岩体开挖卸荷后边坡失稳判据研究

第３４卷第２期　２００８年２月　水力发电　文章编号：０５５９—９３４２（２００８）０２—００１３—０４　岩体开挖卸荷后边坡失稳判据研究　黄秋枫．李建林　（三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北宜昌４４３００２）　关键词：开挖卸荷；稳定性分析；强度折减系数：失稳判据；岩质边坡　摘要：岩体开挖是一个不断卸荷、变形损伤、质量劣化的动态力学过程。只有考虑岩体开挖卸荷过程才能较真实　地模拟实际边坡因开挖而达到的位移场和应力场状态。如何根据有限元计算结果来判别边坡稳定性．是边坡稳定　分析的一个关键性问题。强度折减有限元法的失稳判据主要有３种：①以有限元解的收敛性判定失稳状态：②根据　计算域内最大节点位移与折减系数之间关系曲线变化特征判定失稳状态：③通过计算域内塑性区是否贯通判定失　稳状态。结合岩体开挖卸荷后力学参数变化和３种失稳判据综合判定了实际边坡的稳定性，对一般边坡工程有一　定的指导作用　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｓｌｏｐｅ　Ｆａｉｌｕｒｅ　Ｃｒｉｔｅｒｉａ　ｏｆ　Ｒｏｃｋ　Ｍａｓｓ　ａｆｔｅｒ　Ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｕｎｌｏａｄｉｎｇ　Ｈｕａｎｇ　Ｑｉｕｆｅｎｇ，Ｌｉ　Ｊｉａｎｌｉｎ　（Ｃｈｉｎａ　Ｔｈｒｅｅ　Ｇｏｒｇｅｓ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｈａｚａｒｄｓ　ｏｎ　Ｔｈｒｅｅ　Ｇｏｒｇｅｓ　Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ　Ａｒｅａ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｙｉｃｈａｎｇ　Ｈｕｂｅｉ　４４３００２）　Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ：ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｕｎｌｏａｄｉｎｇ；ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ；ｆａｉｌｕｒｅ　ｃｒｉｔｅｒｉａ；ｒｏｃｋ　ｓｌｏｐｅ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｒｏｃｋ　ｍａｓｓ　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　ｉｓ　ａ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｍｅｃｈａｎｉｃ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｗｈｉｃｈ　ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｕｎｌｏａｄｉｎｇ，ｄａｍａｇｅｄ　ｄｅ－　ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｄｅｔｅｒｉｏｒａｔｉｏｎ．Ｏｎｃｅ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｕｎｌｏａｄｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｏｃｋ　ｍａｓｓ，ｗｅ　ｃａｎ　ｓｉｒｍｕｌａｔｅ　ｔｈｅ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｆｉｅｌｄ　ａｎｄ　ｓｔｅｓｒｓ　ｆｉｅｌｄ　ｏｆ　ｒｕｌｅ　ｓｌｏｐｅ　ｒｅｓｕｌｔｅｄ　ｉｎ　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｕｎｌｏａｄｉｎｇ．