基于ANASYS某边坡失稳机制数值模拟研究_刘攀.pdf

：基基于于 某某边边坡坡失失稳稳机机制制数数值值模模拟拟研研究究刘攀（徐州市水利建筑设计研究院有限公司，江苏 徐州）摘要随着我国基础设施的不断发展，边坡稳定性问题日益成为危害工程安全的重要因素。针对这一问题，本文以某边坡为例进行研究。在对边坡工程地质条件进行详细调查的基础上，分析其可能的失稳机理，并根据现场岩土体力学参数测试结果，建立二维边坡力学模型，利用 有限元软件对边坡失稳过程进行模拟。研究结果表明：（）该边坡内存在力学强度较低的软弱夹层，是导致边坡失稳的主要原因；（）数值模拟结果表明，该边坡坡顶最大位移值在 之间，坡脚处较稳定，位移值约 之间。研究结果对于该类边坡的稳定性评价及支护设计具有一定的参考意义。关键词边坡失稳；数值模拟；软弱夹层；中图分类号；文献标识码文章编号 （）收稿日期 作者简介刘攀（），男，陕西洋县人，工程师，主要从事水利水电工程及水工结构方面工作。（o o o，o，）：o o o，o o o oo o o o，o o o o o oo oo o o，o ，o o o o ，o o o o ，o o o o o：（）o o，o o；（）o o o o o ，o oo ，o o o o o o：o；o；前言我国西南山区位于第一阶梯和第二阶梯交界处，区内地形高差悬殊，地貌类型复杂多样，山地面积占全部区域面积的 以上，由此产生的地质灾害极其频繁，如崩塌、滑坡、泥石流等 。其中，边坡稳定性问题是铁路、公路等交通基础设施不可避免的问题，每年因为边坡失稳造成的经济损失高达数十亿人民币，严重影响工程建设进度。因此，研究边坡失稳机制对于边坡的合理设计具有重要意义。赵尚毅等采用有限元折减法，对不同工况下的深挖路堑边坡进行有限元数值模拟，结果表明，在路堑边坡开挖过程中，允许边坡开挖后产生一定的变形，释放坡体内部分应力，可以发挥边坡自重的稳定性，有助于减少作用在抗滑桩、锚杆等支护措施上的应力；杨幼清等采用二维有限元分析方法，分析了不同堆载高度下填土场边坡的变形破坏模式，并计算其安全系数，研究表明，该填土场边坡水平和竖直最大允许位移值分别为 和 ；王安礼等采用 的方法对贵州某高速公路岩质边坡失稳机制进行模拟，研究结果表明，坡体内破碎带是导致该岩质边坡失稳的主要原因；车铁成等利用 离散元软件对某桥基边坡稳定性进行分析，研究结果表明，天然状态边坡在只受重力作用下，坡脚处所受剪应力最大，最容易发生失稳；骆文进等基于 数值模拟软件，对某水利工程沿线降雨导致的黄土滑坡进行数值模拟，结果表明，随着降雨入渗深度的增加，边坡塑性区不断从坡面向坡内延伸，最终形成贯通滑动面整体下滑；李波等采用二维有限元模拟方法，对某高速公路边坡稳定性进行分析，研究结果表明，不施加加固措施对该边坡进行开挖，可能导致边坡失稳下滑，并提出了相应的开挖支护措施；关军琪等采用 三维数值模拟软件，对玉门河北侧排渣场边坡稳定性进行研究，结果表明，坡体在自然状态下可以保持稳定，降雨作用会导致坡体内部发生微小变形，但边坡整体安全系数依然大于，并提出了加强关键部位变形监测的预防措施。以上研究均基于理论模拟结果对边坡稳定性进行分析，缺少对工程地质条件的结合，本文以某边坡为例，结合其工程地质条件，分析其失稳机理，研究结果可为工程设计提供参考。年 月第 卷 第 期 地下水o ，o.研究区概况边坡位于江苏省内，根据现场勘察结果，各土层情况分述如下：（）泥质粉砂岩：紫红色 灰白色，岩性以泥质粉砂岩为主，局部夹少量泥岩、砾岩，主要成分为长石、石英及粘土矿物蒙脱石组成。