基于3DEC的岩质边坡倾倒破坏稳定性分析

许源华 谭化川 刘 品

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550081)

在西南山区的公路建设中，经常遇到反倾的层状岩质边坡，在其岩层产状与开挖坡面具有一定的反倾关系时，开挖切脚临空后，导致有层理分割形成的板状岩体在自重弯矩作用下向临空方向产生悬臂梁式弯曲，并向坡体内部发展，在变形积累到一定阶段后产生岩块转动、倾倒等变形破坏。倾倒变形破坏演变过程见图1[1-2]。

图1 倾倒变形破坏演变过程图

和其他边坡变形失稳过程相比，倾倒破坏与岩层、节理的切割、边坡开挖的空间关系很大。同时在倾倒破坏过程中块体的运动及对其他块体产生的影响也会对边坡稳定性造成较大的影响。

离散元法允许岩块之间滑动、平移、转动，以及岩体断裂等复杂过程，具有宏观上的不连续性，可以较真实、动态地模拟边坡块体在开挖过程中应力、位移、变形状态的变化特征，以及岩体破坏过程。因此，利用该方法对倾倒破坏进行稳定性分析具有较好的适宜性。

1 工程实例地质条件

贵州省某高速公路互通匝道AK2+910-BK0+382左侧挖方边坡，于2014年12月4日第三级以上防护施工完成后，在进行第二级边坡开挖过程中，AK2+910-AK2+975段边坡出现倾倒破坏，第二级边坡平台出现多条裂缝(见图2，分布4条主要裂缝)，裂缝走向主要以N19°E为主，部分为N20°～30°E。裂缝断续分布，单条长度不大于35 m、宽度多大于15 cm,最大宽度为40 cm。2014年12月15日，第三、四级边坡平台也出现裂缝。现场裂缝总体上以拉张变形为主，未发现明显的剪切滑动或错落。典型横断面见图2。

图2 典型横断面设计图

场区上覆第四系残坡积层碎石土，下伏三叠系中统许满组薄至中厚层状质粉砂质泥岩。岩土层从上至下为：

碎石土。灰黄色，碎石成分为粉砂质泥岩，一般粒径40～80 mm，最大达300 mm，含量55%～65%，其间充填黏土，结构松散、稍湿，厚约2.2 m。

强风化粉砂质泥岩。灰黄色，薄至中厚层状，地层综合产状为248°∠61。节理裂隙发育，节理主要有J1：98°∠70°、J2：195°∠80°、2组，节理间距120～400 mm，单条节理裂隙地表延伸长度2～4 m。岩体破碎，岩石软，岩芯呈块状、碎石状，厚约15 m。

中风化粉砂质泥岩：灰色，薄至中厚层状，岩体较完整，岩石较软，岩芯呈柱状、块状。

根据边坡变形现象和地质条件分析，附近河流环场区绕行，在沟谷快速下切的过程中岩体卸荷回弹，导致岩体节理裂隙发育，岩体破碎。岩层陡倾，开挖边坡与岩层走向近平行，造成反倾边坡，开挖临空为边坡产生倾倒破坏提供了条件。边坡在施工开挖后经历多次连续降雨，软化岩体强度，出现倾倒破坏。

2 计算结果及治理分析

2.1 计算模型

依据上述地质调查资料，采用3DEC建立计算模型。根据工程实际情况，按照比例1∶1建模，模型总高100 m、宽130 m。为了简化计算，通过3DEC软件中Joint单元设置一组产状248°∠61°、间距2 m的层面，来模拟实际边坡。岩土体参数见表1，岩体层面参数见表2。计算采用摩尔-库仑屈服条件的弹塑性模型。

表1 岩体物理力学参数

表2 岩体层面物理力学参数

由于匝道路基设计线为半径80 m的曲线，为了较准确地模拟边坡的实际状况，通过3DEC内置的fish语言进行编程，实现本工程中边坡曲线开挖的模型建立[3-5]。三维模型图见图3、图4。

图3 开挖前后模型图

图4 边坡模型典型断面图

对该模型进行边界约束，在前后左右4个边界通过约束单向的速度来实现空间半无限体的条件，对下边界采用3个方向的速度约束条件。通过增加重力并计算稳定来实现重力场的模拟[6]，结果显示未开挖前边坡稳定性。之后对模型中“pit excavation”部分进行开挖，计算分析开挖后坡体的变形受力状态，并与工程实际进行对比分析，验证边坡倾倒破坏的稳定性理论计算。