Ｈｏｗ　ｔｏ　ｊｕｄｇｅ　ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｓｌｏｐｅ　Ｓ　ｓｔａｔｅｓ，ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｒ　ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｉｓ　ａ　ｋｅｙ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｆｏｒ　ｓｈｅａｒ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ．Ｔｈｅｒｅ　ａｒｅ　ｔｈｒｅｅ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｃｒｉｔｅ－　ｒｉａｓ　ｏｆ　ｓｈｅａｒ　ｓｔｅｎｇｒｔｈ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｕｓｉｎｇ　ＦＥＭ．Ｔｈｅ　ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｓｔａｔｅ　ｉｓ　ｊｕｄｇｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ　ｏｆ　ｅｑｕａｔｉｏｎ　Ｓ　ｓｏｌｕ—　ｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｉｒｓｔ　ｃｒｉｔｅｒｉａ．Ｔｈｅ　ｃｕｒｖｅ　ｗｈｉｃｈ　ｅｘｐｒｅｓｓｅｓ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｏｆ　ｎｏｄｅ　ｌａｒｇｅｓｔ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｗｉｔｈ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｃｏｅｆｉｆ－　ｃｉｅｎｔ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｊｕｄｇｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｅｃｏｎｄ　ｃｒｉｔｅｒｉａ．Ｔｈｅ　ｊｕｄｇｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｈｉｒｄ　ｃｒｉｔｅｒｉａ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｖｉｔｙ　ｏｆ　ｐｌａｓｔｉｃ　ｌｆａｇ．Ｔｈｅ　ｐａ－　ｐｅｒ　ｅｘｐｒｅｓｓｅｓ　ｈｏｗ　ｔｏ　ｊｕｄｇｅ　ｔｈｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｏｒｃｋ　ｓｌｏｐｅ　ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｈａｎｇｅｓ　ｏｆ　ｍｅｃｈａｎｉｃ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．ａｆｔｅｒ　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｈｒｅｅ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｃｒｉｔｅｒｉａｓ．Ａｎｄ　ｉｔ　ｈａｓ　ｓｏｍｅ　ｇｕｉｄｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｖａｌｕｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｃｏｍｍｏｎ　ｓｌｏｐｅ．　