（）强风化泥质粉砂岩：场地大部有分布，呈紫红色，该层层厚为 ，平均厚约 。粉砂质结构，厚层状构造，岩性主要为泥质粉砂岩，局部夹少量泥质粉砂岩，主要矿物成份为石英和长石，少许方解石和粘土矿物。（）中风化泥质粉砂岩：全场地均有分布，本次揭露的厚度为 。呈棕红色、灰白色，粉砂质结构，厚层状构造，岩性主要为泥质粉砂岩，主要矿物成份为石英和长石，少许方解石和粘土矿物。根据现场原位测试成果和室内土工试验成果，经统计分析后，按岩土工程勘察规范（）、岩土工程勘察工作规程（）、建筑地基基础设计规范（）等规范规定，并结合本地区相关经验，综合确定各层岩土相关岩土工程参数，如表 所示。表 基坑土层物理力学参数岩土层及岩性压缩模量 凝聚力 内摩擦角 变形模量 泥质粉砂岩 强风化泥质粉砂岩 中风化泥质粉砂岩 边坡稳定性数值模拟研究该边坡的失稳过程中，坡体表层变形为局部小型滑坡和表面张力裂缝。滑体主要分布在边坡南北两侧，滑动距离较短，一般可达几米至几十米，仅存在第四系堆积层。拉伸裂缝分布在边坡后缘，呈弧形，规模较小，一般数十米，最长，连贯性较差。根据调查资料，第四系沉积层粘土层底部发育一组倾斜蠕动面，连通性较好，延伸 以上，滑动面相对平直光滑。滑动面上 厚的土壤处于饱和状态。蠕变面的发展密度与土层厚度有关。随着变形的发展，它可能穿透，形成统一的滑动面，导致上部土体发生局部坍塌。根据该边坡几何条件和岩土体力学参数，利用 建立数值模拟模型，得到该边坡应力场及位移场如图 和图 所示。图 边坡最大主应力云图由图 可知，该边坡在变形过程中，最大主应力主要分布在坡面位置，主应力值约为 之间，其次在坡体深度约为 范围内，最大主应力值为 范围内，产生这种应力分布的原因是，由于坡体在工程建设过程中，受到外界产生的影响，从而在坡体内部发生应力的重新分布，由于坡面岩土体在重力作用下有向下运动的趋势，因此坡面岩土体中会产生一定的张拉作用，越往坡体内部，会受上覆土体的正应力作用，因此以压应力为主。图 边坡最大位移云图由图 可知，该边坡在变形失稳过程中，最大位移发生在坡顶处，位移值约为 ；位移最小处发生在坡脚，位移值约 之间；斜坡中部位移约为 之间。不同监测点坡面位移如图 所示。图 坡面位移变化曲线由图 可知，个坡面监测点位移变化趋势较为一致，不同监测点位移由大到小为 ，从监测起点开始的 内，边坡位移呈线性增加，位移值达到 左右后，增加速度下降，随后缓慢增加，一直到 后位移增加到，随后趋于稳定，说明此时边坡失稳过程已经结束。从开始监测到失稳结束，坡面最大位移值约 。图 坡顶监测点水平位移由图 可知，坡顶两处监测点均发生了较大程度的位移，最大位移值分别为 ，边坡从开始产生变形到下滑停止，总共用时为 。分析可知，该斜坡失稳首先从坡顶开始，坡顶岩土体在重力作用下向下发生变形，并产生位移，随着应力的重新调整，坡体中部也随之产生位移，并向坡脚延伸，最终发生失稳。结语本文以某边坡为例，通过有限元数值模拟软件 分析其变形失稳机制，主要结论如下：（）数值模拟表明，该边坡首先是从坡顶发生失稳，坡顶（下转第 页）第 卷第 期地下水 年 月图 类围岩隧图 类围岩隧图 断层处隧洞洞断面塑性区洞断面塑性区分布图断面塑性区分布图结语本文通过模拟隧洞开挖过程，对围岩稳定性数值进行分析，结果表明：（）在进行隧洞开挖时，对于隧洞周围的岩体来说，总体均处于相对受压的状态，其大小一般在 之间，对于隧洞的顶部、右侧拱肩、底部交汇处都存在着压应力，其大小为 ；（）经过隧洞开挖工作，隧洞周围的岩体不仅出现了顶拱下沉的现象，还发生了洞内变形、底板回弹，其中隧洞顶拱位移 ，两侧边墙向内产生位移 ，底部回弹 ；经过比较，在类围岩隧洞断面中，发生的位移相比于其他断面较大，尤其在断层 处尤为突出。