公路岩质边坡稳定性的数值模拟分析

王安礼， 邬忠虎， 娄义黎， 曲广琇， 唐摩天， 崔恒涛， 宋怀雷

(1.贵州省质安交通工程监控检测中心有限责任公司， 贵阳 550081； 2.贵州大学土木工程学院， 贵阳 550025； 3.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司， 贵阳 550081)

目前，中国高速公路总里程已突破14万 km，随着高速公路建设的快速推进，贵州省也初步实现了县县通高速的愿景，但贵州省特有的地质条件使得在高速公路建设过程中不可避免地出现了大量的高速公路边坡，因此边坡治理是贵州高速公路建设亟待解决的问题，而且贵州特殊气候条件成为边坡灾害发生的不可控因素，边坡发生失稳滑坡灾害，势必造成严重的经济损失。因此针对贵州特有的地质条件开展岩质边坡稳定性研究是迫切需要的。

目前，关于边坡稳定性分析的方法主要分为三类：定性分析、定量分析和非确定性分析[1-8]。祝玉学[9]利用可靠性分析方法对边坡进行了大量研究，并取得丰硕成果。杨小明等[10]利用软件FLAC3D对不同条件下的膨胀土边坡进行数值模拟，发现裂隙面的存在严重影响了膨胀土边坡的稳定性。曾韬睿等[11]利用FLAC3D模拟了边坡土体的冻融情况，计算出边坡的稳定系数，进行了粉土质边坡冻融稳定性分析，取得了很好的结果。杨中福等[12]利用非连续分析方法(DDA)研究了冻融条件下天山路边边坡的失稳破坏过程，并提出了该条件下的边坡支护方法。徐奴文等[13]利用RFPA-Slope分析了高危岩质边坡的失稳破坏过程，并验证了威震监测在边坡监测中是适用的。王俤剀等[14]采用软件RFPA3D模拟了大岗山水电站高陡边坡失稳破坏，分析了卸荷裂隙密集带对高陡边坡稳定性的影响。陈建宏等[15]分析了边坡稳定性各影响因素的联系，提出了基于主成分分析(PCA)和误差反向传播(BP)神经网络的边坡稳定性分析方法。王小兵等[16]基于神经网络分析方法结合蒙特卡洛方法研究了边坡稳定性，并取得很好的结果。

综上所述，以贵州省境内高速公路BT3标段右侧边坡为研究对象，利用软件RFPA2D-SRM对该岩质边坡进行数值模拟，分析岩质边坡在自重条件下的失稳破坏过程，并就边坡的失稳情况进行边坡的支护设计，旨在研究岩质边坡的失稳破坏过程，并提出该类边坡的支护方法。因此研究结果将为贵州省岩质边坡治理提供重要的理论依据。

1 工程概述

BT3标段右侧边坡是水口至都匀的一处岩质边坡，路线切割一山体，右侧最大挖方高度为41.04 m，上覆土层为含碎石黏土，厚1.0～3.0 m；下伏基岩为中厚层状浅变质板岩，岩层产状：200°∠13°。强风化层厚2.0～3.0 m，节理裂隙发育。岩体破碎，岩石较软，边坡中石-土比约为12∶1；岩层内存在软弱夹层。边坡开挖临空后在连续强降雨冲刷作用下，岩层易沿软弱层面滑动。初始方案：边坡按1∶0.75～1∶1放坡。

2 试验方法

2.1 单轴压缩试验

为了更好地建立数值模型，开展了现场取芯并对边坡岩石进行了力学性能测试。根据文献[17]取边坡开挖后出露的新鲜岩层面上的大块岩体，取样深度约40 m，使用钻心机进行钻心取样。将岩心制成直径D≈45 mm、高H≈100 mm的圆柱体试件，制备3个岩心，岩石平均密度约为2 598 kg/m3，实验样品大小能够兜住大于4.5 cm的碎石。岩样取自同一块岩石，以确保同一组岩样的层理结构相同，然后对切割面进行磨光处理，按《工程岩体试验方法标准》规定，试件两端面的不平整度误差小于0.05 mm，高度直径误差小于0.3 mm，侧面垂直度偏差小于0.25°，如图1所示。

