青岛崂山路拓宽工程边坡加固稳定性研究_魏启炳.pdf

第 45 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 45 No.2 2017 年 4 月 COAL GEOLOGY 2. Qingdao Municipal Engineering Design 3. College of Aerospace Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China Abstract In order to deal with the reinforcement effect of high and steep slope of Laoshan road of Qingdao, the typical slope zone C was selected for numerical analysis based on strength reduction . The three dimensional fast Lagrangian analysis FLAC3D was used to analyze the slope stability before and after reinforcement. After the comparison of three types of instability judgment criteria during slope stability calculation, the sudden displacement change of characteristic position was finally chosen as the instability judgment criterion in this research due to its practicability. Then the safety factor of the slope before and after reinforcement was determined, which confirmed the design scheme of the reinforcement. Finally, the stability state of the studied slope and corresponding reinforcement effect were verified by long term field monitoring data. The result showed that the slope is in a stable state and slope reinforcement had obvious effect. Keywords rock slope; strength reduction ; FLAC3D; stability uation; slope reinforcement 目前对于边坡稳定性的研究方法主要有极限平 衡法、极限分析法和数值分析法等[1]。极限平衡法 理论简单、便于实现[2]，但忽视边坡岩土体自身变 形，难以确定边坡的滑动面。极限分析法难以分析 复杂的层状、非均质岩土材料及复杂工况[3]。相较 而言，数值分析法无需事先假定滑移面的形状和位 置，能够反映岩土材料应力、变形等信息，具有很 广的适用性和很好的实用性[3]，已经逐渐受到人们 的重视。1975 年，O C Zienkiewicz 等[4]提出了有限 元强度折减法， 到 20 世纪末这一数值分析方法逐渐 得到学术界认可[5]。1999 年，E M Dawson 等[6]将强 度折减法引入 FLAC 中对堤坝边坡稳定性进行分 析，取得了良好的效果。 高陡边坡的稳定性是制约工程建设可行性和运 行安全的重要因素，青岛崂山路作为崂山景区最主 要的旅游主干道，其拓宽工程对于崂山区经济建设 和旅游业发展具有重要的意义。笔者依据青岛崂山 路 C 区边坡的勘察资料，采用 FLAC3D有限差分软 ChaoXing 102 煤田地质与勘探 第 45 卷 件建立特征断面的模型。通过强度折减法分析边坡 在锚杆加固前后的稳定性，探讨边坡失稳判据，确 定边坡安全系数。最后，根据现场边坡加固后的实 际监测数据，对该边坡的稳定性与加固效果做出综 合评价。 1 工程概况 青岛市崂山路边坡起点位于青岛市香港东路与 滨海大道交汇处，终点位于崂山区沙子口街道沙子 口桥东桥头处，全长约 8.01 km，道路宽 2040 m。 崂山路沿线南面临海，北侧靠山，地理位置较特殊， 需进行大量的路基边坡防护处理。崂山路 C 区边坡 原始山体坡度为 25左右，拓宽工程开挖形成高陡 岩质边坡，长度 178 m，坡底标高约 31.5 m，坡高 716 m，坡度 6070。