基于UDEC的边坡开挖稳定性数值模拟分析

潘 勇,韩琳琳,吴龙科

(广西交通设计集团有限公司,广西 南宁 530029)

0 引言

对边坡进行稳定性分析并采取有效的支护设计是公路施工过程中的重中之重[1]。岩石高边坡具有各向异性,且节理裂隙的发育和结构面的胶结程度会影响岩石边坡的稳定性[2]。因此,在计算岩质边坡稳定性时,传统的极限平衡法、有限元法均不允许介质发生较大的位移而具有局限性。离散元法正好打破上述局限,将岩体的各向异性和非连续性考虑在内,允许介质发生较大位移,是分析岩质边坡稳定性的有效方法[3-4]。

UDEC作为离散元分析的代表软件,模拟过程中预估的岩石材料的抗拉强度不会偏高,破坏面的位置可被追踪和获取,因此在岩石力学特性模拟中得到广泛应用[5]。相比较于物理模拟试验,数值模拟因成本低、结果定量化,具有更广泛的用途[6]。本文选用UDEC软件对某高速公路岩质边坡开挖前后状态进行稳定性分析,预测滑动剪出位置,为支护提供理论依据。

1 工程概况

该边坡项目位于桂西北区域,属于构造侵蚀低山地貌,每年5～10月属多雨季节。经过地质勘察,边坡地层主要为粉质黏土、强风化砂岩和中风化砂岩,砂岩内局部夹泥岩。岩性描述为:(1)粉质黏土,硬塑,黄色,土质较均匀,强度及韧性中等,属Ⅲ级硬土;(2)强风化砂岩,褐色,砂质结构,中厚层状构造,岩质较软,岩体破碎,节理裂隙发育,岩芯多呈块状,土石工程分级为Ⅳ级软石;(3)中风化砂岩,灰色,砂质结构,中厚层状构造,岩质硬,夹少量中风化泥岩,局部节理裂隙发育,裂隙面铁锰质侵染,局部裂隙间隙充填方解石,岩体破碎,土石工程分级属Ⅳ级软石-Ⅴ级次坚石。

根据区域地质资料并结合地质调查及钻孔资料,勘察区附近地质构造发育,区域内岩石裂隙很发育,岩体较破碎,小型褶皱发育,岩层产状多变,区域未见滑坡、崩塌等不良地质灾害。在山体内测得岩层产状为45°∠55°,测得两组优势节理分别为J1和J2。J1的产状是175°∠85°,密度为3条/m;J2的产状是255°∠20°,密度是3条/m,属于逆向坡。

边坡原设计方案为:1∶1放坡+格梁锚杆+格梁锚索(第二级边坡)+抗滑桩,边坡加固施工完成后,发现坡体出现不同程度变形。经现场踏勘发现,距边坡后缘开口线约20 cm位置出现一条长约30 m、宽约22～25 cm的裂缝。锚杆格梁出现不同程度裂缝,宽2～3 mm,锚索格梁完整性较好,但边坡中部拱起,与坡面脱空。因此,进行了设计变更,变更后的断面如图1所示。

图1 变更后边坡设计方案示意图

2 计算模型及参数

2.1 计算模型

根据山体地质情况和边坡横断面情况,经过一定简化后建立了如图2所示的边坡UDEC分析模型。模型全长430 m,高132 m,坡体斜面坡长228 m,坡高60 m。模型底部边界固定,即底部水平、垂直位移为零;左右边界水平方向固定,即水平位移为零;顶部地表为自由边界。

图2 边坡几何模型和监测点布置示意图

模型考虑了两组节理,第一组节理是层面,产状为45°∠55°,在剖面中的倾角是-15.2°,在强风化层和中风化层中存在,假设节理间距为6 m且贯穿岩体;另外一组考虑节理产状为255°∠20°,在剖面中的倾角是15.4°,假设在中风化层中和强风化层中的节理间距平均为3 m且贯穿岩体;其余节理为虚拟节理。关于地应力,只考虑重力引起而不考虑构造应力。

2.2 计算参数

岩体采用基于Mohr-Coulomb强度准则的理想弹塑性模型来考虑,物理力学参数如表1所示;节理采用节理面摩尔-库仑滑移模型,参数如表2所示。

表1 计算用的物理力学参数表

表2 节理物理力学参数表

2.3 计算工况

本次边坡模拟分为三个工况:

工况1:未开挖时降雨工况。

工况2:第一次设计方案完成后边坡开挖降雨工况。

工况3:第二次设计方案完成后边坡开挖降雨工况。

3 模拟结果与分析

3.1 应力应变分析

工况1:从模型的应力迹线图中可以看出,最大主应力和最小主应力(见图3)均在坡体底面达到最大值,且都表现为压应力。在降雨状态下,整个坡体处于一种受压状态,坡体内未出现塑性应变区。

