某淺變質(zhì)風(fēng)化巖失穩(wěn)邊坡的滑動(dòng)機(jī)理分析＊

曾格華 歐湘萍 朱云升 蔡文波 魏朝暉

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063)

(武漢市交通基本建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站2) 武漢 430015) (浙江省交通工程建設(shè)集團(tuán)3) 杭州 310051)

貴州地區(qū)地形、地質(zhì)、地貌十分復(fù)雜,溝壑密布,公路建設(shè)中形成了大量高陡邊坡,如近年來修建的崇遵、玉凱、清黃、鎮(zhèn)勝等高速公路,都遇到過大量邊坡問題.淺變質(zhì)巖在貴州變質(zhì)巖區(qū)所帶來的工程地質(zhì)問題具有一定的共性,出現(xiàn)了大量的因淺變質(zhì)巖失穩(wěn)而導(dǎo)致的滑坡問題.

1 工程實(shí)例概況及其滑動(dòng)面的確定

研究選取的淺變質(zhì)巖典型失穩(wěn)邊坡南約溝滑坡為該路段路塹開挖導(dǎo)致古滑坡體上部復(fù)活,而衍生得一個(gè)次級(jí)滑坡.邊坡開挖接近第6級(jí)平臺(tái)時(shí),右側(cè)斜坡坡口線以上(高程890～894 m)出現(xiàn)多處張裂縫,邊界裂縫呈不規(guī)則弧形,延伸200多米,斜坡呈現(xiàn)明顯的滑坡特征.

滑坡體表層為殘坡積黃色粘土夾碎塊石及碎石土,厚度2～23 m.覆蓋層為滑動(dòng)變形體,厚度為2～33.6 m,呈黃褐、灰褐色,強(qiáng)風(fēng)化,巖性為變余雜砂巖,總體產(chǎn)狀170∠40°.滑床為青灰色中風(fēng)化變余雜砂巖,巖層產(chǎn)狀100∠20°,與邊坡構(gòu)成橫向坡[1].

對(duì)該邊坡進(jìn)行ANSYS仿真模擬分析,采用基于彈塑性有限元法,將邊坡視為非線性平面應(yīng)變問題處理.采用ANSYS10.0有限元計(jì)算軟件計(jì)算.選取主滑面斷面為計(jì)算斷面,根據(jù)該斷面建立對(duì)應(yīng)的邊坡模型,視邊坡巖體為理想彈塑性材料,采用ANSYS軟件自帶的Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則,材料參數(shù)如表1所列.荷載只考慮巖土體的自重,按Newton-Rophson迭代算法計(jì)算[2].

對(duì)有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析,主滑面斷面塑性變形分布如圖1所示,從圖中可知,塑性變形分布在強(qiáng)風(fēng)化層與中風(fēng)化層的接觸面上.

在南約溝邊坡出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象后,對(duì)滑坡采用測(cè)斜儀通過鉆孔測(cè)斜對(duì)滑坡進(jìn)行了監(jiān)測(cè),通過對(duì)數(shù)據(jù)分析來確定破裂面的位置.

鉆孔位移監(jiān)測(cè)采用美國Sinco測(cè)斜儀器公司生產(chǎn)的垂直雙向數(shù)字式測(cè)斜儀[3].在主滑斷面上分布有5個(gè)檢測(cè)孔,分別為ZK20,ZK21,ZK22, ZK23,ZK24.其中ZK22,ZK23,ZK24孔位移-深度曲線存在如圖2～3所示非常明顯的突變特征.

圖1 邊坡塑性變形分布圖

圖2 鉆孔24相對(duì)合位移-深度曲線圖

表2 有效鉆孔對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)面深度

圖3 鉆孔23相對(duì)合位移-深度曲線圖

根據(jù)上述監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)所得的對(duì)應(yīng)點(diǎn)滑動(dòng)面深度,結(jié)合之前的塑性區(qū)ANSYS分析結(jié)果,可以確定主滑斷面如圖4所示的滑動(dòng)面方位圖.

2 滑坡漸進(jìn)破壞及滑動(dòng)過程模擬

按照前述所確定的滑動(dòng)面方位,將滑動(dòng)面以上的滑體部分運(yùn)用有限元軟件COSMOS/M建立模型,提出通過在該模型的滑動(dòng)面節(jié)點(diǎn)上施加法向和切向彈簧單元,在迭代計(jì)算過程中對(duì)彈簧單元進(jìn)行剛度的改變來對(duì)滑動(dòng)過程中滑動(dòng)面上受力情況以及破壞規(guī)律進(jìn)行模擬.COSMOS/M有限元軟件因其計(jì)算速度快精度高而在工程分析中得到廣泛選用.

圖4 主滑斷面滑動(dòng)面方位圖

初始計(jì)算時(shí),滑動(dòng)面的切向和法向均采用硬彈簧約束,第一次計(jì)算結(jié)束后,摩擦力(切向力)達(dá)到最大值的切向彈簧用軟彈簧代替,其余切向彈簧用次軟彈簧代替,并檢驗(yàn)滑動(dòng)面單元屬于上述3種情況中的哪一種.

