论文部分内容阅读
[摘 要]以典型层状岩石路堑边坡设计为例，阐述了在边坡工程动态设计和信息化施工过程中，采用基于FLAC计算平台、节理化弹塑性本构模型和计算边坡稳定系数的强度折减法对边坡进行数值仿真设计的思路和方法。其计算结果可以考查包括主应力特征、最大剪应变、塑性区以及位移场的全面信息，并可以提供较为准确的边坡稳定系数解答。
[关键词]顺层岩石边坡；应力；设计
中图分类号：TU457 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）25-0185-01
1 引言
边坡稳定性研究的目的应服务于工程实践，为边坡的工程治理设计服务。层状岩石边坡的破坏与失稳是岩土工程中地质灾害之一，研究其破坏类型、破坏机制以及其稳定性具有现实意义。根据弹性板的稳定理论，采用能量法对缓倾角顺层岩石边坡的弯曲失稳破坏机制进行研究；利用特殊函数理论进行研究分析，得出层状岩石边坡溃曲曲线的理论公式，对层状岩石边坡溃曲破坏的临界边坡坡长和边坡破坏位置进行了求解；以渝怀铁路进行论证设计，而且根据一般顺层岩石边坡的结构特征，对边坡失稳的临界长度进行了探讨。本论文采用一个工程实例进行层状岩石边坡变形破坏过程的跟踪分析，并提出边坡的支护方式；采用强度折减法计算开挖及加固各阶段边坡稳定状态，并与极限平衡分析法进行对比验证。
2 设计方法
边坡稳定性分析的数值分析有许多种，从大的方面来讲，主要分为把岩石看作连续介质的数值计算方法（如极限平衡法、有限元法、边界元法等）、把岩石看作离散介质的数值分析计算方法（如离散元、非连续变形分析等） 以及综合用于分析连续与非连续介质的数值流形方法。有限元等数值分析法可以模拟在复杂地质条件下的分段开挖过程，其基本原理是通过将开挖面上的应力完全解除，使其成为应力自由面，来模拟复杂岩体对工程开挖卸荷的力学响应过程。
层状岩石边坡数值仿真设计的思路是：在层状岩石边坡工程地质勘察成果的基础上， 可以采用开挖与加固各阶段的数值仿真模拟手段， 进行层状岩石边坡坡形坡率和防护加固工程的预设计；然后，采用贯彻动态设计和信息化施工理念，根据施工开挖时揭示复杂地质条件变化和监控量测反馈结果，可以对预设计文件进行调整优化与数值仿真模拟，直至防护加固工程符合实际要求并能够竣工验收。必要时，尚需进行补强加固设计，以保证层状岩石边坡防护加固工程的可靠与安全。
3 路堑边坡的工程概况
某在建高速铁路DK120+250右边坡为一顺层岩石边坡，主要地层：粉土，褐黄色，稍湿，稍密；砂岩，紫红色、褐红色，砂状结构，层状构造，铁质胶结，局部有夹泥，节理裂隙发育，节理面可见铁质渲染，全风化～弱风化。岩层产状290°∠20°，320°∠38°。右侧岩层倾向线路，走向与线路夹角5°～25°，视倾角20°～35°。该路堑边坡为缓坡刷方，开挖3级。坡体结构简单。
4 数值模拟分析
4.1 参数选取
根据勘察报告提供的各典型岩层的地质编录报告，岩性照片和现场地质调查，采用加拿大rocsciense公司的RocLab程序对强风化砂岩以及弱风化砂岩进行分析，确定强风化砂岩和弱风化砂岩的边坡岩体物理力学参数。
4.2 边坡开挖计算结果分析
顺层边坡逐级开挖时，边坡坡体应力场调整主要体现为坡脚区应力集中和开挖面附近应力释放两方面。容易看出顺层边坡开挖后在开挖坡脚逐步形成应力的集中现象，且随着开挖不断推进，应力集中的量值也越来越大。
经工程开挖后，不仅在坡脚产生应力集中，在坡顶一定范围内出现了较大范围的拉应力区，体现坡顶局部岩体由于开挖卸荷变形而表现为明显的拉张屈服破裂。
