板岩路堑边坡开挖扰动效应分析.pdf

第24卷第1期南华大学学报(自然科学版)Vo.l24No.12010年3月JournalofUniversityofSouthChina(ScienceandTechnology)Mar.2010文章编号:1673-0062(2010)01-0092-06板岩路堑边坡开挖扰动效应分析1232李凯,傅鹤林,郭明香,陈芬(1.广东省公路管理局路桥管理中心,广东广州510008;2.中南大学土木建筑学院,湖南长沙410075;3.湖南省高速公路管理局,湖南长沙410001)摘要:板岩路堑高陡边坡,在开挖施工过程中可能产生的危害性较大.对其不同开挖阶段的扰动效应的分析研究,是一个极有价值的课题,能够为工程的设计、施工提供一定的参考和依据.本文以某高速三合同段的高路堑板岩边坡为依托工程,对天然含水率下的坡体的开挖扰动效应进行极限平衡分析和数值模拟分析.通过研究,揭示了不同工况下边坡的稳定性变化过程,为合理安排开挖工序,选择合理的防护方案,提供了技术参考.关键词:板岩边坡;开挖;扰动效应;稳定性中图分类号:U416.1文献标识码:AAnalysisonExcavationDisturbanceEffectforCuttingSlateSlope1232LIKai,FUHe-lin,GUOMing-xiang,CHENFen(1.HighwayAuthorityofGuandongProvince,Guanzhou,Guandong510008,China;2.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,CentralSouthUniversity,Changsha,Hunan410075,China;3.HighwayAuthorityofHunanProvince,Changsha,Hunan410001,China)Abstract:Thehighandsteepslateslopeisdangerousinthecourseofexcavationandcon-struction.Theanalysisonthedisturbanceeffectcanprovidesomeusefulguidancetoslopedesignandconstruction.Relyingontheprojectofthehighandsteepcuttingslateslopeinthethirdcontractsectionofcertainexpressway,theinfluencesofeveryexcavatingstagewithnaturemoisturecontentarecalculatedbylimitbalancemethodandnumericalsimula-tionmethod.Byanalysis,theslopestabilityofdifferentstagesaredisclosed,whichwillpro-videsomeusefulcluesforarrangingconstructionschedulesandselectingslopeprotectionmethod.Keywords:slateslope;excavation;disturbanceeffec;tstability收稿日期:2009-10-16基金项目:国家自然科学基金资助项目(50878213);交通部重点基金资助项目(2003-318-802-01);湖南省交通厅基金资助项目(200506);衡阳市科技局科研基金资助项目(2008HKJ03)作者简介:李凯(1972-),男,河南商丘人,广东省公路管理局高级工程师,硕士.主要研究方向:岩土及道路工程. 第24卷第1期李凯等:板岩路堑边坡开挖扰动效应分析93下、开挖状态下和支护后的稳定系数.以期对施工1工程概况提供指导.某高速第三合同段位于衡阳市衡东境内,三2基于SLOPE/W的板岩边坡稳定合同段K18+250~450路堑沿中线挖方长度110m,最大切深52.0m(K18+380右侧),路线在山性分析腰上穿行,与等高线大致平行,左侧挖方小,右侧取右边坡中较高陡的断面K18+360为典型切深大,山坡坡度较陡达40~45b,坡上植被不发断面进行稳定性分析计算.考虑到种植土层主要育,山顶上局部见全风化岩石出露,挖方区山坡上分布在边坡表层,厚度较小,且滑动面主要存在于黄海高程112~166m不等.主要土层有:1)种植全风化板岩层中,以及碎石土层薄且力学参数的土:褐色,松散,含植物根,厚度为0~0.50m,主未知性,所以将模型设定为两个岩(土)层(全风要分布于山坡表层;2)板岩:出露地层岩性为元[3-5]化板岩层和强风化板岩层)考虑.