首先檢驗(yàn)切向彈簧力是否滿足Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則,即

或

其次,開始進(jìn)行迭代計(jì)算時(shí),沿滑動(dòng)面方向?qū)?jié)點(diǎn)施加切向力.

若是固定型,則沿切向彈簧方向施加有限元計(jì)算得到的切向力,若是滑動(dòng)型,則沿切向彈簧方向施加最大切向力剩余力將在迭代運(yùn)算時(shí)逐步釋放并由其他彈簧承擔(dān),直至達(dá)到最后的平衡狀態(tài).

對(duì)于張開型,由于裂紋張開,滑動(dòng)面不能再承受法向力,理應(yīng)令法向彈簧剛度為零,考慮到迭代過程中裂紋可能會(huì)重新閉合,因而其法向采用軟彈簧代替,而施加的切向力可考慮為零,也可考慮有一定的切向粘聚力[4-7].

上述過程可通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的二次后處理分析并結(jié)合COSMOS/M命令語言自動(dòng)完成,實(shí)際操作即按上述步驟進(jìn)行.實(shí)際的邊坡失穩(wěn)情況,往往屬于滑動(dòng)型的接觸摩擦模型.

對(duì)滑體進(jìn)行5次迭代計(jì)算所得的塑性區(qū)分布圖(圖中黑色區(qū)域)如圖5～11所示,滑動(dòng)面上受力情況見表3所列.

3 結(jié) 論

圖5 主滑面初步計(jì)算拉裂區(qū)分布圖

圖6 主滑面初步計(jì)算塑性區(qū)分布圖

圖7 主滑面第一步迭代塑性區(qū)分布圖

圖8 主滑面第二步迭代塑性區(qū)分布圖

圖9 主滑面第三步迭代塑性區(qū)分布圖

圖10 主滑面第四步迭代塑性區(qū)分布圖

1)在對(duì)邊坡進(jìn)行削方施工之后,坡體前緣形成臨空面并造成巖體內(nèi)部應(yīng)力釋放,坡體自前緣逐步松弛至后緣,在后緣形成數(shù)條裂縫.

表3 主滑動(dòng)計(jì)算剖面的潛在滑動(dòng)面受力表

圖11 主滑面第五步迭代塑性區(qū)分布圖

2)根據(jù)表3,坡體初步計(jì)算安全系數(shù)約為1,說明坡體處于臨界平衡狀態(tài),其內(nèi)部已有剪切塑性區(qū)分布.南約溝滑坡為一古滑坡部分復(fù)活的次生滑坡,邊坡開挖造成局部應(yīng)力集中,坡體后緣出現(xiàn)一條明顯裂縫,可以認(rèn)為南約溝滑坡是邊坡開挖造成.

3)初始計(jì)算之后,該斷面的潛在滑動(dòng)面上分布有一定長度的剪切塑性區(qū).坡體后緣拉裂縫的產(chǎn)生使得該處形成了兩個(gè)自由面,裂縫形成之前作用在這兩個(gè)面上的拉應(yīng)力消失,而同時(shí)拉裂縫的逐步變寬而使得自由面發(fā)生相對(duì)位移,根據(jù)Griffith能量理論,消失了的拉應(yīng)力對(duì)該位移做負(fù)功,坡體內(nèi)部應(yīng)變能減小,這部分能量將以對(duì)自由面的阻力以及使得滑體產(chǎn)生位移的形式表現(xiàn)出來,這就使得原本穩(wěn)定的坡體中部逐漸產(chǎn)生滑動(dòng)并形成剪切塑性區(qū),直接表現(xiàn)為滑動(dòng)面上塑性區(qū)的分布范圍逐步向下在鎖固段擴(kuò)展.

4)由斷面滑面受力表可以表明,滑動(dòng)面上的下滑力基本保持不變,抗滑力隨著滑面上塑性區(qū)的逐步擴(kuò)展而逐漸減小,使得坡體安全系數(shù)隨之減小.

南約溝滑坡處于斷層破碎影響帶內(nèi),強(qiáng)風(fēng)化層巖石結(jié)構(gòu)松散,風(fēng)化裂隙發(fā)育,巖質(zhì)較軟,泥化較嚴(yán)重,加上附近農(nóng)業(yè)灌溉以及地下水位較高致使抗剪強(qiáng)度降低,而坡體風(fēng)化層較厚,自身重力較大,這些因素的綜合作用下,致使坡體產(chǎn)生蠕滑,進(jìn)而產(chǎn)生大位移的滑動(dòng).

根據(jù)上述的理論分析結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)破壞跡象,按照成都理工大學(xué)王蘭生、張倬元等提出的蠕滑-拉裂、滑移-壓致拉裂、滑移-拉裂、彎曲-拉裂、塑流-拉裂、滑移-彎曲等6種斜坡變形主要模式[8],可以判斷南約溝滑坡主要是以蠕滑-拉裂為主,伴隨有滑移-拉裂,另坡面有彎曲-拉裂模式的滑動(dòng).

[1] 貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院,三凱高速公路施工階段工程地質(zhì)勘察報(bào)告[R].貴陽：貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院,2005.

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