施工时序对边坡稳定性影响的离心模型试验及数值分析

第25卷第5期岩石力学与工程学报Vol.25No.52006年5月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringMay，2006收稿日期：2004–12–09；修回日期：2005–03–10基金项目：国家自然科学基金西部重点项目(90202007)；《西攀高速公路地质灾害研究与对策》科研项目作者简介：姚裕春(1974–)，男，博士，1999年毕业于西安科技大学能源学院采矿工程专业，主要从事道路防灾减灾方面的设计和研究工作。E-mail：[e-mail]施工时序对边坡稳定性影响的离心模型试验及数值分析姚裕春1，2，姚令侃1，袁碧玉3，苏凤环1，周志林1(1.西南交通大学土木工程学院，四川成都610031；2.铁道第二勘察设计院，四川成都610031；3.成都信息工程学院电子商务系，四川成都610103)摘要：不同施工时序对边坡稳定性有较大影响，应用离心模型试验和数值计算研究和分析不同施工时序对边坡变形破坏和应力场的影响。结果表明，开挖后及时支护程度越高，不但能减少边坡变形量，而且有利于边坡的稳定(试验中两级边坡开挖，及时支护比开挖完成后进行一次支护的最后破坏加速度提高14.15%；上级开挖后进行及时支护，而下级开挖后未进行及时支护，其最后破坏加速度比一次性支护提高8.49%)。及时支护程度越高，越有利于边坡稳定的作用机制，也可有效改善边坡坡面剪应力集中程度和最大剪应力的连通情况，并限制应力松弛程度；边坡土体的应力路径(应力历史)更加有利于边坡的稳定。另外，对于特别高大的边坡多级开挖，建议对上级开挖边坡进行临时支护，在开挖完成后再进行永久支护，这样既能发挥边坡的“新奥法”原理，又能避免因下级开挖应力调整而导致上级支护结构受力过大而失稳的影响，且支护成本可降低，该结论对于工程实践有一定的指导意义。关键词：数值分析；施工时序；离心模型试验；多级开挖中图分类号：O241文献标识码：A文章编号：1000–6915(2006)05–1075–06CENTRIFUGEMODELTESTANDNUMERICALANALYSISOFEFFECTSOFEXCAVATIONANDSUPPORTSEQUENCEONSLOPESTABILITYYAOYuchun1，2，YAOLingkan1，YUANBiyu3，SUFenghuan1，ZHOUZhilin1(1.SchoolofCivilEngineering，SouthwestJiaotongUniversity，Chengdu，Sichuan610031，China；2.TheSecondRailwaySurveyandDesignInstitute，Chengdu，Sichuan610031，China；3.DepartmentofElectronicCommerce，ChengduUniversityofInformationTechnology，Chengdu，Sichuan610103，China)Abstract：Differentexcavationsandsupportsequenceshaveagreateffectonthestabilityofslope.Basedoncentrifugemodeltestsandnumericalcalculation，thedeformationfailureandstressfieldduetodifferentexcavationandsupportsequences，areanalyzed.Theresultsshowthatthepromptsupportafterbeingcutcanreducethedeformationmagnitudeofslopeandcanimprovethestabilityofslope(thecentrifugemodeltestsofsoilslopewithtwocutstagesshowthatpromptsupportafterbeingcut，thefailureaccelerationis14.15%higherthanoncesupportafterthewholebeingcut；theupstagewithpromptsupport，butdownpartwithoutpromptsupportis8.49%higherthanthatofoncesupportafterthewholebeingcut).Themechanismofpromptsupportwithhighstabilityisthattheconcentrationdegreeandconnectionofthemaximumshearstressareweak，butthestressloosedegreesarelow.Atlast，thoseveryhighslopescutwithmultilevelstagesshouldbesupportedtemporarilytoupholdstagesfirst，andthentoholdpermanentsupportafterthewholeslopebeingcut.Thus，itmeetssufficientlythe“NewAustrian”principleandsatisfytherequirementsofslopestabilitywithalowercost.Theresultshavepracticalsignificanceforengineeringpractice.Keywords：numericalanalysis；excavationandsupportsequence；centrifugemodeltest；multilevelcutting·1076·岩石力学与工程学报2006年1引言目前，高边坡开挖工程不断涌现，工程中采用分级开挖施工方法，由于工程施工是一个时空不断变化的过程，不同开挖、支护时序对边坡变形及稳定性有很大的影响[1～3]，甚至不恰当的施工时序造成边坡在施工过程的失稳，针对西昌—攀枝花(西攀)高速公路33个开挖边坡工点进行现场调查发现，失稳边坡就有6处，其主要原因都是由于分步开挖未及时支护造成的，表1给出了边坡地质及破坏情况。