基于3DEC对岩质高边坡的稳定性分析

基于3DEC对岩质高边坡的稳定性分析

倪 勇1，王述红2

【摘 要】 结合辽宁省境内建兴高速公路某高边坡的施工过程，利用现代非接触测量技术采集岩质边坡结构面信息，采用赤平投影技术对边坡结构面进行分组，从而判断出坡面与节理结构面的空间关系，识别出施工过程中可能出现岩块滑落的区域。然后，在此基础上采用大型三维离散元软件3DEC模拟边坡采用不同的台阶数进行开挖，通过监测边坡岩体位移的变化，找出该岩质边坡不稳定块体存在的位置，并得出采用5级台阶开挖时，边坡岩体的位移量最小，边坡的稳定性更好，从而指导该边坡工程在开挖过程中的安全施工，以及为边坡的后期支护提供理论依据和参考。

【期刊名称】水利与建筑工程学报

【年(卷),期】2017(015)006

【总页数】5

【关键词】 岩质边坡；结构面分组；赤平投影；3DEC；稳定性分析

岩质边坡的失稳破坏往往伴随着复杂的地质变化过程，然而坡体内部结构复杂和构成坡体的岩土体物质多样，致使边坡在发生破坏时具有不同的损伤模型[1-3]。边坡在不同的破坏模式下，其结构面形式和形成条件存在较大差异，所以针对不同的边坡破坏形式应选择相应的计算分析方法来确定其稳定性。目前，边坡稳定性分析方法分为定性分析法和定量分析法。近年来，计算机科学的发展以及非线性力学、非确定性数学、遗传算法、系

统科学、进化计算等新兴学科的兴起，将全新的思考方式注入到边坡的稳定性分析中，从而产生了新的分析方法，为研究边坡工程及类似工程提供了有力的理论依据[4-8]。

定性分析方法[9-10]可以充分整合影响边坡稳定性的各种因素，从而较快地对边坡的稳定性及其发展趋势进行评估。主要方法有：工程地质分析、图形法(极射赤平投影法)、分析数据库和专家系统法等。

定量分析方法[11-12]是考虑结构面的受力特性，利用力学原理来评判边坡的稳定性，严格意义说，该方法对边坡的稳定性还达不到百分之百的定量分析，仅仅可以视为半定量分析。边坡稳定性定量分析法有三种：模糊综合评判法[13]、极限平衡法[14]和数值法[15](非连续变形分析、边界单元法、离散有限单元法、数值流形方法等)。

文章以辽宁省建兴高速公路第七合同段的岩质高边坡为研究对象，该处高边坡达40余米，地表浮土较浅，因此可不考虑地表应力对边坡结构稳定性的影响，边坡的稳定性由岩体节理结构面决定。

1 工程概况

建兴高速公路第七合同段位于建昌县的东北方向40 km处，处于阴山纬向构造体系中，地质构造十分复杂，按构造体系可分为东西向构造、南北向构造。受构造影响，区内断裂较为发育，以东西向和南北向断裂为主。该处高边坡纵向长度100余米，边坡高度有40 m，台阶法进行放坡开挖，分为五级台阶，每一级台阶开挖深度8 m，每级台阶底部设置平台，宽度2 m，第一级台阶的坡度系数为1.4，其余台阶的坡度系数为0.25。地层主要由中密砂土、第三纪砂岩、中风化页岩、强风化花岗岩组成，如图1钻孔地层图所示。

本文的思路是对边坡进行现场结构面产状信息的采集，利用极射赤平投影法定性地判断边坡是否能形成不稳定块体，同时采用3DEC软件建立边坡的离散元模型及模拟开挖，在模型中设置观测点，观察挖掘过程中边坡岩体位置和位移的变化情况，找出力和位移值较大的部位，进而判定出边坡不稳定部位，从而提出岩体需重点监测和加固位置，指导边坡工程的安全开挖。

2 现场结构面信息采集

本文所采用的数据采集方法为现代非接触数字测量，该方法具有精度高、信息面广优势，并可将岩体结构面进行分组[16]。本文采集了该工程项目建昌段57 km处的现场高边坡图，如图2所示。

提取节理信息：岩体节理结构面的信息在JMX中提取和分析，小盘岭边坡的结构面信息处理结果如图3所示，主要有3组：结构面J1，14组；结构面J2，18组；结构面J3，10组。岩体的结构面信息通过ShapeMetriX3D软件提取，主要参数有：结构表面的倾向、倾角、迹线长度以及三维坐标，其中控制着岩体结构面分布规律为倾向和倾角，倾向和倾角对岩质边坡的稳定性起着至关重要的作用[17]。

结构面整理信息见表1。

3 极射赤平投影进行稳定性分析

岩质高边坡在施工过程中的稳定性除了受施工扰动不可避免的影响，节理结构面分布和发育程度以及它们之间的空间组合关系主要控制着边坡的安全。根据极射赤平投影法分析边坡稳定性的方式，该段边坡结构面的赤平投影图如图4所示。

图中节理结构面的圆弧顶点分别为M1、M2、M3，节理结构面J1与节理结构面J2的组合线N12，节理结构面J1与节理结构面J3的组合线N13，节理结构面J2与节理结构面J3的组合线N23，它们的产状信息见表2。然后对这些结构面及其组合线关系作出赤平投影稳定性分析。