（）在进行隧洞开挖工作中，会对隧洞周围范围内的岩体结构产生一定的影响，产生了以剪切破坏为主、深度在 以内的塑形区，主要出现在类围岩中；针对在隧洞中出现的断层，越靠近断层区域，塑形区越存在进一步延伸的趋势，其扩大的局部深度达 。建议：（）针对变形较大的二衬混凝土开裂部位，可以采用加长锚索进行加固，提高围岩的整体性与稳定性，减少围岩变形，防止衬砌出现裂缝；（）针对节理密集段，设置适量排水孔，降低外围水压力；（）当拱、墙局部部位出现裂损，如墙壁发生拉裂、压溃、掉块、裂缝等现象，采用局部凿除补强法可对其进行修复处理；当隧洞围岩出现密度在 之间的混凝土裂缝，可选择采用锚固注浆法对裂缝进行填充修补。参考文献江见鲸 钢筋混凝土结构结构非线性有限元分析 陕西：陕西科学技术出版社：胡岩松 模拟隧道施工过程应用 陕西：山西建筑（）：中水顾问集团成都勘测设计研究院 工程岩体试验方法标准（）中国计划出版社：长江科学院 水利水电工程岩石试验规程（）中国水利水电出版社：刘允芳 水压致裂法三维地应力测量 岩石力学与工程学报 （）：长江科学院 工程岩体分级标准（）中国计划出版社：沈明荣，陈建峰 岩体力学 上海：同济大学出版社：o，o o oo o o o o：o o o o ：o o oo o o （）：吴数伟，张建海，张学晶，等 锦屏电站左岸导流洞区部围岩失稳有限元分析 成都 四川水力发电 （）：o，o，o oo o o o：o oo o （）：o，o o oo o o o o （）：，o o oo o o o （）：o，o o o oo o o o o （）：陈永彰 隧洞设计中外水压力取值的探讨 东北水利水电（）：（上接第 页）最大位移值约为 ；坡脚处较稳定，位移值约 之间，说明该边坡属于蠕滑拉裂式破坏模式，而非牵引式失稳模式；（）由主应力数值模拟结果可知，该边坡最大主应力主要分布在坡面位置，主应力值约为 之间，分析结果表明，该边坡失稳是由于坡体内存在软弱夹层，坡体沿着该软弱夹层产生蠕滑，最终发生失稳。（）软弱夹层由于力学强度较低，易诱发边坡失稳，因此，在相关边坡工程勘察过程中，应对坡体内软弱夹层进行详细调查，并重点加固。参考文献杜晓丽，宋宏伟，魏京胜 地震对软弱夹层边坡稳定性影响数值模拟研究 三峡大学学报：自然科学版 （）：韩现民，李占金，甘德清，等 露天转地下矿山边坡稳定性的数值模拟与敏感度分析 金属矿山（）：张永双，王红才 砂黄土高边坡稳定性的数值模拟研究 地质力学学报（）：赵尚毅，郑颖人，唐树名 路堑边坡施工顺序对边坡稳定性影响数值模拟分析 地下空间 （）：杨幼清，胡夏嵩，李希来，等 高寒矿区软弱基底排土场边坡稳定性数值模拟 地质与勘探 （）：王安礼，邬忠虎，娄义黎，等 公路岩质边坡稳定性的数值模拟分析 科学技术与工程 （）：车铁成，龚洪苇，简波，等 基于 的桥基顺层边坡稳定性数值模拟分析 四川建筑 （）：骆文进，郑晓蕾，王丽英 考虑降雨入渗效应的高边坡开挖数值模拟研究 水力发电 （）：李波，曾亮亮，任东伟，等 某路堑高边坡稳定性评价及优化设计 水利与建筑工程学报（）：关军琪，吕义清，赵国贞 玉门河北侧排渣场生态修复及边坡数值模拟分析 矿业研究与开 发 （）：第 卷第 期地下水 年 月