学指标;并且，由于人类活动导致边坡前缘出现较大的临空面。综上所述，该边坡的变形主要为绢云母片岩工程地质条件极差，同时雨水下渗进一步降低了顺层岩质边坡中岩土体的力学强[4]，且前缘开挖形成临空面，最终形成一个牵引式滑坡。

2  数值建模及参数选取

2.1 模型建立

本论文采用AUTOCAD、ANSYS、FLAC3D多种应用软件联合使用，进行模型的建立[5]。三维计算模型的约束条件为：上表面不采取约束（即自由边界）;底面采取3个方向的位移约束（固定约束）;其余4个边界面均为单向位移约束边界。

2.2 模型参数的选取

①滑体土重度。

滑体重度：根据室内测试滑体强风化绢云母片岩天然重度取22.0kN/m3，饱和重度22.5kN/m3，碎石土的天然重度取19.6kN/m3，饱和重度取20.1kN/m3。

②滑带土抗剪强度参数。

该滑坡体发生过一次滑坡位移，滑带土主要为强风化绢云母片岩，平均值（天然状态下C=33.5kPa、？准=21.0°，饱和状态下C=29kPa、？准=18°。

3  边坡开挖影响下的杜家沟顺层岩质边坡应力与变形特征

3.1 主应力场的分布特征和变化规律

本文为了研究边坡逐步开挖卸荷影响作用下边坡的受力特征和变化规律，在模型计算和分析中选择具有代表性的开挖阶段，即分别选取边坡逐步开挖至-9.38m、开挖至-16.12m、开挖至-24.11m四个阶段，然后对每个阶段的最大主应力、最小主应力等值线的变化规律进行研究，每个阶段最大、最小主应力如图1所示。

3.1.1 最大主应力分布特征及变化规律

随着开挖的进行（开挖到坡脚），最大主应力呈增大的趋势，随着埋深的增加，最大主应力值也随之变大，坡脚处最大主应力较其它部位较大，达到2.91MPa;刚开始開挖时，最大主应力的大小变化较小，后期最大主应力增加幅度变大，说明上部受开挖影响较小，向下影响逐渐逐渐变大。边坡开挖到坡脚，最大主应力最大，坡面处的最大主应力开始向潜在滑动面移动，潜在滑动面局部范围内开始出现较大值，如果不进行加固，任由其发展下去，边坡可能发生变性破坏。

3.1.2 最小主应力分布特征及变化规律

对边坡进行削方放坡开挖时，最小主应力减小，分布规律基本与最大主应力的相似，但明显能看出岩层分界面把最小主应力错开;浅层边坡的最小主应力与边坡坡面平行，坡脚处同样出现最小主应力的最大值，达到0.34MPa。边坡开挖前期，对边坡进行削方放坡卸载，此时开挖对最小主应力的影响绝对值要比最大主应力的影响小;边坡开挖后期，对坡脚前方的土体开挖时，在此开挖过程对最小主应力的影响绝对值要比最大主应力的影响大。

3.2 边坡开挖过程中边坡竖向和水平位移变化特征

图2显示边坡在各个开挖阶段时的竖直和水平位移云图，从竖直位移云图中可以看出，露天开挖卸载可以产生不同程度的竖向回弹，而且这种开挖卸荷作用对边坡浅部的影响较为明显。刚开挖时，竖向位移变化较大，说明刚开始时开挖卸载对竖向位移影响较大;开挖后期，竖向位移变化较小，说明边坡位移由开挖卸荷影响转为重力牵引。结合前面应力的分析，由于边坡的滑动，坡脚处于应力集中的地方，从而导致坡脚处出现较大的竖向回弹，回弹值达到1.61m。

在边坡开挖过程中，形成了大角度的杜家沟顺层岩质边坡，边坡在重力的作用下，边坡会产生向净空向移动的趋势，从而导致边坡产生水平方向的位移。随着开挖的进行，水平位移主要集中在潜在滑面以上的潜在滑体内部，最大值集中在坡脚处，为1.18cm，水平位移由坡脚向边坡后缘逐渐减小。

4  结论

本文以杜家沟1号顺层岩质深路堑边坡为研究背景，详细阐述了杜家沟1号顺层岩质边坡的变形特征及变形机理。在此基础上，本文通过FLAC3D建立了该边坡的开挖模型，并对其应力场和位移场进行了详细地研究，研究结果表明：①应力场变化：主要是对边坡进行削方放坡处理，各主应力均有下降的趋势，坡脚处各主应力均较大，说明对边坡进行削方放坡处理，有利于减小边坡的滑动。②位移场变化：刚开挖时，竖向位移变化较大;开挖后期，竖向位移变化较小。由于边坡的滑动，坡脚处于应力集中的地方，从而导致坡脚处出现较大的竖向回弹，回弹值达到1.61m。随着开挖的进行，水平位移主要集中在潜在滑面以上的潜在滑体内部，最大值集中在坡脚处，为1.18cm，水平位移由坡脚向边坡后缘逐渐减小。

参考文献：

[1]殷跃平.中国典型滑坡：中英文[M].中国大地出版社，2007.

[2]肖诗荣，刘德富，胡志宇.三峡库区千将坪滑坡地质力学模型研究[J].岩土力学，2007（07）：1459-1464.

[3]许强，黄润秋，殷跃平，等.2009年6·5重庆武隆鸡尾山崩滑灾害基本特征与成因机理初步研究[J].工程地质学报，2009（04）：433-444.

[4]邹宗兴，唐辉明，熊承仁，等.大型顺层岩质滑坡渐进破坏地质力学模型与稳定性分析[J].岩石力学与工程学报，2012（11）： 2222-2231.

[5]邹宗兴.顺层岩质滑坡演化动力学研究[D].中国地质大学，2014.