计算结果表明，边坡开挖后产生了明显的沿顺倾结构面的滑移变形，在坡体内产生大量的节理面滑移变形，并向上追踪破坏，与粘性土层内局部剪切滑移土体和坡顶后缘的拉张变形土体逐步连成一体，即将形成贯通性滑动破坏面。
5 加固工程对策数值模拟
根据计算结果分析，采用刷方，并采用预应力锚杆框架。右侧边坡刷方第一级的坡率为1：0.75，第二级的坡率为1：1.25，第三级的坡率为1：1.25。第第一级边坡第一排自由段6m，锚固段8m；第二排自由段10m，锚固段8m，第一级锚杆倾角为20°；第二级边坡第一排自由段11m，锚固段8m；第二排自由段13m，锚固段8m。锚固力为500kN，第二级锚杆的倾角为30°。预应力锚杆采用Cable模型模拟，弹性模量为2E8kPa，截面积为500mm2，混凝土框架梁采用梁单元模拟。
经锚杆加固后的边坡应力状态调整，最大剪应变发育特征和塑性区分布状态。经分析认为，采用本文提供的防护加固措施，对顺层岩石边坡防护加固进行数值模拟，得到了较为理想的结果：预应力锚固工程能够有效地调整坡体的应力状态，从而縮小塑性区分布范围，提高边坡的稳定性。加固以后计算出的安全系数为1.28，符合规范要求。
6 边坡稳定性分析的对比研究
为了校验本文提出的层状岩石边坡设计计算方法的可靠性，采用国际通用的边坡极限平衡软件Geoslope进行复核验算，其滑动面位置按照数值模拟计算确定的滑动面进行计算，相关岩土强度参数值采用与FLAC计算模型中的一致结果，以保证计算对比的可靠性。
经采用Geoslope软件推荐的可以考虑力和力矩完全平衡的极限平衡分析计算Morgenstern-Price法计算分析后，可以知加固前边坡安全系数为1.016，与FLAC计算的1.01极为接近，体现了两者计算分析的高度一致性。
加固以后边坡的安全系数为1.245，与FLAC计算的1.28存在一定的差异。分析认为应力应变分析过程中可以较好的考虑预应力锚杆加固对于岩体强度的调节作用，以及逐级开挖逐级支护方案对于控制边坡变形破坏的贡献，同时考虑到两者计算结果相差较小的事实，可以认为本文提出的基于FLAC计算平台，采用节理化弹塑性本构模型和计算边坡稳定系数的强度折减法可以较好的考虑边坡开挖支护过程中岩土与结构的耦合作用机制，其计算结果是客观可靠的，可以作为工程应用的方案。
7 结论
顺层岩石边坡是指边坡坡体内的优势结构面与岩石边坡具有相同的倾向。其主要受自重而引起的顺层滑移力作用，其稳定性主要受岩层的走向、倾角、坡角与结构面倾角组合关系、边坡的结构面的发育程度以及岩石强度所控制。
本论文以典型层状岩石路堑边坡设计为例，阐述了在边坡工程动态设计和信息化施工过程中，采用基于FLAC计算平台、节理化弹塑性本构模型和计算边坡稳定系数的强度折减法对边坡进行数值仿真设计的思路和方法。主要结论如下：
1、基于FLAC软件，采用节理化弹塑性本构模型的边坡开挖数值仿真模拟设计法可以准确的确定层状岩石边坡的破坏位置和滑面形态，提供较为全面的边坡应力应变分析结果。
2、采用强度折减法计算边坡安全系数可以获得满足工程实际需要的边坡稳定系数解答以及相应的计算进度要求，并最终形成一套工程适用的层状岩石边坡设计计算方法。
3、预应力锚固工程的作用机理主要体现为改善边坡应力状态，控制坡体变形和塑性区的发展，对提高边坡短期以及长期稳定性具有重要的作用，其加固工程效果评估应考虑应力应变体的变形特征和岩土与结构的相互作用机理。
参考文献
[1]鲜学福.层状岩体破坏机理[M].重庆：重庆大学出版社。1989.
