離散元法在貴陽某層狀巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用

譚玉強(qiáng)　段富凱　田何林

(1.貴州交通巖土工程有限責(zé)任公司　貴陽　550018；　2.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司　貴陽　550018)

離散元法在貴陽某層狀巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用

譚玉強(qiáng)1,2段富凱2田何林1,2

(1.貴州交通巖土工程有限責(zé)任公司貴陽550018；2.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司貴陽550018)

摘要以實(shí)際工程為背景，介紹了貴陽某層狀巖質(zhì)邊坡的特點(diǎn)，分析了邊坡的破壞機(jī)理及破壞模式，采用二維離散元法對(duì)該邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，指出了在前緣臨空情況下，邊坡容易發(fā)生滑移-拉裂破壞。模擬計(jì)算結(jié)果與理論分析相符，說明用離散元法分析層狀巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性是可行的。

關(guān)鍵詞層狀巖質(zhì)邊坡離散元法變形機(jī)理破壞模式

1工程概況

(1) 邊坡概況。貴陽市烏當(dāng)區(qū)云錦莊至開陽公路其邊坡自然坡度約32°，φ=18°，邊坡沿主滑方向長約100m，寬約150m，滑體厚度約13.50m，滑體面積約1.35×104m2，體積約1.3×105m3，邊坡地形陡，邊界裂縫明顯，平面上呈圈椅狀。

(2) 邊坡的巖土構(gòu)成。根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪及鉆探結(jié)果，自上而下分述如下：

①碎石土覆蓋層。褐、褐黃色，碎石成分為砂質(zhì)泥巖，一般粒徑為50～100mm，最大粒徑可達(dá)150mm，含少量植物根系，結(jié)構(gòu)稍密，場區(qū)均有分布，揭露厚度為0～10.80m。

②基巖。為寒武系下統(tǒng)明心寺組(∈1m)薄層狀砂質(zhì)泥巖，根據(jù)風(fēng)化程度分為：a)全風(fēng)化層?；野住⑼咙S、灰黃色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層狀，巖質(zhì)極軟，節(jié)理、風(fēng)化裂隙極發(fā)育，巖體破碎，呈碎裂結(jié)構(gòu)，巖芯呈土狀、砂狀，厚度為1.10～10.80m，場區(qū)均有分布；b)強(qiáng)風(fēng)化層?；?、灰白、淺灰色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層狀，巖質(zhì)軟，節(jié)理、風(fēng)化裂隙極發(fā)育，巖體破碎，呈散體結(jié)構(gòu)，巖芯呈砂狀、塊狀，厚度為0～8.40m，場區(qū)均有分布；c)弱風(fēng)化層?；摇⑸罨疑?，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)、薄層狀，巖質(zhì)較硬，構(gòu)造節(jié)理較發(fā)育，巖體較完整～完整，巖心以柱狀為主、少許塊狀，該層埋藏較深。

處理后復(fù)核土層的內(nèi)摩擦角和粘聚力計(jì)算路基的整體穩(wěn)定性，采用簡化Bishop法分析計(jì)算得路基整體穩(wěn)定性系數(shù)為1.324，路基整體穩(wěn)定。由此可見，經(jīng)過處理后的軟基大大提高了其物理力學(xué)參數(shù)，增強(qiáng)了路基的整體穩(wěn)定性。

2.32種方法的對(duì)比分析

以處理40m長計(jì)算，各工程對(duì)比見表1。

表1　相關(guān)材料需求量對(duì)比

通過以上2種方法的處理分析后，可見采用抗滑樁處理時(shí)可節(jié)約路基填筑材料方量，水泥及砂石量均較CFG樁處理時(shí)要少，根據(jù)相關(guān)工程造價(jià)估算抗滑樁較CFG樁節(jié)約約40%。在一定程度上節(jié)約了路基填筑成本及土地。從另一個(gè)角度來考慮，填石路基按1∶1.1～1∶1.3的整體穩(wěn)定性較1∶1.5～1∶2時(shí)要差得多，整體穩(wěn)定性則是CFG樁較理想。

3結(jié)論

(1) 對(duì)于存在淺埋軟土夾層的路基，其穩(wěn)定性受軟土夾層影響，且以通過軟土夾層底面的滑動(dòng)面安全系數(shù)最小，實(shí)際工程中應(yīng)以此作為工程穩(wěn)定性的控制因素。