勘察资料显示，C 区边坡在 勘察深度范围内地层结构较简单，根据地层岩性、 成因时代及工程特性的不同， 自上而下可分为 3 层 杂填土层、强风化安山岩层和中风化安山岩层。C 区边坡地质剖面图如图 1 所示。 图 1 崂山路 C 区边坡地质剖面图 Fig.1 Geological section of the slope in zone C 初步设计阶段， 依据 建筑边坡工程技术规范 ， 采用平面滑动法对边坡临空面进行稳定性验算，边 坡工程安全等级为二级。经计算现状边坡处于临界 稳定状态，在一定外力作用下可能发生平面滑动， 需采取必要的加固措施。C 区边坡加固拟采用锚杆 支护方式，锚杆材料为 25 号 HRB335 级钢筋，全长 注浆锚固，长度根据实际情况为 47 m，锚杆间距 控制在 1.5 m 左右。 2 边坡稳定性数值分析 2.1 计算模型 采用 FLAC3D有限差分软件按照崂山路 C 区 边坡特征截面建立 11 的计算模型。如图 2， 坡脚 到左侧边界距离为 10 m，坡脚到右侧边界距离为 40 m。 坡面分为两级边坡， 其中第一级坡度 10.6， 高 9.95 m，第二级坡度 10.85，高 9.42 m。坡顶 以很小角度向右延伸到 40 m，坡脚向下边界延伸 10 m。考虑模型计算简便，坡顶薄层杂填土忽略 不计，以强风化岩层计算。此外，忽略边坡分层 的不均匀性，统一以变坡点水平延伸为边坡模型 强风化层和中风化层的分界线。根据崂山路工程 勘察资料，岩土体参数取值如表 1 所示。 图 2 崂山路边坡锚杆加固后的几何模型 Fig.2 Geometric model of the reinforced slope 表 1 崂山路边坡岩土体计算参数 Table 1 Calculation parameters of rock and earth slope of Laoshan road 岩土体 重度/ kNm-3 黏聚力/ kPa 内摩擦 角/ 弹性模 量/MPa 泊松 比 强风化 安山岩 22 12 30 600 0.40 中风化 安山岩 25 30 40 1 500 0.35 边坡模型网格采用brick模块， 共划分为2 920 个单元和 4 635 个节点。边坡岩土体采用 Mohr- Coulomb 本构模型，模型边界不考虑水平构造应 力作用，只考虑自重应力。几何模型以坡脚为原 点，向上为 Z 方向，向右为 X 方向建立空间直角 坐标系。边坡按平面应变问题考虑，左右边界做 X 方向约束，底部做 Z 方向约束，模型上部边界 为自由边界，不做位移约束。边坡采用锚杆加固 方式，其布设情况如图 2 所示，锚固参数如表 2 所示。 表 2 崂山路边坡锚杆加固计算参数 Table 2 Calculation parameters of anchor-reinforced slope of Laoshan road 横截面 积/m2 弹性模 量/GPa 水泥浆 周长/m 水泥浆 刚度/MPa 水泥浆黏结力/ kNm–1 0.000 490 9 200 0.282 6 20 100 2.2 边坡失稳判据分析 在给定边界和初始应力条件下，边坡处于自然 平衡状态。按照强度折减法，将坡体的原始黏聚力 C 和内摩擦角 φ 同时除以折减系数 K，然后进行分 ChaoXing 第 2 期 魏启炳等 青岛崂山路拓宽工程边坡加固稳定性研究 103 析。如此，不断调整折减系数直至边坡达到临界破 坏状态，此时对应的折减系数 K 即为边坡的安全系 数。目前，关于边坡失稳的判据主要包括计算不收 敛、塑性区贯通以及特征点位移突变 3 种。栾茂田 等[7]、 郑宏等[8]根据塑性区的范围及其连通状态确定 潜在滑动面和相应的安全系数。D V Griffiths 等[9]、 E M Dawson 等[6]采用解的不收敛作为破坏准则。M T Manzari 等[10]、宋二祥[11]通过边坡内某一点位移 与折减系数的关系曲线来确定安全系数。选取不同 的失稳判据可能得到不同的安全系数，为了使崂山 路 C 区边坡数值分析的结果更加可靠，下面分析边 坡加固前不同失稳判据下的安全系数。 计算不收敛是指通过强度折减后边坡最大不平 衡力和位移不能维持原平衡状态。本文模型计算的 收敛准则为最大不平衡力比率为 10-5，计算的时步 上限为 10 000 步。通过自编强度折减命令流，求得 安全系数 Ks1.152。塑性区贯通是指随着折减系数 增加边坡塑性区从无到有不断发展直至完全贯通， 此时判断边坡失稳。本文模型中，随着折减系数 K 的增加，剪切塑性区从坡脚向坡体上缘延伸，塑性 区面积逐渐增大，上层坡体首先发生塑性区贯通， 得出安全系数 Ks1.115。特征点位移突变是指随着 折减系数的增加，边坡某些点的位移突然增大且无 限发展，此时判断边坡失稳。本文选择坡脚，变坡 点，坡顶为 3 个基准点，水平向右每隔 10 m 设置 3 个辅助监测点，共设置 9 个监测点图 2。