中图分类号：０３１７　文献标识码：Ａ　准确判定边坡是否稳定．直接影响到实际工程质量的好　坏．进而影响到建筑工程运行的安全和稳定。在边坡工程中，　开挖对岩体的扰动作用使得开挖面附近的岩体应力重新分　也应不断调整【ｌ　边坡岩体中不同区域的卸荷程度不同．ｊ根据　卸荷岩体力学研究结果．不同卸荷条件的岩体应取与之对应　的岩体力学参数。通过下列步骤可以实现这种开挖的近似模　拟：　布．其力学特征表现为大面积的卸荷。卸荷会引起岩体质量　的迅速劣化．因此．在岩体边坡的稳定分析中需考虑卸荷的　（１）将计算区域的岩体视为均质连续体．按常规方法计　算岩体中地应力场．计算开挖边界上的释放荷载。　（２）不改变岩体参数．计算施加释放荷载后边坡岩体的　作用ｌ】ｑ　基于以上两方面的考虑．笔者结合岩体动态开挖卸　荷过程和３种失稳判据．模拟并综合判定边坡开挖卸荷后的　稳定性　１　边坡开挖卸荷理论　１．１　边坡开挖卸荷计算方法　卸荷岩体中．不同区域的岩体卸荷量不同。在开挖过程　中．岩体的卸荷区是不断变化的．因此．卸荷分析的模拟过程　收稿日期：２００７—１ｌ—ｌ２　基金项目：国家自然科学基金项目（５０３７９０２３）；湖北省高等学　校优秀中青年科技团体计划赞助项目（鄂教科［２００４］７号）　作者简介：黄秋枫（１９８３一），女，福建福州人，硕士研究生，研究　方向为岩体开挖卸荷．　Ｗａｔｅｒ　Ｐｏｗｅｒ　Ｖｏ１．３４．Ｎｏ．２嘲　维普资讯 http://www.cqvip.com

ｌ　水力发电　２００８年２月　应力场与位移场．将该应力场与初始应力场组合并比较，对　开挖后的边坡岩体划分为若干不同级别的应力释放区域。　ｆ３）对不同级别的应力释放区域分别按相应的卸荷量级　确定其相应的岩体卸荷力学参数　再将开挖释放荷载反向施　加计算．由此即可得到初步的因开挖卸荷岩体质量劣化后的　边坡岩体的位移场及应力场。　ｆ４）上述计算中岩体的卸荷区域将扩展，可采用相同的　方法重新确定卸荷区域作进一步计算分析，反复迭代，直至　达到要求的精度为止　．　１．２边坡卸荷岩体力学参数　边坡开挖后．初始应力场发生了变化，岩体质量劣化，节　理连通率增加．岩体受到损伤，抗拉强度降低，卸荷岩体力学　参数发生了较大变化　根据卸荷岩体力学原理与方法，边坡　开挖卸荷岩体的变形模量应适当降低，参考文献【４—６】，其降　低百分比见表１　表１　边坡岩体卸荷后变形模量减低百分比　卸荷量百分比／％　变形模量降低百分比／％　＜３０　０　３０～５０　ｌ３　５０～８０　４７　８０～ｌ００　７３　具体计算时．根据开挖前初始应力场与开挖完成后应力　场的计算比较．得到各岩体的卸荷百分比．再根据表ｌ的关　系确定各参数　２边坡强度折减有限元法失稳判据研究　２．＇　强度折减有限元法基本原理及破坏标准　在边坡稳定性分析极限平衡法中．边坡沿着某一滑裂面　滑动的安全系数是这样定义的：将土的抗剪强度参数降低为　Ｃ　／　和ｔａｎ６　／　，其中，　为强度参数的储备，则土体沿　着此滑裂面处达到极限平衡．即将强度参数的储备作为安全　系数的定义　而在强度折减法中．安全系数的定义在本质上　与传统极限平衡法是一致的　即基于强度折减有限元法的边　坡稳定分析的基本原理就是将边坡强度参数粘聚力Ｃ和内　摩擦角西同时除以一个折减系数　，得到一组新的强度参　数值Ｃ　和　，将其作为新的材料参数输入，再进行试算，直　至边坡达到极限平衡状态．发生剪切破坏．同时得到临界滑　动面，此时对应的折减系数　即为最小安全系数　。经过折　减后的剪切强度参数Ｃ　和击　为：　Ｃ　＝Ｃ／　（１）　＝ａｒｃｔａｎ（ｔａｎｃｂ／　）　（２）　２．２破坏标准　采用强度折减有限元法分析边坡稳定性的一个关键问　题就是如何根据有限元计算结果来判别边坡是否处于整体　破坏状态。目前，岩质边坡失稳破坏的判据主要有：　（１）数值收敛判据。根据有限元解的收敛性确定失稳状　态，即在给定的非线性迭代次数及限值条件下．最大位移或　不平衡力的残差值不能满足所要求的收敛条件．则认为边坡　在所给定的强度折减系数下失稳破坏。　