(2) 通過收坡避讓軟基雖然節(jié)省了土石方量，但在實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)前后土石方需求控制，達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理利用廢方。

(3) 根據(jù)軟基處理寬度可綜合考慮2種方法的優(yōu)缺點(diǎn)及其適用性，在處理軟基較寬時(shí)，考慮抗滑樁比較經(jīng)濟(jì)；而軟件寬度較小時(shí)則選擇CFG樁較為穩(wěn)定合理。

參考文獻(xiàn)

[1]趙明華,劉煜,曹文貴.軟土路基沉降發(fā)展規(guī)律及其預(yù)測[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào),2004,35(2):157-161.

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[4]莫海鴻,楊小平.基礎(chǔ)工程[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2008.

2理論分析

(1) 邊坡現(xiàn)狀。邊坡范圍內(nèi)地面裂縫明顯，主要集中在邊坡后緣，多為拉張裂縫，裂縫走向與滑動(dòng)方向近于垂直，其中最大裂縫寬度達(dá)20cm，垂直位移0.15～0.20cm，長約67m；南側(cè)裂縫多呈羽狀排列，與滑動(dòng)方向斜交，自北東向南西消失；滑區(qū)中下部裂縫較少，多呈弧狀；坡腳處出現(xiàn)一條弧形裂縫，當(dāng)前部荷載去除之后，該邊坡將可能產(chǎn)生滑動(dòng)破壞，且該邊坡屬于緩傾層狀巖質(zhì)邊坡。

(2) 變形機(jī)理。該邊坡符合前面所討論的緩傾坡的破壞機(jī)理。該邊坡目前處于蠕變過程，當(dāng)坡前荷載去除之后，在自重作用下，邊坡巖體將沿下伏軟弱面向坡前臨空方向產(chǎn)生滑移-拉裂破壞。

(3) 破壞模式。該邊坡將會(huì)發(fā)生階梯狀的平面滑動(dòng)破壞。

(4) 判別依據(jù)。依據(jù)文獻(xiàn)[1]滑移-拉裂的判別公式進(jìn)行判別。

(1)

(2)

(3)

由工程概況可知：L=100m，b=150m，φ=18°，α=32°。

計(jì)算可得：A=0.55，B=33.7°，β0=38.4°。

又由工程概況可知β=36°，故該滑動(dòng)破壞是可能的。

3數(shù)值模擬計(jì)算

采用2d-block離散元數(shù)值模擬軟件對(duì)該邊坡的變形失穩(wěn)機(jī)理及破壞模式進(jìn)行模擬計(jì)算。

(1) 離散元法基本原理。離散單元法是將研究區(qū)域劃分成單元，各單元因受節(jié)理等不連續(xù)面控制，一個(gè)單元與其鄰近單元可以接觸，也可以分開，單元之間相互作用的力可以根據(jù)力和位移的關(guān)系求出，個(gè)別單元的運(yùn)動(dòng)則完全根據(jù)該單元所受的不平衡力和不平衡力矩的大小按牛頓運(yùn)動(dòng)定律確定[2]。

物理方程：力和位移間的相互關(guān)系。離散單元法采用了力-位移關(guān)系，并且認(rèn)為這個(gè)關(guān)系是可逆的。2塊體相互作用的力與接觸塊體之間的疊合量有關(guān)(見圖1)，假定塊體間的法向力Fn正比于它們之間法向“疊合”un，即

Fn=knun

(4)

式中：kn為法向剛度系數(shù)。

“疊合”是計(jì)算時(shí)假設(shè)的一個(gè)量，將其乘上一個(gè)比例系數(shù)作為法向力。對(duì)于確定的法向力，可以增大kn的值、減少un的值，而使二者的乘積等于相同的法向力。

圖1　疊合量與作用力之間的關(guān)系

塊體所受的剪切力與塊體運(yùn)動(dòng)和加載的歷史途徑有關(guān)，所以宜用增量的形式來表達(dá)。設(shè)2塊體之間的相對(duì)位移為Δus，則

(5)