古界板溪群板岩,钻探揭露深度范围内为全风化坡体分五台阶开挖,自路肩至坡顶依次为第层,裂隙发育,岩体极破碎,岩芯多呈碎石、碎片一级、第二级、第三级、第四级和第五级.上三级台状,局部呈土状,岩质软,采取率低.阶按照坡比1B1.25放坡,下两级台阶按照1B1的钻探深度范围内揭露岩性为全风化板岩,裂坡比放坡,五级开挖深度为12.4m,四、三、二、一隙发育,岩体极破碎,岩芯呈碎石、碎片状,局部呈级开挖深度为10m.边坡开挖施工,按照从上至土状.板岩产状140bN85b,路线走向约135b,由下的施工顺序逐级开挖.概化地质模型示意图如于边坡岩质本身以全风化板岩为主,泥质含量较图1.高,受雨水浸泡极易软化,同时受边坡开挖扰动的2.1天然状态下计算结果分析影响,某三合同段K18+250~450处板岩路堑边计算天然状态下右边坡中较高陡的断面K18坡出现的主要边坡模式为蠕滑-拉裂,可能破坏+360的稳定系数,计算时全风化板岩物理参数、模式为转动型滑坡或滑塌.力学参数取试验所得数据(取最接近现场测试含本文中采用GEOSLOPE中SLOPE/W程序进水率17%的土体试验数据),强风化板岩参数参[1-2]行极限平衡稳定性分析,在此基础上,采用数考勘查报告数据,取值见表1.值分析计算某高速三标段右边坡体在自然状态表1岩、土物理力学指标设计参数值Table1Valuesofphysicalandmechanicindexes容重粘聚力摩擦角压缩模量弹性模量剪切模量体积模量岩土名称-3泊松比/(kN#m)/kPa/b/MPa/MPa/MPa/MPa全风化板岩17.9243.5824.9413.08697.2137.3981.010.3强风化板岩24902528.62223.987.45169.60.28计算结果得到的最危险滑动面及稳定系数分布见图2.图1典型剖面概化地质模型示意图图2天然状态下边坡的潜在滑动面Fig.1GeologicalmodeloftypicalprofileFig.2Potentialslidingsurfaceofnatureslope 94南华大学学报(自然科学版)2010年3月在不同的计算方法下计算所得到的安全系数见表2.表2不同条分法所得到的安全系数比较Table2Safetyfactorsbydifferentslicemethods计算方法Bishop法Morgenstern-Price法瑞典法Janbu法安全系数1.5531.5511.5181.497从图2和表2可以看出,边坡的潜在滑动面得到的最危险滑动面分布及稳定系数见表3.通过全风化板岩层,没有通过强风化板岩层;在天从表3可以看出,在天然含水率情况下对边然状态下,即含水率为17%情况下,边坡的安全坡进行分级开挖,由于边坡上三个台阶边坡的坡系数为1.5>1.0,所以,天然状态下边坡是稳定率较缓,后两个台阶边坡坡率相对较陡,所以在开的.表2可见,不同极限平衡条分法计算边坡的安挖过程中边坡的稳定系数先增大后减小.同时在全系数结果有一定的区别,一般Janbu法所得到整个开挖过程中边坡是稳定的,最危险滑动面在[6-7]的结果相对于其他计算方法更为保守.全风化板岩层中产生,且全开挖后,没有做任何支2.2开挖状态下计算结果分析护的情况下,边坡的安全系数为1.411,滑动面基计算开挖状态下右边坡中较高陡的断面K18本是通过全风化板岩层,强风化板岩层对边坡稳+360的稳定系数,通过简化Bishop法计算结果定影响较小,边坡处于稳定状态.表3开挖状态下边坡的潜在滑动面及安全系数Table3Potentialslidingsurfaceandsaftyfactorsofslopeunderexcavation开挖步潜在滑动面安全系数第一次开挖1.648第二次开挖1.772第三次开挖1.613第四次开挖1.453第五次开挖1.411 第24卷第1期李凯等:板岩路堑边坡开挖扰动效应分析953基于FLAC3D的板岩边坡稳定性3.2开挖状态下计算结果分析分析采用弹塑性非线性有限元数值分析结果包括以下四部分:位移场、应力场、边坡体的稳定系在计算机分析应用中,如何使计算机模拟实数,最大剪应变云图、速率矢量场和塑性屈服际情况,就需要计算中单元的物理力学性质与实[11]区.限于篇幅,这里仅对不同工况下的滑动面际情况相一致.这样在对全风化板岩边坡进行数计算结果进行对比分析.值模拟的过程中,全风化板岩的本构模型就显得尤为重要.本文选用FLAC3D零模型模拟开挖区域、弹性模型来求解初始应力、选用Mohr-Cou-lomb弹塑性模型来作为全风化板岩的本构模型[8-10]进行数值计算.3.1计算模型与边界条件计算K18+200~K18+900右边坡中最高陡的K18+360~K18+400边坡体在自然、开挖情况下的稳定系数,计算时板岩物理参数、力学参数见表1.