（２）位移判据　根据计算域内某一部位的位移与折减系　数之间关系曲线的变化特征确定失稳状态，如当折减系数增　大到某一特定值时．某一部位位移突然迅速增大，则认为边　坡发生失稳　（３）塑性区判据　。通过域内广义剪应变等某些物理量的　变化和分布来判断．如当域内的塑性区ｆ或某一幅值的广义　剪应变）连通时．则判断边坡发生破坏。理论上，边坡的变形　过程总是伴随着一些物理量的出现和发展．如塑性区、塑性　应变、广义剪应变和应力水平等，当这些物理量达到一定的　值时．边坡失稳　３岩质高边坡开挖卸荷后稳定性分析　基于弹塑性有限元方法．以金沙江某双曲拱坝坝肩开挖　工程为例进行高边坡稳定性分析。　３．１　计算参数　开挖后岩体会因开挖而发生扰动．其力学参数也会随之　改变，岩体开挖前后各层力学参数取值见表２　。　表２岩体开挖前后各层力学参数取值　３．２计算模型　计算模型采用二维有限元模型．对右岸坝肩边坡进行分　析计算。右岸坝肩边坡考虑了Ｆ。　断层和Ｃ３、Ｃ　、Ｃ　层间错动　带，边坡采用四结点单元划分，单元数３　７ｌ４个，结点数３　７５９　个．模型共有３８种材料．均为基于摩尔一库仑破坏准则的理　想弹塑性材料　其模型网格划分和材料分区见图１和图２　计算模型尽可能地模拟了计算断面内的地质情况．以期　符合客观实际。模型底部边界条件的设置为竖直约束．竖直　方向施加重力荷载．两侧边界采用水平向约束　主要考虑岩　体一次挖完后的卸荷及破坏情况．开挖后的右岸边坡网格划　分见图３　３．３计算成果及分析　初始折减系数为１．Ｏ时．基本不出现塑性区．故以Ｏ．Ｏ５　维普资讯 http://www.cqvip.com 第３４卷第２期　黄秋枫，等：岩体开挖卸荷后边坡失稳判据研究　誊；　≯　≤　图２开挖前材料分区　图３开挖后网格划分　的增幅逐步增大折减系数．当折减系数增大到１．３５时．塑性　区开始在内部开展．故将折减系数增幅降为Ｏ．Ｏ１。　３．３．１　数值收敛判据　折减系数为１．４３和１．４４时．该边坡最后一级加载迭代计　算过程中迭代收敛曲线走势见图４。折减系数为１．４３时，在最　后一级荷载增量的迭代计算中，仅经过３次迭代即达到位移　收敛标准．收敛曲线呈现陡降趋势。而折减系数为１　４４时的　迭代曲线．在开始几次迭代中也是急剧下降的。但到达某值　后．收敛值开始回升，并围绕某一水平值上下波动，最后逐渐　远离收敛标准　故数值收敛判据得到的安全系数为１．４３。　图４位移迭代收敛曲线走势　３．３．２　位移判据　边坡的折减系数（　）一无量纲位移［　～／Ｏ，ｆ￣）１关系曲线　见图５，其中Ｅ为岩体弹性模量；　为最大水平位移；ｙ为岩　体容重：Ｈ为边坡计算高度。由于右岸材料比左岸多．故弹性　模量相对较高．摩擦角较大．所以位移的增幅比左岸小　折减系　数达到１．４６时．位移增幅有一个较小幅度的增加．但至１．４７　时．增幅有所回跌，从１．４８开始．位移增幅逐渐增大．其增长　趋势也比较明显。因此，认为折减系数达到１．４８时．位移发生　突变，边坡可能失稳。故位移判据得到的安全系数为１．一　０＼　～　晕器＿軎　０　０　０　０　０　０　４６。　嘶　嘶㈣　２Ｏ　１．２５　１．３０　Ｉ．３５　１．４０　１．４５　１　５０　折减系数ｎ　Ｊ　图５　Ｒ　～　一，　￡ｎ关系曲线　３．３．３塑性区贯通判据　折减系数为１．４３和１．４４时塑性区分布见图６　由图６可　知．塑性区的分布明显集中在坡体的表层范围．并向坡顶方　向逐步开展．当折减系数为１．４３时．塑性区并未全部贯通。　折减系数继续增至１．４４．坡面下部向上开展的塑性区最终到　达顶部．形成可能的滑移通道，边坡存在失稳的可能。故塑性　区贯通判据得到的安全系数为１．４３　Ａ　Ｄ　　ｆＮ　Ａ　Ｌ　ａ　Ｒ　＝１。４３　ａ　Ｒ＿＝１　４４　图６不同折减系数塑性区分布　ｆ￣ａｔｅｒＰｏｗｅｒ　。３４．Ｎｏ。２困　维普资讯 http://www.cqvip.com 焉　：劫　ｌ　水力发电　２００８年２月　３．３．４确定可能滑动面　以塑性应变分布云图确定其可能滑动面。折减系数为１．