εy和εz分别为环向应变和轴向应变

试验采用电阻应变片测定岩样的应变。在岩样中部粘贴2组型号为BX120-5BA的应变片。a组两个沿竖直方向粘贴，b组4个沿周向粘贴，相互垂直。a片测定轴向应变εz，b片测定环向应变εy，岩样尺寸及应变片粘贴示意如图1所示。试验装置为Instron电液压伺服控制刚性试验机。通过试验控制软件设置试验加载速度为按每秒0.1 MPa的进行加载，直至试样破坏，采样频率为每秒1次。计算机通过数据线与应变片和受力传感器连接来实现实时采样数据的传输，并绘制轴向应力-应变曲线(图2)，试验过程中可从显示屏上观察试样加载破坏的全过程。

σt为轴向应力

2.2 单轴压缩试验结果

根据规范要求，取弹性直线段的应力应变差值计算弹性模量和泊松比，由于在规范中规定的标准试件尺寸为：D=50 mm，H=100 mm，本实验试件非标准试件，需按《水利水电工程岩石试验规程》推荐的单轴抗压强度换算公式进行修正：

(1)

式(1)中：σt为非标准试件的单轴抗压强度。

经过换算公式进行修正的试样的标准强度值如表1所示。

表1 试样的单轴强度试验值[17]

2.3 边坡数值模型

2016年10月该边坡出现多条裂缝变形带，并向坡面延伸，边坡后缘既有裂缝如图3所示。实际工程中，如果能够确定边坡的潜在破坏面形状，对边坡加固设计和后期施工监控工作十分有益，如预应力锚索或锚杆加固边坡设计时，需要确定锚索或锚杆长度，若边坡潜在破坏面形状已知，就可以经济的合理布设。为深入探究边坡失稳破坏过程，利用RFPA2D-SRM对现场岩质边坡进行数值模拟，根据地质背景，模型长91 m，总高51 m(其中边坡高41 m)，模型剖面共划分204×364=74 256个单元，该岩质边坡破面是风化程度较大的破碎带，底层为风化程度较低的基岩(板岩)。模型依据边坡初步治理方案(边坡按1∶0.75～1∶1放坡)建模，具体模型参见图4。通过单轴压缩试验结果对该岩质边坡进行参数赋值，数值计算加载过程采用自重加载，边界条件为x方向左右固定，y方向底部固定。

图3 边坡后缘既有裂缝

图4 数值模型

3 结果与讨论

3.1 边坡失稳破坏过程分析

图5为该岩质边坡失稳破坏过程的剪应力图和声发射图。从图5中剪应力图可以看出，边坡中破碎带对边坡稳定性影响显著，无支护条件下剪应力集中分布在破碎带和基底的接触面。无支护条件下岩质边坡随着自重载荷的加载，当计算至9-11步时边坡出现失稳，沿着接触面出现了微破裂；当计算至9-27步时，微破裂增多并沿着接触面上下延伸，形成明显的宏观裂纹，此时边坡已完全失稳，从而诱发严重的滑坡灾害。通过计算，该岩质边坡在无支护条件下失稳破坏时的安全系数为1.1，表明该边坡在自重情况下是处于较不稳定状态。

红色表示拉伸破坏，黄色表示剪切破坏

通过对该边坡进行数值模拟分析，可以清楚地看见边坡失稳破坏过程，并能够清晰知道边坡失稳破坏的滑移面，因此，本研究根据无支护条件下该岩质边坡的失稳破坏过程设计了边坡支护措施，并建立了预应力锚索支护数值模型。经过数值分析可知，在支护条件下该岩质边坡失稳破坏时的安全系数为1.64，显然预应力锚索支护大大提高了边坡的稳定性。

从图5可以发现，预应力锚索支护改变了边坡中剪应力的分布，并且提高了加固区的剪应力。从图5中声发射图可以看出，在两种条件下边坡失稳破坏过程主要是剪切破坏，并伴随着拉伸破坏。在无支护条件下边坡失稳破坏的滑移面基本上出现在破碎带和基岩的接触面，而当在边坡中加入预应力锚索支护后，边坡失稳破坏时受预应力锚索影响显著，裂纹沿接触面扩展时受预应力锚索影响沿预应力向破碎带中萌生出微裂纹，这从声发射图可以清楚看见。