本文应用离心模型试验分析了施工时序对边坡稳定性的影响，并结合数值计算分析了不同施工时序的作用机制。另外，针对特别高大的边坡分级开挖，根据数值计算结果给出了支护建议。表1边坡地质及破坏情况Table1Slopegeologicalconditionsandfailuretypesofthreeslopes边坡编号地质情况开挖情况破坏情况及原因分析K76+800～K76+913全风化、强风化花岗岩，地下水不发育，坡高24m两级开挖，上级坡率1∶0.75，下级坡率1∶0.75滞后支护2个月，发生下级坡体中间宽14m坍塌。由于开挖后上级才进行了部分锚杆框架支护，下级挡土墙也还未全部完成LK117+885～LK118+010全风化、强风化石英闪长岩，无地下水，坡高40.6m三级开挖，上级坡率1∶1，二级坡率1∶0.75，下级坡率1∶0.5滞后支护1个月，只经历了1次小雨，在进行上级支护完成1/3时，坡体下级发生33m宽的破坏，导致整个边坡重新设计K138+100～K138+200昔格达地层，冰渍土，节理裂隙发育，坡高30m两级开挖，上级坡率1∶2，下级坡率1∶1滞后支护2个月，上级大范围滑塌，下级局部滑塌。主要是开挖后没有及时支护，昔格达地层遇水(降雨)后产生坍塌，破坏宽度达50m2边坡不同施工时序离心模型试验2.1离心模型试验设计高边坡开挖、支护时序方法有：分级开挖，开挖一级支护一级；分级开挖，开挖完成后一次性支护；上级开挖，下级先预加固再开挖。在离心模型试验中模拟了前两种方案，支护采用加锚杆的措施(用细长金属钉简化模拟)。由于西攀高速公路受地质构造影响，边坡结构十分破碎，多数开挖边坡性质与土边坡接近，离心试验以黏土为材料概化地研究施工时序对边坡稳定性的相对影响及程度。进行了3组对比试验，模型尺寸均为坡高为15cm，坡宽为40cm，坡长为13cm，上级开挖坡率为1∶0.75，下级坡率为1∶0.5。其中，试验1为开挖后及时支护；试验2为上级开挖及时支护，下级开挖后不及时支护；试验3为开挖完成后一次性支护。试验操作方法：试验1为先固结模拟→停机进行上级开挖→模拟运行10d→停机进行上级支护→模拟运行1个月→停机进行下级开挖→运行10d→下级支护→运行至破坏；试验2与试验1不同之处在于下级开挖后，先模拟运行40d→下级支护→运行至破坏；试验3为上级开挖→运行40d→下级开挖→运行40d→停机进行上下级支护→运行至破坏。这样就模拟了不同及时支护程度对开挖边坡稳定性的影响，试验参数及方案见表2。表2中采用的是同一种土，由于制模使强度参数存在微小误差，但对试验结果影响很小，试验具有对比性。表2试验参数及方案Table2Propertiesofsoilandtestschemes试验方案编号c/kPaϕ/(°)w/%ρ/(g·cm－3)最后破坏加速度/g12361.1260.6060.7214.9114.7714.8117.1017.2117.201.911.881.881211151062.2离心模型试验结果2.2.1变形破坏结果及分析离心模型试验结果表明，边坡开挖后及时支护不但能减小边坡特别是边坡下部的变形量，而且能提高边坡的稳定性，边坡变形破坏结果如图1所示。及时支护程度越高，越有利于边坡稳定(由表2可知，试验1比试验3最后破坏加速度提高了14.15%，试验2比试验3最后破坏加速度提高了8.49%；数值计算结果表明，强度参数微小差别对安全系数影响小于1%)，因为及时支护程度越高，边坡变形就越早受到限制，边坡支护结构受力逐渐增大，就能较早发挥支护效果，这样边坡受开挖应力松弛影响产生的变形就越小，并且应力松弛程度较轻，开挖边坡结构损伤也相对减小，即强度参数较高，从而提高了边坡稳定性。上级及时支护，上级边坡整体性好、变形小，下级开挖后受上级摩擦、黏结约束作用相对较大(上级松弛区范围由于及时支护明显减小)，从而有利于减小下级坡体的变形量，减轻应力松弛程度。第25卷第5期姚裕春等.施工时序对边坡稳定性影响的离心模型试验及数值分析•1077•(a)试验1(b)试验2(c)试验3图1边坡变形破坏结果Fig.1Failureresultsofmodeltestsforslopedeformation2.2.2应力测试结果进行了一组应力测试对比试验，主要是比较上级支护对下级变形(应力松弛)的相对影响，应变计贴在小长钢片上，并布置在下级边坡对应位置。为了提高试验精度，采用在模型箱中一次成模，根据需要修制成2个模型，进行对比试验，测试试验模型如图2所示，采用的是中航电测仪器股份有限公司的BE120–02AA(23)应变计，应力测试结果如图3所示。图2测试试验模型Fig.2Testmodel图3应力测试结果Fig.3Stressresultsofmodeltest测试结果表明，及时支护测试应力相对较小，说明其下部变形小(变形越大，应变计测试值越大)，应力松驰程度轻，从而有利于边坡稳定，即上级坡体开挖后及时支护能有效减小下级坡体开挖后的变形量和减轻下级坡体应力松弛程度，从而有利于开挖边坡的稳定。3不同施工时序数值模拟分析应用FLAC3D软件对西攀高速公路K76+800～K76+913边坡进行了计算。根据边坡地质情况可知，边坡变形破坏受开挖面附近剪应力集中影响较大。对于同一岩土体，由于损伤历史与应力路径不同，使之达到破坏的应力状态不处于同一损伤面上，岩土体的损伤破坏是与其损伤历史及其应力路径密切相关的[4]，为此，将不同施工时序对剪应力场、应力路径(应力历史)的影响进行了比较，从而分析了其作用机制。模拟了3种方案：上级及时支护、下级预加固再开挖、及时支