分析结果：M1、M3位于III区，则节理面J1、J3的倾向与边坡的倾向相同，其倾角小于边坡的倾角，大于内摩擦角，属于危险节理面；M2位于I区，M1、M3位于III区，则节理面J2的倾向与边坡的倾向相反，其倾角小于边坡的倾角，属于稳定节理面。组合线N12、N23都位于I区，则其倾向与边坡倾向相反，且倾角小于边坡倾角，不会使边坡产生不稳定块体；组合线N13位于III区，其倾向与边坡倾向相同，其倾角大于内摩擦角，并且小于边坡倾角，符合边坡的破坏损伤条件，即这两组结构面切割边坡岩体时生成了可能沿组合线N13方向滑移或冒落的楔形块体，使边坡处于不稳定状态。因此需要通过数值分析再次确定不稳定块体的位置，从而提出支护措施以提高边坡的稳定性，保证施工过程的安全。

4 3DEC软件数值模拟

20世纪70年代，由Cundall等人提出组合体的概念，即岩体是由软弱结构面分割后的块体组成的结合体，此时岩体的强度由软弱面控制。15年之后Cundall团队开发出了三维离散元软件3DEC，并运用于岩体稳定性分析中。

离散元的物理方程：F′=K′×U′；运动方程：a=F合/m；其中F′为块体之间力的法向分力，K′为法向刚度系数，U′为相对位移量，a为加速度，F合为岩体所受合力，m为岩块的质量。

边坡计算模型的边界范围取值：X方向为200 m(满足边坡高度的5倍)，Y方向为80 m(满足边坡高度的2倍)，Z方向为50 m(根据现场情况取值)。

计算边界条件设置：在XOZ平面内，限制模型下边界的位移；在YOZ平面内，限制左右边界X方向的位移；在XOY平面内，限制前后两侧边界Z方向的位移；模型的上部为开挖面，即为自由边界，允许岩体表面及结构单元体产生较大的位移和变形；施加的荷载选择自然重力应力场。本文中暂不考虑地表水、承压水和自然灾害等对边坡稳定性的影响。

(1) 参数选取。根据小盘岭边坡的地勘报告和水文条件及室内外岩体工程试验及相关标准规范，边坡岩体的力学参数在小盘岭边坡模型中按表3、表4取值。

(2) 稳定性判别。节理结构的岩质边坡稳定性可根据模拟开挖过程中每级台阶上的监测点位移变化情况来判别。根据工程试验，当监测到边坡岩体的位移等于或大于开挖深度的1‰时，即本文模拟的高边坡开挖深度达50 m，当监测的位移值达到5 cm时，可认为该监测点所处位置的边坡岩体发生了破坏，甚至出现块体滑落。故通过监测开挖每一级台阶平台上监测点竖向位移的变化情况，当某个位置点的竖向位移达到5 cm时，即可判定该处边坡岩体不稳定，局部块体甚至发生了脱落，相反的情况，该处边坡处于相对稳定的状态。

(3) 数值模拟分析。由于该段边坡第1级台阶为砂土层，因而不考虑其节理裂隙的影响。因此对边坡的第2～5步开挖进行分析，从第2级台阶开始每级台阶布设5个监测点，每开挖一级台阶监测一次，模型建立及测点布置见图5，设计开挖计算步数3 000步，模型的初始平衡位移为2.4 cm。

图6为左测监测点位移曲线变化趋势，左侧边坡测点1、2在2～5步开挖过程中位移变化逐渐增大，而其他监测点位移量变化较小，且都小于(5.0+2.4)cm，得出在测点1、2附近出现了不稳定块体，且块体的位移量远大于(5.0+2.4)cm，则边坡在坐标位置(19，24，5)5.0 m范围内的块体将会出现滑落或者冒落，故在进行边坡开挖时应在该处进行加固支护。

图7显示了右侧边坡各监测点的位移量，变化较小且都小于(5.0+2.4)cm，所以可认为右侧边坡处于稳定状态。可见，3DEC数值模拟的结果是与赤平投影分析的结论是相吻合的。

图8显示了边坡岩体的位移矢量，左侧边坡不稳定块体出现区域的位移矢量是随着边坡开挖深度的增加而逐渐增大的，符合位移量变化的结果，进而说明了该高边坡是不稳定的，在施工过程中极易出现块体滑落或冒落的现象，因此在监测点1、2的5.0 m范围应采取锚杆加固，且锚杆长度不应小于10 m。

(4) 锚杆加固。根据前面模拟的结果，在位移量超过7.4 cm的监测点位置进行锚杆加固。在进行添加锚杆支护后，左侧边坡监测点1、2的位移量明显减少，各监测点的位移量都小于7.4 cm，说明经过锚杆支护后，边坡处于稳定状态。

5 结 论

本文在总结了边坡稳定性分析已有方法的基础上，将极射赤平投影分析法与适用于节理化岩体的离散元软件3DEC相结合，对建兴高速公路第七合同段的高边坡进行了结构面特性调查和稳定性分析，得到如下结论：

(1) 根据结构面信息调查的结果，对边坡初步进行赤平投影法分析，得出结构面J1和J2交线的倾向与左侧边坡相同，且倾角小于边坡坡角，为危险节理面，将产生不稳定块体，影响边坡的整体稳定性。而在右侧边坡，交线的倾向与边坡的倾向相反，倾角小于坡角，右侧边坡处于稳定状态。

(2) 根据监测点的位移变化图和位移矢量图，得出由于节理结构面切割形成的不稳定块体，随着边坡的开挖，临空面的增加，不稳定块体将出现冒落、掉落现象。因此，在边坡的开挖过程中，不能采用开挖完成后一次支护，而应该采取一边开挖一边支护，从而保证工程开挖的安全。

(3) 合理地选择3DEC软件对该边坡进行数值模拟，较准确地确定了该段边坡不稳定块体形成的所在位置以及影响范围，并进行锚杆加固，得到了较好的效果，为该边破实际施工的安全提供理论指导，为边坡的后期支护方案提供参考依据。

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DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2017.06.041