(a)最大主应力

工况2:第一次设计,边坡按照1∶1放坡。开挖临空面附近的岩层节理出现受拉破坏或剪切破坏,形成坡面楔形体,同时开挖临空面附近出现坡体块体塑性破坏区域,并发展形成一个贯通的滑动区域,整个贯通区域的坡体容易发生滑塌。从图4可以看出,应力塑性区集中在坡体中部以上,主要是因为开挖卸荷造成坡顶应力集中,形成贯通滑动面,边坡出现局部滑塌。实际施工过程中,边坡后缘出现拉裂隙,裂隙宽度最大达到2.4 m,锚索格梁在2级坡面中部拱起,与坡面脱空,判断坡体从2级坡面中部剪出。

(a)节理塑性滑移区

工况3:第二次设计在第一次设计基础上,继续放缓坡,按照1∶1.25放坡。由边坡塑性区(图5)可以看出,开挖临空面附近的强风化岩层节理出现塑性滑移,附近强风化层和覆盖层岩土体出现坡体块体塑性破坏区域,并发展形成一个贯通的滑动区域,整个贯通区域的坡体容易发生滑塌。边坡坡率放缓后,坡体塑性区范围减小,应力集中现象减弱,但边坡仍处于不稳定状态,需要进行支护处理。因此,第二次设计将格梁锚杆变为格梁锚索,并加大了锚索的锚固长度。按照第二次边坡支护设计后,六级锚索格梁的锚墩出现个别开裂破损,但边坡整体稳定性良好。

(a)节理塑性滑移区

3.2 位移变化

对三种工况下设置的4个监测点进行位移时程监测。由图6可以看出,工况1自然降雨状态下,坡顶点A的位移随时间的增加先增大后趋于稳定,整体位移变化较小,边坡是稳定的。由图7可知,工况2开挖降雨状态下,坡顶A、B两点位移启动较快,0.5 s后两者都迅速滑动,并在3.5 s时趋于稳定。A点位移x方向达到3.62 m、y方向达到2.51 m;B点位移x方向达到3.43 m、y方向达到2.67 m,坡顶位移很大。说明开挖后形成的临空面岩土体失稳破坏发生滑坡,需要进行支护。而图8表明,工况3二次设计开挖降雨状态下,C、D监测点位移随时间增长先稳定后增加,说明刚刚开挖完成后,坡体处于应力释放自我平衡状态,后才出现应力集中现象,在4.6 s坡顶监测点才出现下滑,C点x方向达到1.35 m、y方向位移达到0.99 m。经过二次设计坡率放缓后,坡顶位移有所减少,但坡体仍处于不稳定状态,需进行支护处治。

(a)x方向位移

(a)x方向位移

(a)x方向位移

对边坡整体的位移矢量进行模拟分析,见后页图9。由图9可知:三种工况下,边坡的位移状态是一致的,均为坡顶位移大、坡底位移小。未开挖状态下,边坡的坡顶位移较小,边坡处于稳定状态;第一次设计开挖后,坡顶位移达到6.732 m,位移很大,出现滑塌现象;坡率放缓后,坡顶位移减小至1.763 m,位移虽然减小,但仍需要支护才能达到稳定性要求。

(a)工况1

3.3 稳定性分析

对三种工况下边坡的稳定性进行分析,得到稳定系数如表3所示。由表3可知,未开挖状态,即使在降雨条件下,边坡的稳定性系数可达到1.46,处于稳定状态;而开挖后,边坡稳定性系数均<1.1,说明边坡处于不稳定状态,需要支护。

表3 不同工况下的稳定性系数表

根据应变塑性区和位移矢量图可以推断,第一次开挖后,岩块塑性区和节理塑性滑动区布满已开挖的2级及以上坡面,且从位移判断滑动面从已开挖的2级坡面中部剪出。施工现场发现,坡体后缘开口线出现拉裂隙,2级坡面格梁锚索拱起凸出,坡体变形已从2级边坡中部剪出。计算结果与现场监测结果在滑动面已经贯通、滑动体范围和滑动面从已开挖的2级坡面中部剪出等方面比较一致。二次变更设计后,塑性应变区集中在6级、7级坡体内。经现场调查,6级格梁锚索的锚墩出现个别开裂破损,锚索应力计数值显著增大,边坡局部滑面出现但未贯通。对比数值模拟和现场实际工况,说明采用离散元方法预测岩质边坡的稳定性及滑动轨迹是可行有效的。

4 结语

采用UDEC软件对实际工程中的岩质边坡稳定性进行模拟分析,建立了三种工况下的模型,对比分析了不同工况下坡体的应力、位移变化及稳定性系数,得出以下结论:

(1)未开挖降雨状态下,坡体内应力主要为压应力,未形成塑性区,坡顶监测点位移较小,稳定性系数高于1.2,整体处于稳定状态。

(2)第一次设计开挖后,开挖临空面附近出现了塑性变形区,连接成片贯穿中风化岩层、强风化岩层和粉质黏土层形成滑动面,坡顶测点A、B位移很大,边坡出现滑塌,整体稳定系数仅为0.83。

(3)第二次设计,坡率放缓后,在坡顶形成应力集中区,出现塑性变形并形成小型滑动面,坡顶C、D监测点位移有所减小,但坡体仍处于不稳定状态,需要处治。