[2]刘小丽，周德培.用弹性板理论分析顺层岩质边坡的失稳[J].岩土力学，2002，23（2）：162--165.
[关键词]顺层岩石边坡；应力；设计
中图分类号：TU457 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）25-0185-01
1 引言
边坡稳定性研究的目的应服务于工程实践，为边坡的工程治理设计服务。层状岩石边坡的破坏与失稳是岩土工程中地质灾害之一，研究其破坏类型、破坏机制以及其稳定性具有现实意义。根据弹性板的稳定理论，采用能量法对缓倾角顺层岩石边坡的弯曲失稳破坏机制进行研究；利用特殊函数理论进行研究分析，得出层状岩石边坡溃曲曲线的理论公式，对层状岩石边坡溃曲破坏的临界边坡坡长和边坡破坏位置进行了求解；以渝怀铁路进行论证设计，而且根据一般顺层岩石边坡的结构特征，对边坡失稳的临界长度进行了探讨。本论文采用一个工程实例进行层状岩石边坡变形破坏过程的跟踪分析，并提出边坡的支护方式；采用强度折减法计算开挖及加固各阶段边坡稳定状态，并与极限平衡分析法进行对比验证。
2 设计方法
边坡稳定性分析的数值分析有许多种，从大的方面来讲，主要分为把岩石看作连续介质的数值计算方法（如极限平衡法、有限元法、边界元法等）、把岩石看作离散介质的数值分析计算方法（如离散元、非连续变形分析等） 以及综合用于分析连续与非连续介质的数值流形方法。有限元等数值分析法可以模拟在复杂地质条件下的分段开挖过程，其基本原理是通过将开挖面上的应力完全解除，使其成为应力自由面，来模拟复杂岩体对工程开挖卸荷的力学响应过程。
层状岩石边坡数值仿真设计的思路是：在层状岩石边坡工程地质勘察成果的基础上， 可以采用开挖与加固各阶段的数值仿真模拟手段， 进行层状岩石边坡坡形坡率和防护加固工程的预设计；然后，采用贯彻动态设计和信息化施工理念，根据施工开挖时揭示复杂地质条件变化和监控量测反馈结果，可以对预设计文件进行调整优化与数值仿真模拟，直至防护加固工程符合实际要求并能够竣工验收。必要时，尚需进行补强加固设计，以保证层状岩石边坡防护加固工程的可靠与安全。
3 路堑边坡的工程概况
某在建高速铁路DK120+250右边坡为一顺层岩石边坡，主要地层：粉土，褐黄色，稍湿，稍密；砂岩，紫红色、褐红色，砂状结构，层状构造，铁质胶结，局部有夹泥，节理裂隙发育，节理面可见铁质渲染，全风化～弱风化。岩层产状290°∠20°，320°∠38°。右侧岩层倾向线路，走向与线路夹角5°～25°，视倾角20°～35°。该路堑边坡为缓坡刷方，开挖3级。坡体结构简单。
4 数值模拟分析
4.1 参数选取
根据勘察报告提供的各典型岩层的地质编录报告，岩性照片和现场地质调查，采用加拿大rocsciense公司的RocLab程序对强风化砂岩以及弱风化砂岩进行分析，确定强风化砂岩和弱风化砂岩的边坡岩体物理力学参数。
4.2 边坡开挖计算结果分析
顺层边坡逐级开挖时，边坡坡体应力场调整主要体现为坡脚区应力集中和开挖面附近应力释放两方面。容易看出顺层边坡开挖后在开挖坡脚逐步形成应力的集中现象，且随着开挖不断推进，应力集中的量值也越来越大。
经工程开挖后，不仅在坡脚产生应力集中，在坡顶一定范围内出现了较大范围的拉应力区，体现坡顶局部岩体由于开挖卸荷变形而表现为明显的拉张屈服破裂。
计算结果表明，边坡开挖后产生了明显的沿顺倾结构面的滑移变形，在坡体内产生大量的节理面滑移变形，并向上追踪破坏，与粘性土层内局部剪切滑移土体和坡顶后缘的拉张变形土体逐步连成一体，即将形成贯通性滑动破坏面。