边坡四周为法向约束,竖向上部自由,底部为固定约束.图3K18+360~K18+400段边坡体的网格划分示意图边坡体的网格图见图3,模型中共79436节Fig.3GridofK18+360~K18+400slope点,113120个单元.(a)未开挖坡体潜在滑动面图;(b)第一次开挖后坡体潜在滑动面图;(c)第二次开挖后坡体潜在滑动面图;(d)第三次开挖后坡体潜在滑动面图;(e)第四次开挖后坡体潜在滑动面图;(f)第五次开挖后坡体潜在滑动面图图4不同工况下潜在滑动面情况Fig.4Potentialslidingsurfaceunderdifferentconstructioncondition 96南华大学学报(自然科学版)2010年3月表4位移、应力最大值、稳定系数Table4Valuesofdisplacement,maximalstressandstabilitycoefficient开挖步结果最大值未开挖状态第一次第二次第三次第四次第五次坡体水平位移(负向)/mm12.5549.80313.48315.29415.99716.313坡面水平位移(负向)/mm6.06.06.06.05.05.0坡体水平位移(正向)/mm04.1162.6703.0234.7642.577坡面水平位移(正向)/mm04.1162.6703.0234.7642.577坡体竖向位移(负向)/mm28.92428.21429.25930.00130.50730.727坡面竖向位移(负向)/mm25.025.020.020.020.020.0坡体竖向位移(正向)/mm0014.37821.41524.39324.421坡面竖向位移(正向)/mm0014.37821.41524.39324.421总位移/mm29.03228.24529.30830.05930.58830.817-0.412-0.412坡体最大主应力/MPa-0.416-0.411-0.4113-0.412(+0.017)(+0.065)-0.06-0.06坡面最大主应力/MPa-0.06-0.06-0.06-0.06(+0.017)(+0.065)最小主应力/MPa-1.308-1.295-1.297-1.298-1.299-1.299稳定系数1.561.641.701.551.381.37注:表中未开挖状态和开挖后的位移都已除去初始位移级台阶开挖后,坡体出现小范围的拉应力区域.4结论3)潜在滑动面变化过程将分析得到的各种开挖步骤下坡体的位移最从潜在滑动面图可以看出坡体准滑动面的变大值、应力最大值、安全系数进行整理,结合各图化,同时,通过计算所得的坡体稳定系数,可以看进行分析,可以得出以下结论:出边坡在前两台阶开挖后,相对于未开挖状态,坡1)位移变化过程体的稳定性增加;随着第三次、第四次开挖的进在含水率17%(天然状态)下,在开挖的前行,边坡的稳定性减小;当边坡开挖至坡脚时,坡期,坡体水平位移为12.554mm,坡面水平位移体稳定系数基本不变,可见,第五次开挖对整个坡6.0mm.随着开挖的进行,坡体出现向坡内的水体扰动较小.平位移,第二次开挖后,边坡开始出现竖向拱起现象.第一次开挖后,边坡产生的位移较自然状态下参考文献:[1]傅鹤林,彭思甜,韩汝才,等.岩土工程数值分析新方小,因为坡体按1B1.25削坡后坡体较自然状态下法[M].长沙:中南大学出版社,2005:44-50.更为平缓.随着开挖深度的增加,坡面水平最大位[2]TaboadaJ,VaamondeA,SaavedraA,eta.lApplication移仍为6.0mm左右,但范围扩大,出现大范围的ofgeostatisticaltechniquestoexploitationplanningin开挖扰动区.坡体的总位移随着开挖的进行而增slatequarries[J].EngineeringGeology,1997,47(3/4/加,但增长的趋势愈来愈缓,当开挖至二级台阶5):269-277.时,坡体位移趋于稳定,总位移达到30mm左右.[3];zsanA,KarpuzC.Geotechnicalrock-massevaluation在坡面台阶开挖处,边坡出现小范围开挖松动区oftheAnamurdamsite,Turkey[J].EngineeringGeolo-域,但塑性区域未贯穿坡体,未构成破坏.gy,1996,42(1):65-70.2)应力变化过程[4]RisnesR,KorsnesRK,VatneTA.TensionalstrengthofsoftchalksmeasuredindirectandBraziliantests[C]//在人工开挖荷载作用下,岩体内的应力为荷Proc.ISRM9thInternationalCongress.Paris,1999:271载产生的应力与初始地应力之和.