侯俊偉，施毅，唐秋元，吳曙光

（1中煤科工集團重慶設(shè)計研究院，重慶400016；2重慶大學土木工程學院，重慶400045）

0 引言

在實際工程建設(shè)中，經(jīng)常會遇到具有外傾節(jié)理的巖質(zhì)邊坡開挖問題。本文利用雙彈簧錨桿單元，通過FLAC3D建立數(shù)值模型，結(jié)合強度折減法分析具有一組外傾平行節(jié)理面的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性以及開挖支護過程中的力學響應，提出了較合理的處理方案，為該類型巖石邊坡設(shè)計施工提供參考。

1 工程概況

某小學教學樓擬建于重慶市渝中區(qū)解放碑附近，按照原設(shè)計方案開挖擬建3層地下室，形成坡高10.8m，傾角為90°的巖石基坑邊坡。據(jù)地質(zhì)資料，原始地形屬淺丘斜坡地貌，邊坡巖層為侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組泥巖。巖層產(chǎn)狀平緩，巖層傾角3°。邊坡主要發(fā)育有兩組裂隙，其中一組為邊坡外傾結(jié)構(gòu)面，傾角60°，裂面平直，結(jié)合程度差，線裂隙率1條/3～4m，邊坡穩(wěn)定性主要由該組結(jié)構(gòu)面控制。邊坡采用逆施工法施工，分4次開挖完成10.8m高巖質(zhì)邊坡，邊坡采用錨桿擋墻支護，如圖1示。肋柱采用300×300mm，基礎(chǔ)埋深0.50m，錨桿為225，錨孔孔徑為110mm。結(jié)構(gòu)面1為原設(shè)計錨桿自由段與錨固段分界面，錨固長度為5.0m。

按照原設(shè)計方案對10.8m高邊坡開挖支護完成后，后期由于建筑設(shè)計方案變更，擬建地下室由3層改為4層，地下室標高由原來的231.70m變?yōu)?28.10m，高程下降3.60m。進行第5次開挖至-4F設(shè)計標高位置后，巖石邊坡高度變?yōu)?4.4m。由于第5次開挖后，未及時對邊坡進行支護，造成原有擋墻肋柱基礎(chǔ)梁外露，坡頂局部地段產(chǎn)生拉裂縫，裂縫寬度3～8mm。考慮到原有錨桿擋墻可能不足以對現(xiàn)有14.4m高巖質(zhì)邊坡進行有效支護，需要對該邊坡穩(wěn)定性進行核算并進行排危加固處理。

圖1 計算剖面示意圖

2 FLAC3D數(shù)值模型

2.1 建立計算模型和邊界條件

模型共劃分2169個單元，3112個節(jié)點。兩側(cè)約束水平位移為零，下側(cè)約束豎向位移為零。巖土體采用同時考慮拉伸和剪切破壞的Mohr-Coulomb準則，初始應力場按自重應力場考慮，錨桿用cable單元來模擬，肋柱用beam單元模擬。建立的FLAC3D網(wǎng)格模型見圖2。

圖2 FLAC3D數(shù)值計算模型

2.2 參數(shù)取值

邊坡物理力學參數(shù)取值見表1。錨桿參數(shù)：彈性模量200GPa，泊松比0.25，截面積982mm2，周長345mm，水泥漿剛度2.0×107N/m2，水泥漿粘結(jié)力1.0MN，錨桿傾角15°，具體布置如圖2示。

表1 邊坡物理力學參數(shù)

3 計算分析

3.1 無支護時計算結(jié)果分析

若不對邊坡進行支護處理一次性完成4次開挖，考慮坡頂荷載30kPa，邊坡的位移云圖如圖3。第4次開挖完成后邊坡巖體沿外傾結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生明顯的滑移變形。坡頂臨空面處位移最大，為6.43mm。通過有限元強度折減計算，當有限元計算不收斂時，程序自動找出了滑動面，如圖4。邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.22，最大位移為10.7mm。在一組平行的結(jié)構(gòu)面中，只有靠近開挖坡腳的最下面一條滑動面（結(jié)構(gòu)面1）產(chǎn)生貫通的塑性區(qū)，其余結(jié)構(gòu)面未出現(xiàn)貫通的塑性區(qū)。[1]