5 加固工程对策数值模拟
根据计算结果分析，采用刷方，并采用预应力锚杆框架。右侧边坡刷方第一级的坡率为1：0.75，第二级的坡率为1：1.25，第三级的坡率为1：1.25。第第一级边坡第一排自由段6m，锚固段8m；第二排自由段10m，锚固段8m，第一级锚杆倾角为20°；第二级边坡第一排自由段11m，锚固段8m；第二排自由段13m，锚固段8m。锚固力为500kN，第二级锚杆的倾角为30°。预应力锚杆采用Cable模型模拟，弹性模量为2E8kPa，截面积为500mm2，混凝土框架梁采用梁单元模拟。
经锚杆加固后的边坡应力状态调整，最大剪应变发育特征和塑性区分布状态。经分析认为，采用本文提供的防护加固措施，对顺层岩石边坡防护加固进行数值模拟，得到了较为理想的结果：预应力锚固工程能够有效地调整坡体的应力状态，从而縮小塑性区分布范围，提高边坡的稳定性。加固以后计算出的安全系数为1.28，符合规范要求。
6 边坡稳定性分析的对比研究
为了校验本文提出的层状岩石边坡设计计算方法的可靠性，采用国际通用的边坡极限平衡软件Geoslope进行复核验算，其滑动面位置按照数值模拟计算确定的滑动面进行计算，相关岩土强度参数值采用与FLAC计算模型中的一致结果，以保证计算对比的可靠性。
经采用Geoslope软件推荐的可以考虑力和力矩完全平衡的极限平衡分析计算Morgenstern-Price法计算分析后，可以知加固前边坡安全系数为1.016，与FLAC计算的1.01极为接近，体现了两者计算分析的高度一致性。
加固以后边坡的安全系数为1.245，与FLAC计算的1.28存在一定的差异。分析认为应力应变分析过程中可以较好的考虑预应力锚杆加固对于岩体强度的调节作用，以及逐级开挖逐级支护方案对于控制边坡变形破坏的贡献，同时考虑到两者计算结果相差较小的事实，可以认为本文提出的基于FLAC计算平台，采用节理化弹塑性本构模型和计算边坡稳定系数的强度折减法可以较好的考虑边坡开挖支护过程中岩土与结构的耦合作用机制，其计算结果是客观可靠的，可以作为工程应用的方案。
7 结论
顺层岩石边坡是指边坡坡体内的优势结构面与岩石边坡具有相同的倾向。其主要受自重而引起的顺层滑移力作用，其稳定性主要受岩层的走向、倾角、坡角与结构面倾角组合关系、边坡的结构面的发育程度以及岩石强度所控制。
本论文以典型层状岩石路堑边坡设计为例，阐述了在边坡工程动态设计和信息化施工过程中，采用基于FLAC计算平台、节理化弹塑性本构模型和计算边坡稳定系数的强度折减法对边坡进行数值仿真设计的思路和方法。主要结论如下：
1、基于FLAC软件，采用节理化弹塑性本构模型的边坡开挖数值仿真模拟设计法可以准确的确定层状岩石边坡的破坏位置和滑面形态，提供较为全面的边坡应力应变分析结果。
2、采用强度折减法计算边坡安全系数可以获得满足工程实际需要的边坡稳定系数解答以及相应的计算进度要求，并最终形成一套工程适用的层状岩石边坡设计计算方法。
3、预应力锚固工程的作用机理主要体现为改善边坡应力状态，控制坡体变形和塑性区的发展，对提高边坡短期以及长期稳定性具有重要的作用，其加固工程效果评估应考虑应力应变体的变形特征和岩土与结构的相互作用机理。
参考文献
[1]鲜学福.层状岩体破坏机理[M].重庆：重庆大学出版社。1989.
[2]刘小丽，周德培.用弹性板理论分析顺层岩质边坡的失稳[J].岩土力学，2002，23（2）：162--165.