计算表明，随着运行时步的增加，坡体上位移幅度逐渐增大，位移最大值由运行12 000步时的0.089 m增加到运行20 000步时0.517 m，位移矢量云图见图5，同时位移最大区域逐渐突出、集中在A匝道小桩号方向第二级坡面位置，与边坡实际情况相符。如不采取工程措施，坡面第二级拉裂倾倒区域将与后缘沉降区域贯通，边坡将进入蠕滑变形阶段，进而产生后续的滑动破坏，典型剖面位移矢量云图见图6。

图5 位移矢量云图(单位：m)

图6 典型剖面位移矢量云图(单位：m)

图7为典型剖面xy方向剪应力图。

图7 典型剖面xy方向剪应力图(单位：Pa)

由图7可见，最大剪应力集中出现在坡脚和第二级平台区域，第三级坡面及第四级坡面局部也出现较大剪应力。结合现场调查及受力分析，认为坡脚位置由于开挖切脚临空，存在剪切滑出的趋势，因此属于剪应力较大区域；第二级平台以下的岩体在相邻2个层面之间的岩体剪应力存在正负相伴的现象，根据受力平衡分析即存在顺向的弯矩，在变形上表现为弯曲，与现场调查的情况相符。

数值模拟结果显示，第二级平台以下的岩体存在弯曲倾倒现象，与倾倒破坏的悬臂梁式弯曲理论相符，该区域为边坡变形失稳的关键区域，若能制止该区域的变形发展，将有助于制止倾倒破坏的进一步发展，避免倾倒破坏区域与坡体后缘沉降区域贯通，造成边坡失稳破坏[7-10]。

2.2 治理方案及效果

由于第三～第五级边坡防护已经实施，且在第二级边坡发生倾倒坡坏的情况下没有发生破坏，在保证原有防护的前提下，不具备放缓边坡的条件。从数值模拟的结果来看，坡脚的开挖临空是倾倒破坏的主要诱发因素之一，根据边坡倾倒拉裂变形机理，结合实际地形条件，采取“以抗滑桩固脚+放缓边坡及加强边坡排水”的综合治理措施。

治理方案示意见图8。

图8 典型边坡治理方案示意(单位：m)

AK2+910-AK2+980第一级边坡采用2 m×3 m抗滑桩，桩长18 m，悬臂10 m，桩间距6 m，桩间采用挂网喷射混凝土(锚杆长4.5 m)支护；放缓第二级边坡坡比为1∶1.2；完善坡面及坡体的排水系统；为避免爆破对边坡造成扰动，高程429 m以下的边坡开挖采用非爆破方式。

施工及运营期间连续观测结果表明，坡体变形趋于稳定，说明边坡加固治理措施有效、合理，边坡加固实际效果见图9。

图9 边坡加固实际效果图

3 结语

在总结分析已有倾倒破坏稳定性评价的基础上，用采用3DEC模拟验证倾倒变形破坏的动态变形过程及应力、位移的变化，进而对岩质边坡的倾倒破坏进行稳定性分析，通过实例研究得到如下结论。

1) 陡倾的板状岩体在自重弯矩作用下发生悬臂梁式弯曲，伴随互相错动、拉裂，这种破坏模式在反倾层状岩质边坡发生倾倒破坏时较为常见，在整体或局部倾倒破坏时，边坡将会伴随出现更多的贯通滑面及变形。

2) 通过3DEC内置的fish语言进行编程，实现了岩质边坡曲线开挖的模型建立，较准确地模拟了边坡的实际状况，数值计算可以较好地模拟实际的变形破坏。

3) 利用3DEC较直观地反映了倾倒破坏的变形破坏趋势，在坡脚开挖后开始出现坡体浅表层位移，随着变形发展，坡面第二级拉裂倾倒区域将与后缘沉降区域呈贯通趋势，为进一步的治理方案提供支撑。

4) 在对边坡倾倒破坏进行稳定性判断的基础上，综合分析地质条件和施工条件，采用“以抗滑桩固脚+放缓边坡及加强边坡排水”的综合治理措施，治理效果良好，达到了设计要求。