圖3 第4次開挖后位移圖（無支護）

圖4 坡體達到極限狀態(tài)時剪應變增量圖（無支護）

3.2 錨桿擋墻支護后計算結(jié)果分析[4]

3.2.1 位移分析

若對邊坡進行逆作法施工，完成4次開挖后產(chǎn)生的位移云圖如圖5示（考慮坡頂荷載）。錨桿擋墻支護對邊坡的變形有明顯的抑制作用，指向臨空面方向的最大水平位移為1.68 mm，較之前未支護時的6.43mm有了很大的改善。強度折減法計算此時邊坡的安全系數(shù)為2.17，滿足設(shè)計要求。

圖5 第4次開挖后位移圖（錨桿擋墻支護）

3.2.2 錨桿軸力分析

原設(shè)計錨桿錨固長度為5.0m，錨固段與自由段以結(jié)構(gòu)面1為分界處。結(jié)構(gòu)面1以外為錨桿自由段，用FLAC3D模擬計算完成第4次開挖后錨桿錨固段軸力分布如圖6示。下部錨桿軸力較上部大，這是因為隨著開挖進程，平行的各條外傾結(jié)構(gòu)面依次臨空，邊坡變形加大，且底部剪應力集中，變形大于上部，從而引起下部錨桿軸力增大。[2]

圖6 第4次開挖后錨桿錨固段軸力圖（未加載)

3.2.3 肋柱彎矩分析

第4次開挖面以上肋柱長度10.80m，基礎(chǔ)埋深0.50m，肋柱總高為11.30m。完成第4次開挖后肋柱彎矩分布如圖7示。其中肋柱臨空側(cè)受拉為正，受壓為負。從彎矩分布圖可以看出，肋柱內(nèi)力分布規(guī)律同按支承于剛性錨桿上的連續(xù)梁計算內(nèi)力結(jié)果基本一致。在坡腳位置應力集中所以肋柱在開挖面位置承受較大正彎矩。肋柱基礎(chǔ)埋置深度較淺，可視為鉸支端，故計算彎矩接近0。

3.3 第5次開挖后計算結(jié)果分析

圖7 第4次開挖后肋柱彎矩圖（未加載）

在第5次開挖之前，10.80m巖質(zhì)邊坡已按照原設(shè)計支護方案施工完成，錨桿錨固長度為5.0m，錨固段與自由段以結(jié)構(gòu)面1作為分界處。

3.3.1 位移分析

圖8 為考慮坡頂30kPa荷載，第5次開挖后邊坡位移圖，坡腳的開挖對邊坡的位移影響明顯，最大值為24.6mm。邊坡沿靠近坡腳的外傾結(jié)構(gòu)面2產(chǎn)生明顯滑移。這是由于坡腳開挖后外傾結(jié)構(gòu)面2臨空，潛在滑移面由結(jié)構(gòu)面1變化為結(jié)構(gòu)面2。通過有限元強度折減計算，此時邊坡的安全系數(shù)為1.25，只有一條滑動面（結(jié)構(gòu)面2）產(chǎn)生貫通的塑性區(qū)，其余結(jié)構(gòu)面未出現(xiàn)貫通的塑性區(qū)。

圖8 第5次開挖后位移圖(30 kPa)

3.3.2 錨桿軸力分析

表2 為第4、5次開挖后加載（30kPa）與不加載錨桿軸力計算結(jié)果，從表中可以看出：各工況第4排時錨桿軸力最大；在第5次開挖完成后若考慮坡頂荷載（30kPa）錨桿軸力變化明顯，第4排錨桿軸力增大121.30kN。

表2 第4、5次開挖后錨桿軸力

圖9 第5次開挖后錨固段軸力圖（未加載）

圖10 第5次開挖后錨固段軸力圖(30kPa)