当折减系 数从 1.115 到 1.145，P1 点位移缓慢增加，当折减系 数大于 1.145 后，P1 点位移突然增大，据此边坡的 安全系数 Ks1.145。 从上述边坡失稳破坏 3 种判据分别得到 3 个安 全系数，依次为 1.152、1.115 和 1.145，其中塑性区 贯通得到的安全系数最小。 根据赵尚毅等[12]的研究， 塑性区贯通是边坡失稳的必要非充分条件，此法得 到的安全系数偏保守。计算不收敛判据和位移突变 判据总的看来相差并不大，位移突变判据得到的边 坡安全系数略小。考虑到位移突变判据具有实际的 意义，能够直观反映边坡失稳过程，对于现场监测 点的布设有一定的指导意义，因此本文以特征点位 移突变作为计算边坡安全系数的依据。 2.3 计算结果及分析 经计算崂山路边坡的安全系数为 1.145， 此时塑 性区分布如图 3 所示。从图中可以看出边坡的上部 产生张拉破坏，深度为 2 m 左右，局部达到 5 m。 边坡的下部发生剪切破坏，与张拉破坏区相连形成 贯通的破坏面。由于边坡包括两层岩土体，明显可 见上下两层变形特性的差异。边坡剪应变云图如 图 4 所示，剪应变较大区域就是边坡潜在滑动面。 对于崂山路边坡，可以看出边坡上层岩土体首先达 到失稳状态，并且滑体的出口在边坡变坡点处。 图 3 边坡塑性区分布图 Fig.3 Plastic zone of the slope 图 4 边坡剪应变云图 Fig.4 Shear strain of the slope 3 加固效果评价 通过数值模拟对锚杆加固后的边坡进行分析。 锚杆加固以后监测点在 X 方向位移与折减系数的关 系曲线如图 5 所示，在折减系数为 1.69 时边坡几个 监测点开始出现较大的位移且不断发展，得到边坡 的安全系数为 1.69。 与加固之前边坡安全系数 1.145 相比，其安全系数增加了约 48。边坡塑性区分布 图 5 监测点水平位移与折减系数的关系 Fig.5 Relation between horizontal displacement of the monitored point and reduction factor ChaoXing 104 煤田地质与勘探 第 45 卷 如图 6 所示，当折减系数为 1.69 时，尽管塑性区已 经出现了大面积贯通，但是边坡监测点才开始发生 位移，边坡仍旧保持稳定。这也从一方面验证了前 面讨论的塑性区贯通是边坡失稳的必要非充分条 件。在经过加固处理后，锚杆将岩土体联系在一起， 形成共同工作的复合体，使得边坡更加稳定。 图 6 Ks1.69 时边坡塑形区分布 Fig.6 Plastic zone of the slope when Ks1.69 为验证前述锚杆加固方案的效果，在工程现场 C 区多个断面布设了锚杆应力计和多点位移计进行 长期监测。图 7 是 C 区某一断面锚杆应力和监测点 位移变化曲线，锚杆应力计 C1、C2、C3 以及多点 位移计 D1、D2 布设位置如图 2 所示，其中 D1-10 表示多点位移计 D1 在 10 m 深度处的监测数据。分 析监测结果可知，C1、C2 点锚杆应力在近 400 d 中 略有增加，然后在小范围内波动，C3 点虽然锚杆应 力较 C1、C2 高，随时间有增加的趋势，但 400 d 以后增速放缓并逐渐趋于稳定。锚杆应力计 D1 在 10 m、 5 m 和 1 m 深度监测点的位移在 150 d 内有所 增加，然后在五百多天的监测时间内一直保持稳定 的状态。锚杆应力计 D2 各个监测点的位移一直处 于稳定状态。边坡在前期变形完成以后逐渐趋于稳 定并一直保持下去，锚杆应力在允许范围内波动逐 渐趋于稳定，说明崂山路边坡经锚杆加固以后效果 良好。 图 7 监测点位移和锚杆应力变化曲线 Fig.7 Variation of monitored point displacement and internal force of anchors 4 结 论 a. 分析了不同失稳判据下崂山路边坡的安 全系数，结合崂山路边坡工程实践，选择以特征 点位移突变作为崂山路边坡稳定性计算时的失稳 判据。各监测点的位移在折减系数变化时各不相 同，通过数值分析可以对监测点布设方案提出优 化建议。 b. 通过分析边坡模型塑性区分布规律发现， 边坡破坏时，坡体上部出现条状张拉破坏区，下 部出现大范围剪切破坏区。 c. 使用锚杆加固后边坡的安全系数增加约 48，证明其具有显著的加固效果。锚固作用使 得锚杆与岩体形成共同作用的复合体，改变了仅 有岩体单独受力时的状态。 d. 从现场长期监测数据看，崂山路边坡初期 变形完成以后，坡体基本达到稳定状态。锚杆应 力在允许范围内波动并有进入稳定状态的趋势， 监测点位移不再发生变化并达到稳定值，证明边 坡加固效果良好。 参考文献 [1] 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