４４　时的塑性应变分布见图７，可以看出存坡面表层形成了滑动　面．与应用Ｓｌｏｐｅ法搜索得到的滑弧形状极为相似（见图８）。　说明这两种判据具有普遍适用性，以塑性区由坡脚至坡顶的　贯通作为边坡稳定性的判别标准的适用范围有限。　ｆ２）实际边坡工程的地质条件及构成材料往往复杂多样，　另外所受的荷载条件也不是单一荷载。而本文分析针对的是　均质或单一受载条件下的边坡，所以，还需要进一步对复杂　荷载条件下的边坡进行分析，更全面的总结３种判据的适用　性［　。　（３）本文考虑开挖卸荷后高边坡力学参数的变化，较为　真实地模拟了边坡实际开挖过程，其计算结果可信。但根据　岩体开挖卸荷理论逐步确定岩体开挖后力学参数，过程比较　烦琐．］二作量大．如何快速且较为准确地确定岩体由于开挖　扰动后的力学参数值得我们进一步研究。　参考文献：　…　李建林，王乐华，刘杰，等．岩石边坡工程【Ｍ］．北京：中国水利水　电出版社．２００６．　图７折减系数　＝１．４４塑性应变分布　ｆ２］　哈秋黔．岩体工程与岩体力学仿真分析【Ｊ】．岩土工程学报，　２００１，２３（６）：６６４—６６８　ｆ３］　沈军辉，王兰生，王青海，等．卸荷岩体的变形破裂特征ｆＪ］．岩　石力学与工程学报，２００３，２２（１２）：２　０２８—２　０３１．　［４］　李建林著．卸荷岩体力学理论与应用［Ｍ］．北京：中国建筑工业　出版社．１９９９．　ｆ５］　哈秋黔，李建林，张永兴，等著．节理岩体卸荷非线性岩体力学　ｆＭ］．北京：中国建筑工业出版社，１９９８．　［６］　李建林著．卸荷岩体力学［Ｍ】．北京：中国水利水电出版社，　２００３．　ｆ７］　赵尚毅，郑颖人，张玉芬．极限分析有限元法讲座一ＩＩ有限元强　度折减法中边坡失稳的判据讨论【Ｊ】．岩土力学，２００５，２６（２）：　３３２—３３６．　图８　Ｓｌｏｐｅ法搜索的滑动面（Ｅ－－１．４３）　［８］　栾茂田，武亚军，年廷凯．强度折减有限元法中边坡失稳的塑　性区判据及其应用『Ｊ＿．防灾减灾工程学报，２００３，２３（３）：１－８．　ｆ９］　王瑞红，李建林，刘杰，黄秋枫．考虑岩体开挖卸荷动态变化水　电站坝肩高边坡三维稳定性分析『Ｊ＿．岩石力学与工程学报，　２００７（Ｓ１），２６（８）：３５１５—３５２１．　４结论　（１）对于均质边坡。泊松比较大的条件下，３种判据存在　一致性．且与极限平衡法得出的数据吻合较好。对于非均质　边坡．数值收敛判据和位移判据作为边坡稳定性的判别标准　是可行的．且分析结果与极限半衡法的分析结果较为一致．　—『１Ｏ］　黄秋枫．胡海浪．基于强度折减有限元法的边坡失稳判据研　究『Ｊ＿．灾害与防治工程，２００７（２）：ｌ１—１５．　址．址．址　—址　桥巩水电站１号贯流式机组导水机构成功吊装　由中国水利水电第七．＿ｒ程局机电安装分局承建的广西桥巩水电站１号机组导水机构成功吊装。桥巩水电站安装８台单机　容量为５７　ＭＷ的灯泡贯流式机组，总装机容量为４５６　ＭＷ　由于贯流式机组设备结构尺寸较大、重量较重，绝大多数设备都需　要翻身吊装．单件起吊质量超过１Ｏ０　ｔ的设备有４８件．因此大件吊装也是本工程的重点和难点之一　桥巩水电站１号机组导水机构（东电厂）由内、外配水环、活动导叶（１６个）、导叶轴承、导叶操作环、重锤、连杆拐臂及保护、　限位装置、止漏装置、机械液压锁定装置等组成，总体组装完成后直径有１ｏ．３　ｉｎ，起吊总量达到１６７　ｔ。１号机导水机构从２００７　年１２月１２日开始法兰面清扫到２００８年１月３１　１３整体组装至整体检查工作全部完成，严格按照项目部总体计划要求和工作　布署．在设备制造厂技术人员、监理、业主的指导下，克服各种困难和问题，组装方法、程序和质量符合制造厂提供的技术文件　规定　２００８年２月４日，导水机构、厂房桥机和起重吊装工具经技术、起重、安全、质检等人员仔细认真检查后，导水机构吊装的　各项准备工作就绪．通过现场业主、监理、厂家的一致同意，吊装就位工作正式开始，导水机构在空中翻转９０。后缓缓吊入１号　机坑与管型座法兰面对接顺利就位。１号机组导水机构吊装成功．为首台机组２００８年投产发电奠定的基础。　（赵辉）