圖9 為第5次開挖后未加載時錨桿錨固段軸力圖，圖10為第5次開挖后考慮坡頂30kPa荷載時錨桿錨固段軸力圖。從圖中可知，錨固段軸力從錨固起始點（結(jié)構(gòu)面1位置）處逐漸增大，到錨固長度2.0m（結(jié)構(gòu)面2位置）處達最大值，錨固長度大于2.0m后軸力逐漸減小。[3]分析原因，是由于隨著潛在滑動面由結(jié)構(gòu)面1變化為結(jié)構(gòu)面2，兩結(jié)構(gòu)面之間巖體向臨空面產(chǎn)生一定的位移，兩滑裂面之間巖體剪切滑移引起錨桿軸力增大。各排錨桿軸力最大值位于潛在滑裂面即結(jié)構(gòu)面2位置。

3.3.3 肋柱彎矩分析

完成第5次開挖后肋柱彎矩分布如圖11示。肋柱底端未出現(xiàn)正彎矩，是由于第5次開挖后未進行加固處理導致肋柱基礎(chǔ)梁外露，肋柱底端相當于自由端。

圖11 第5次開挖后肋柱彎矩（未加載）

3.4 加固設(shè)計計算

根據(jù)計算結(jié)果若考慮后期坡頂荷載影響，邊坡最大位移為24.6mm，最大位移發(fā)生在坡頂臨空面位置，位移較大將影響使用安全。按照強度折減法計算穩(wěn)定系數(shù)為1.25，小于安全系數(shù)1.30要求，需要對該擋墻進行排危加固處理。

排危加固處理方案為在坡腳緊貼巖質(zhì)邊坡澆筑一高3.6m，寬3.0m的混凝土擋墻，再用錨桿將混凝土擋墻與邊坡巖體連接。計算時將原邊坡位移清零（未考慮坡頂荷載），坡腳排危加固后考慮坡頂荷載影響后邊坡位移云圖如圖12示。從圖中可知：對坡腳進行加固后，在坡頂荷載作用下邊坡位移明顯減小，最大僅為0.96mm。經(jīng)強度折減法計算，得排危加固后邊坡穩(wěn)定系數(shù)為2.16，坡腳的加固有效控制了邊坡巖體沿結(jié)構(gòu)面2的滑移，提高了邊坡的穩(wěn)定性。

圖12 坡腳加固后位移圖

4 結(jié)論

（1）具有一組平行的外傾結(jié)構(gòu)面巖質(zhì)邊坡每次開挖后，靠近坡腳的最下面一條滑動面將產(chǎn)生貫通的塑性區(qū)，其余結(jié)構(gòu)面未出現(xiàn)貫通的塑性區(qū)。

（2）錨桿擋墻對邊坡支護效果明顯，下部錨桿軸力值最大，必要時應適當加強底層錨桿。錨桿擋墻肋柱彎矩分布規(guī)律同支承于剛性錨桿上的連續(xù)梁計算內(nèi)力規(guī)律基本一致。肋柱基礎(chǔ)埋深較淺時，肋柱底端可以按鉸支端考慮。

（3）開挖已用錨桿擋墻支護的有外傾節(jié)理面的巖質(zhì)邊坡坡腳時，將使邊坡潛在滑裂面下移，使邊坡位移增大，錨桿軸力增加，穩(wěn)定性降低。各層錨桿錨固段軸力沿長度的分布不均勻，兩滑裂面之間巖體剪切滑移將引起錨固段軸力增大，在新滑裂面位置錨桿軸力達最大后逐漸減小。

（4）通過在坡腳設(shè)置混凝土擋墻對邊坡進行加固后，有效地控制了邊坡的水平位移，邊坡整體穩(wěn)定性得到明顯提高。

[1]趙尚毅，鄭穎人，鄧衛(wèi)東.用有限元強度折減法進行節(jié)理巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析[J].巖石力學與工程學報，2003，22(2)：254-260.

[2]唐秋元，趙尚毅，鄭穎人，等.巖質(zhì)邊坡錨桿設(shè)計計算方法比較分析[J].地下空間與工程學報，2011，6(4)：600-605.

[3]林杭，曹平.錨桿長度對邊坡穩(wěn)定性影響的數(shù)值分析[J].巖土工程學報，2009，31(3)：470-474.

[4]劉文平，趙燕明，鄭穎人.巖質(zhì)邊坡開挖應力與變形的有限元模擬[J]，后勤工程學院學報，2004(2).