式中：kn為節(jié)理的剪切剛度系數(shù)。

(2) 模擬參數(shù)取值見表1。

表1　模擬參數(shù)取值表

(3) 數(shù)值模擬計(jì)算成果及分析。數(shù)值模擬計(jì)算成果見圖2～圖5。

圖2平均主應(yīng)力圖圖3形心速度圖

圖4塊體位移圖圖5破壞效果圖

數(shù)值模擬成果分析。

(1) 由圖2可見，當(dāng)前部荷載去除之后，坡體平均主應(yīng)力發(fā)生了明顯的變化，前緣應(yīng)力釋放，中部及后部應(yīng)力均做了調(diào)整，沿層面向坡腳移動(dòng)。

(3) 由圖3可見，當(dāng)前部荷載去除之后，坡體產(chǎn)生了形心速度，前緣形心速度較大，中部及后部受前部塊體的影響，加速度較小，但加速度方向均沿層面指向坡腳。

(3) 由圖4可見，當(dāng)前部荷載去除之后，坡體上的塊體產(chǎn)生了明顯位移，前部和后部位移較大，中部受前部塊體的影響，位移較小，但位移方向均沿層面指向坡腳。

(4) 由圖5可見，當(dāng)前部荷載去除之后，坡體上的塊體由于前緣臨空，前部塊體產(chǎn)生滑移，中部及后部發(fā)生了明顯的拉裂破壞。

綜上，當(dāng)坡前荷載去除之后，邊坡巖體將沿下伏軟弱面向坡前臨空方向滑移，并使滑移體拉裂解體。軟弱面向臨空方向傾角大于巖層的內(nèi)摩擦角，一旦該面被揭露，上部坡面巖體臨空，破壞了原坡體的平衡條件，導(dǎo)致上覆巖土體失去支撐，造成前緣產(chǎn)生明顯的滑移，后部產(chǎn)生拉裂，坡體由前部向后部逐步解體的滑移-拉裂破壞，破壞模式為平面滑動(dòng)，且滑面為折線形[3]。結(jié)果與前述的理論分析一致。

4結(jié)論

(1) 本文采用離散元法，利用2d-block軟件對(duì)貴陽某層狀巖質(zhì)邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。將塊體平均主應(yīng)力、形心速度、塊體位移發(fā)生明顯變化作為失穩(wěn)判據(jù)，由對(duì)應(yīng)邊坡塊體的破壞效果圖確定滑面及破壞形式。根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析表明，應(yīng)用該方法對(duì)層狀巖質(zhì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析是一個(gè)有效的方法。

(2) 當(dāng)邊坡的結(jié)構(gòu)面參數(shù)較低，且?guī)r性較好時(shí)，可以將其視為剛體來選取計(jì)算參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，該方法計(jì)算效率高，結(jié)果可靠[4]。

(3) 采用二維2d-block離散元數(shù)值模擬軟件分析層狀巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性，可以看到邊坡破壞過程中的塊體平均主應(yīng)力、形心速度、塊體位移及破壞效果，對(duì)有效、快速、直觀地判斷層狀巖質(zhì)邊坡破壞機(jī)理及破壞模式具有很好的指導(dǎo)意義。

[1]張倬元,王士天,王蘭生.工程地質(zhì)分析原理[M].2版.北京:地質(zhì)出版社,1994.

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[3]譚玉強(qiáng).層狀巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)理論與支護(hù)設(shè)計(jì)方法研究[D].貴陽:貴州大學(xué),2009．

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收稿日期：2014-09-10

ResearchonSlopeStabilityAnalysisofALayeredRock
SlopeinGuiyangUsingDistinctElementMethod

Tan Yuqiang1,2， Duan Fukai2，TianHelin1,2

(1.GuizhouTransportationofGeotechnicalEngineeringCo.,Ltd.,Guiyang550018,China;

2.GuizhouTransportationPlanningSurvey&DesignAcademeCo.,Ltd.,Guiyang550018,China)

Abstract：Based on the background of practical engineering, characteristics of some layered rocky slope in Guiyang are introduced. The deformation mechanism and destruction are analyzed in theory to the slope.The method of 2D discrete element is applied to the slope stability analysis．It is pointed out that the slope is easy to cause sliding-tensile failure under the condition of the front opening. The simulation results are in conformity with theoretical analysis. It shows that element method is feasible for the analysis of layered rock slope stability. This method is a rational and efficient stability analysis method and is worth using in similar projects．

Key words:layered rock slope; distinct element method; deformation mechanism; destruction pattern

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.021