在全风化板岩-274.边坡中,由于岩体风化严重,可将其归属为土质边[5]GloverPWJ,GomezJB.Damageofsaturatedrocksun-坡,初始地应力简单考虑为自重产生,随着开挖的dergoingtriaxialdeformationusingcomplexelectrical影响,应力释放,重新调整趋于平衡:随着开挖的conductivitymeasurements:Experimentalresults[J].进行,最大主应力、最小主应力变化较小,在后两Phys.Chem.Earth,1997,22(1/2):57-61. 第24卷第1期李凯等:板岩路堑边坡开挖扰动效应分析97[6]GomezJB,GloverPWJ.Damageofsaturatedrocksun-[9]DelageP,CuiYJ.Schroeder,C.Subsidenceandcapi-ldergoingtriaxialdeformationusingcomplexelectricallaryeffectsinchalks[C]//Eurock96,ISRMInterna-conductivitymeasurements:mechanicalmodeling[J].tionalSymposium,Torino,Italy:1291-1298.Phys.Chem.Earth,1997,22(1/2):63-68.[10]HeggheimT,MadlMV.Achemicalinducedenhanced[7]NewmanGH.Theeffectofwaterchemistryonthelabo-weakeningofchalkbyseawater[J].Journalofpetrole-ratorycompressionandpermeabilitycharacteristicofumscienceandengineering,2004,46(3):171-184.NorthSeaChalks[J].JPT,May,1983,35:976-980.[11]RisnesR,HaghighiH,KorsnesRI,eta.lChalk-fluid[8]HadizadehJ.Water-weakeningofsandstoneandquar-interactionswithglycolandbrines[J].Tectonophysics,tzitedeformedatvariousstressandstrainrates[J].Int.2003,370(1-4):213-226.J.RockMech.Min.Sc,i1991,28(5):431-439.(上接第73页)参考文献:CdSquantumdotsasselectiveionprobes[J].Anal[1]中华人民共和国国家药典委员会.中国药典[M].北Chem,2002,74(19):5132-5138.京:人民卫生出版社,2005:169.[7]KerimM,GattasAsfura,RogerM,eta.lPeptide-coa-[2]沈春鸣.紫外分光光度法测定尼群地平片含量和溶tedCdSquantumdotfortheopticaldetectionofcopper出度[J].海峡药学,2004,16(3):63-65.andsilver[J].Chemcomm,2003,21:2684-2685.[3]刘永明,李桂芝,荆济荣.尼群地平在玻碳电极上的[8]Jin-LongChen,Chang-QingZhu.Functionalizedcad-伏安行为及应用[J].分析化学,2002,30(11):1341miumsulfidequantumdotsasfluorescenceprobeforsi-l-1343.veriondetermination[J].AnalyticaChimicaActa,[4]郑妍鹏,莫金垣,赖蓉.胶束电动毛细管色谱双通2005,546:147-153.道电化学检测尼群地平[J].化学学报,2003,61(1):[9]MingmingLiu,LiXu,WeiqingCheng,eta.lSurface-89-94.modifiedCdSquantumdotsasluminescentprobesfor[5]米振清,刘芹.HPLC法测定尼群地平片的含量sulfadiazinedetermination[J].SpectrochimicaActaPart[J].齐鲁药事,2007,26(2):85-86.A,2008,70:1198-1202.[6]CHENYong-fen,ROSENZWEIGZeev.Luminescent