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在边坡开挖的工程中,关键问题之一就是如何评价和保证山体及邻近基础建设的稳定性。本文以山西某边坡开挖对既有隧道稳定性研究的工程实例为依托,为了保证项目顺利进行、边坡的稳定和不影响隧道的安全和正常使用,针对已形成的边坡对临近隧道的影响进行了研究。根据工程地质条件、强度折减原理及其他相关资料,采用大型有限差分软件FLAC3D,对边坡开挖后的山体及隧道进行三维数值模拟。具体研究内容如下:
(1)根据实际工程需求选取合适的计算范围、建模和分析软件,对边坡开挖区段的山体和隧道进行三维数值模拟分析。运用FLAC3D软件从塑性区分布、应力场和位移等角度,分析了天然工况下边坡、山体及隧道的稳定性。研究结果表明,在工况一(天然工况即正常使用情况)下,开挖的边坡保持稳定状态,边坡的开挖工程对附近已建好隧道的影响微小,不会危害隧道的安全和正常使用。
(2)基于强度折减的方法,研究边坡、山体及隧道在暴雨工况(土体饱和状态)下的稳定程度。研究结果表明,工况二(土体饱和的状态下)现状开挖边坡处于欠稳定状态,现状边坡会发生局部失稳,山体会发生蠕变,边坡的开挖对临近已建好隧道的危害较小,不会影响隧道的安全和正常使用。但是随着时间的推移(时效性),不排除影响变大的趋势。
(3)为了更加全面的分析边坡和隧道的稳定性,在暴雨工况的基础上加入地震因素(土体饱和+地震)。结合研究区的地震条件,应用地震波生成软件合成一条近似于研究区实际情况的地震波;然后导入FLAC3D软件进行计算分析。研究结果表明,工况三(土体饱和+地震),即场地在连续大暴雨和同时发生地震的现状下,边坡、山体及隧道发生大位移变形,山体和边坡已经发生失稳破坏;隧道前出口剖面中边坡开挖产生的应力曲线发展至左侧隧道顶部,降低了隧道的安全度;边坡开挖对临近既有左侧隧道的危害较大,隧道中部、后部剖面左侧隧道受边坡开挖的影响较小。
(4)在土体失稳破坏的判定依据中,数值计算的收敛性可作为稳定被破坏的依据。因此,通过最大不平衡力曲线的收敛状态分析可以在很大程度上起到判别岩体稳定性的作用。运用最大不平衡力曲线图对三种工况进行分析,结果表明,在天然工况下不平衡力曲线从峰值逐渐收敛趋近于0,边坡、山体及隧道处于稳定状态;暴雨工况下最大不平衡力曲线达到峰值后逐渐减小,曲线相对平衡但不趋于0,山体发生蠕变但基本上处于稳定状态;在暴雨和地震工况的最大不平衡力曲线中,可以明显看到曲线在峰值后并未收敛,曲线波动幅度大并且仍然表现出向上的趋势,山体未达到力平衡状态,处于完全破坏状态;三种工况下的最大不平衡曲线与各个工况的应力场、塑性区和位移的分析结果相互印证。
(1)根据实际工程需求选取合适的计算范围、建模和分析软件,对边坡开挖区段的山体和隧道进行三维数值模拟分析。运用FLAC3D软件从塑性区分布、应力场和位移等角度,分析了天然工况下边坡、山体及隧道的稳定性。研究结果表明,在工况一(天然工况即正常使用情况)下,开挖的边坡保持稳定状态,边坡的开挖工程对附近已建好隧道的影响微小,不会危害隧道的安全和正常使用。
(2)基于强度折减的方法,研究边坡、山体及隧道在暴雨工况(土体饱和状态)下的稳定程度。研究结果表明,工况二(土体饱和的状态下)现状开挖边坡处于欠稳定状态,现状边坡会发生局部失稳,山体会发生蠕变,边坡的开挖对临近已建好隧道的危害较小,不会影响隧道的安全和正常使用。但是随着时间的推移(时效性),不排除影响变大的趋势。
(3)为了更加全面的分析边坡和隧道的稳定性,在暴雨工况的基础上加入地震因素(土体饱和+地震)。结合研究区的地震条件,应用地震波生成软件合成一条近似于研究区实际情况的地震波;然后导入FLAC3D软件进行计算分析。研究结果表明,工况三(土体饱和+地震),即场地在连续大暴雨和同时发生地震的现状下,边坡、山体及隧道发生大位移变形,山体和边坡已经发生失稳破坏;隧道前出口剖面中边坡开挖产生的应力曲线发展至左侧隧道顶部,降低了隧道的安全度;边坡开挖对临近既有左侧隧道的危害较大,隧道中部、后部剖面左侧隧道受边坡开挖的影响较小。
(4)在土体失稳破坏的判定依据中,数值计算的收敛性可作为稳定被破坏的依据。因此,通过最大不平衡力曲线的收敛状态分析可以在很大程度上起到判别岩体稳定性的作用。运用最大不平衡力曲线图对三种工况进行分析,结果表明,在天然工况下不平衡力曲线从峰值逐渐收敛趋近于0,边坡、山体及隧道处于稳定状态;暴雨工况下最大不平衡力曲线达到峰值后逐渐减小,曲线相对平衡但不趋于0,山体发生蠕变但基本上处于稳定状态;在暴雨和地震工况的最大不平衡力曲线中,可以明显看到曲线在峰值后并未收敛,曲线波动幅度大并且仍然表现出向上的趋势,山体未达到力平衡状态,处于完全破坏状态;三种工况下的最大不平衡曲线与各个工况的应力场、塑性区和位移的分析结果相互印证。