3.2 边坡失稳破坏过程中的能量分析

在RFPA数值模型中，宏观裂纹是由大量的微破裂积累而成，微破裂的累积过程即为数值模型的损伤过程。在数值模型损伤过程中每一个微破裂单元既是一个声发射事件，单元破裂所释放的能量即为声发射能量，因此数值计算过程中统计出声发射能量和单元破坏数即可分析边坡数值模型在失稳破坏过程中的能量变化和内部结构损伤过程[18-21]。

支护前后边坡失稳破坏过程的声发射变化规律如图6所示。从图6中可以看到，无论是支护前还是支护后，边坡失稳发生滑坡的过程是一个能量积蓄-释放的过程。支护前释放能(AEnergy)和累计声发射计数(acoustic emission，AE)随着计算步数的增加而表现出缓增-激增-平缓的演化规律，当计算步数在9步之前，释放能AEnergy和累计AE均增速缓慢和含量较小，当计算至9步时，边坡内部微裂纹贯通，破坏单元增多，能量急速释放，释放能AEnergy和累计AE激增，9步之后释放能AEnergy和累计AE均趋于平缓；支护后边坡失稳破坏过程中能量的演化规律和支护前大致相同，也表现出缓增-激增-平缓的演化规律，但是较支护前不同的是，支护后边坡安全系数增大，边坡很稳定，计算至39步边坡中微裂纹才贯通，破坏单元增加，AEnergy和累计AE激增。对比支护前和支护后声发射的演化过程，支护前声发射能量演化过程变化较快，这是因为边坡稳定性低于支护后的边坡，自重条件下微破裂出现较早。

图6 支护前后边坡失稳破坏过程的声发射变化图

总体来说，通过统计边坡失稳破坏过程中能量演化规律可知，边坡的失稳破坏过程是一个缓慢的能量变化过程，并伴有明显的能量激增现象，因此，根据边坡失稳过程中的能量演化分析可知，边坡的失稳破坏是可以预警与预报的，可以通过对边坡进行实时能量变化监测，进而实现边坡灾害的预警预报，降低灾害发生时的人员伤亡和经济损失。

3.3 工程实例分析

通过前面的数值试验分析，本文研究基于边坡失稳破坏过程设计了预应力锚索支护，并得到了很好的结果，在现场，依据数值结果对贵州省境内某高速公路BT3标段右侧边坡进行了预应力锚索支护，并进行了锚索索力监测，测点布置如图7所示。

图7 锚索索力测点布置图

经过69 d实时监测，并将监测数据绘制成图8所示，图8为锚索索力随时间的变化图。图8中，3号锚索的初始预应力为234.7 kN，最后稳定在217 kN附近，损失比例约为7%；1号和2号的初始索力分别为121.1 kN和102.3 kN，索力损失比例约为2%和4%。综上分析，锚索索力损失较小，变化较为稳定，边坡是稳定安全的。

图8 测点锚索索力变化图

4 结论

通过单轴试验和RFPA2D-SRM对贵州省境内某高速公路的岩质边坡失稳破坏进行了试验分析，研究了边坡的稳定性和失稳破坏过程中的能量演化规律，得出以下结论。

(1)风化带(破碎带)对边坡影响显著，支护前后边坡失稳破坏的滑移面出现在破碎带和基岩的接触面。

(2)通过数值分析计算支护前边坡的安全系数为1.1，较不稳定。支护后边坡的安全系数达到了1.64，此时边坡较稳定。因此预应力锚索大大提高了边坡的稳定性。对比传统高速路的护坡技术，本方法可以做到通过数值模拟来优化护坡设计方案，节约大量的时间和经济。

(3)支护前后边坡失稳破坏过程中声发射信号表现出缓增-激增-平缓的演化规律。通过统计边坡失稳破坏过程中能量演化规律可知，边坡的失稳破坏过程是一个缓慢的能量变化过程，并伴有明显的能量激增现象，因此，边坡的失稳破坏是可以预警与预报的。在接下来的工作中，将探讨边坡失稳破坏过程中的微震监测，进而实现边坡灾害的预警预报，降低灾害带来的人员伤亡和经济损失。