变质岩边坡开挖松弛区的数值分析

变质岩边坡开挖松弛区的数值分析

孙茉王甲飞

中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司陕西省西安市710065

摘要：边坡开挖是边坡变形破坏的诱发因素之一，边坡开挖后坡体内部应力场和位移场发生调整，形成开挖松弛区。本文以陕西省某山区高速公路变质岩边坡为例，建立数值分析模型，分析了边坡开挖和支护过程中坡体内部应力场、位移场分布并确定边坡开挖松弛区，为边坡支护设计提供理论依据。

关键词：变质岩；公路边坡；开挖松弛区；数值模拟

0引言

山区公路工程地质环境条件复杂且建设过程中常有大量的挖方作业。挖方作业可能造成边坡变形破坏，致使公路交通中断，影响公路正常运营。公路建设过程中，发生因开挖作业导致部分边坡发生失稳破坏现象。

边坡开挖后，岩体向临空面发生卸荷回弹，岩体结构松弛，坡体内部应力发生调整。分析边坡开挖后坡体内部应力场和位移场，确定开挖松弛区，找出潜在滑动面，为边坡支护设计提供理论依据。

1边坡开挖松弛区

边坡开挖松弛区为边坡中不同稳定系数下的潜在最危险滑动面与坡面所包围的坡体[15]。自然斜坡开挖后，坡体内部应力场与位移场进行重新分布，存在因卸荷回弹而引起的开挖影响范围。在开挖影响范围内距离坡体开挖临空面的不同深度处就会出现相应于不同稳定系数的潜在滑面，在这个潜在滑面与开挖临空面之间的部分就可称为相应于该稳定系数的坡体开挖松弛区。边坡在开挖中或施工完成后的失稳破坏均发生在开挖松弛区范围之内。

2边坡开挖松弛区的确定方法

边坡开挖后，坡体内部应力场和位移场进行重新分布。对于工程实际而言，位移场的变化具有更直接的意义。边坡开挖的位移影响区模型（图1）中ECD为原始斜坡坡面线，EACD为开挖后边坡坡面线。边坡开挖后，以AB线作为参考线，边坡的位移量由A向B呈衰减趋势，发生位移的AA″即为边坡开挖的位移影响区。根据坡体位移的大小，又可将位移影响区分为松动区AA1，塑性变形区A1A2和弹性变形区A2A″。松动区和塑性变形区即AA2定义为边坡开挖松弛区。

图16开挖后施加预应力锚索边坡剪应变云图

4结论

本文分析了边坡开挖和支护过程中应力场和位移场的变化、并确定松弛区范围，对边坡开挖和支护提出了建议。

（1）施工开挖是导致边坡发生变形破坏的最重要因素。边坡开挖后，坡体内部形成开挖松弛区，也是边坡的潜在滑动体，运用数值分析方法可得到边坡开挖松弛区范围。

（2）边坡中水平方向位移受开挖作用影响较大。边坡在开挖过程中会形成开挖松弛区，随着开挖施工进行，松弛区范围不断扩展加深，开挖施工进行至最后一级时，边坡中松动区的范围扩展至最大，水平位移量突然增大。

（3）边坡采用锚杆框架支护，当锚杆长度未穿过开挖松弛区时，锚杆框架梁支护对边坡整体稳定性影响不大，仅起到坡面防护的作用。

（4）边坡采用预应力锚索框架支护，当锚索长度穿过开挖松弛区时，可使边坡岩体的水平位移减小，边坡开挖松弛区范围变小，剪切变形的范围变小。因此对边坡施加预应力锚索框架梁支护可显著提高边坡的稳定性。

参考文献:

[1]邹红英，肖明．地下洞室开挖松动圈评估方法研究[J]．岩石力学与工程学报，2010（03）：513-519．

[2]曹兴松，周德培．边坡开挖影响范围和潜在滑面的研究[J]．岩石力学与工程学报，2004（17）：2882-2886．

[3]张季如．边坡开挖的有限元模拟和稳定性评价[J]．岩石力学与工程学报，2002（06）：843-847．

[4]孙书伟，朱本珍，张忠平．顺层高边坡开挖松动区的数值模拟研究[J]．铁道学报，2008（05）：74-79．