華麗高速公路華坪岸邊坡穩(wěn)定性的DDA模擬研究

嚴(yán)　飛，鄧　琴

(1.云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院， 云南 昆明 650041；2.陸地交通氣象災(zāi)害防治技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室， 云南 昆明 650041；3.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430071)

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華麗高速公路華坪岸邊坡穩(wěn)定性的DDA模擬研究

嚴(yán)飛1,2，鄧琴3

(1.云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院， 云南 昆明 650041；2.陸地交通氣象災(zāi)害防治技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室， 云南 昆明 650041；3.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430071)

為了對(duì)華麗金安金沙江大橋華坪岸的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并能夠直觀了解邊坡變形及可能的破壞過(guò)程，采用非連續(xù)變形分析方法(DDA)結(jié)合強(qiáng)度折減法對(duì)華坪岸z1剖面進(jìn)行模擬。在計(jì)算模型中利用真實(shí)節(jié)理和虛擬節(jié)理的概念充分考慮了已有的斷層、軟弱結(jié)構(gòu)面的表征。研究結(jié)果表明：在自然狀態(tài)下華坪岸邊坡是穩(wěn)定的；在強(qiáng)度參數(shù)降低的情形下，華坪岸邊坡可能的破壞形式為牽引式破壞，即沿著t3凝灰?guī)r夾層和坡體前緣卸荷帶陡傾結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)。

非連續(xù)變形分析(DDA)；邊坡穩(wěn)定性；強(qiáng)度折減法；邊坡破壞過(guò)程

邊坡是人工邊坡和自然斜坡的統(tǒng)稱。在水利水電工程、港口工程，橋梁工程、房屋建筑及深基坑工程都會(huì)遇到邊坡穩(wěn)定問(wèn)題，分析邊坡穩(wěn)定性的方法主要由極限平衡法、有限元法、離散元法、非連續(xù)變形分析方法(DDA)[1]。其中以極限平衡法和有限元法最為常用，不過(guò)極限平衡法假定巖土體為剛體，不考慮土體變形和應(yīng)力的關(guān)系，且無(wú)法分析邊坡的破壞過(guò)程[2]；有限元法則可以分析巖土體的變形及應(yīng)力[3]，且通過(guò)節(jié)理單元可處理少量的不連續(xù)面，但對(duì)于含大量的不連續(xù)面的巖土體問(wèn)題則顯得無(wú)能為力。離散元方法[4-5]克服了有限元在處理大量非連續(xù)面所存在的困難，同時(shí)可以自動(dòng)識(shí)別出新的接觸，可處理大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)的問(wèn)題。正是由于離散元的這些優(yōu)點(diǎn)，其在巖土工程領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，例如董金海等[6]用UDEC對(duì)三峽庫(kù)區(qū)軟硬互層高切坡崩塌進(jìn)行了研究取得了較好的效果；李世海等[7]基于三維離散元?jiǎng)傂詨K體模型研究三峽永久船閘開(kāi)挖穩(wěn)定性問(wèn)題；雷遠(yuǎn)見(jiàn)等[8]將離散元和強(qiáng)度折減法結(jié)合研究了邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題；胡亞?wèn)|等[9]利用3DEC程序?qū)λ娬具吰麻_(kāi)挖后的位移變形特征進(jìn)行了分析。不過(guò)該方法存在的問(wèn)題是，需要采用很小的時(shí)間步長(zhǎng)，計(jì)算耗時(shí)巨大。非連續(xù)變形分析方法[10-12]，便于對(duì)塊體的大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)等進(jìn)行模擬，可以自動(dòng)識(shí)別新的接觸，因此便于處理各種接觸問(wèn)題。除此以外，DDA基于最小勢(shì)能原理，力學(xué)上非常嚴(yán)格，且其用開(kāi)閉迭代進(jìn)行接觸處理，接觸力計(jì)算較離散元更為嚴(yán)格準(zhǔn)確。因此該方法很適合用來(lái)分析含有軟弱夾層或者結(jié)構(gòu)面控制的邊坡穩(wěn)定狀況。本文就是采用DDA方法來(lái)對(duì)華坪岸的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

1　華坪岸邊坡工程地質(zhì)條件

擬建金安金沙江大橋位于金沙江中游干流河段的五郎河支流至美河沖溝之間的7 km長(zhǎng)的河道上。金安金沙江大橋主墩和錨墩分別置于金沙江兩岸斜坡之上，如圖1所示，是5個(gè)備選橋位的三維示意圖。所處位置總體呈近SN向發(fā)育，河道較為順直局部略微彎曲。河谷呈“V”型，為縱向單斜谷，兩岸地形基本對(duì)稱。因受地層產(chǎn)狀和順河向陡傾角結(jié)構(gòu)面影響，兩岸岸坡多形成階梯狀地形。華坪岸為順向坡，總體坡度20°～30°，變化較小。岸坡腰部斜向的發(fā)育一系列連續(xù)的30 m～60 m高的陡坎，陡坎的坡度可達(dá)45°以上。出露地層主要為二疊系上統(tǒng)玄武巖組上段(P2β3)，出露基巖為致密玄武巖、杏仁狀玄武巖、火山角礫熔巖夾等多層凝灰?guī)r軟弱夾層，且受后期構(gòu)造錯(cuò)動(dòng)影響巖體破碎，凝灰?guī)r層間卸荷帶局部存在泥化夾層。

華坪岸坡地層整體產(chǎn)狀近SN，傾向西，傾角12°～30°。同時(shí)發(fā)育有與河道近于平行和正交的兩組陡傾角節(jié)理。另外，有傾角較緩且有局部泥化的t3凝灰?guī)r軟弱夾層。出露的基巖為致密玄武巖、杏仁狀玄武巖、火山角礫熔巖夾等多層凝灰?guī)r軟弱夾層，且受后期構(gòu)造錯(cuò)動(dòng)影響巖體破碎，凝灰?guī)r層間局部存在泥化夾層，邊坡穩(wěn)定性可能主要受t3凝灰?guī)r軟弱夾層的控制。

華坪岸的崩塌堆積體主要集中發(fā)育于岸坡腰部的陡崖之下，其沿著向坡外緩傾的凝灰?guī)r層面形成臺(tái)階狀堆積，目前處于穩(wěn)定狀態(tài)。

上岸坡巖體以物理風(fēng)化作用為主。強(qiáng)風(fēng)化帶厚度一般小于15 m，局部可達(dá)20 m～25 m；中風(fēng)化帶垂直深度為35 m～65 m。岸坡巖體卸荷現(xiàn)象明顯，且淺表部位的巖體沿著陡傾節(jié)理張開(kāi)，順坡向分布的凝灰?guī)r層或流面發(fā)生剪切破壞。正是由于岸坡巖體的結(jié)構(gòu)松弛，加速了巖體的風(fēng)化和岸坡的局部變形崩塌發(fā)生。

圖1工程區(qū)三維展示圖

2　DDA基本原理及邊坡模型的建立

2.1DDA基本原理

非連續(xù)變形分析方法(DDA)是石根華博士[12]提出的一種專門(mén)處理含大量非連續(xù)面的巖體問(wèn)題的數(shù)值分析方法。其以塊體的形心位移(u,v)、塊體繞形心的轉(zhuǎn)動(dòng)(r0)和塊體應(yīng)變(εx，εy，εxy)為基本未知量，基于最小勢(shì)能原理，形成系統(tǒng)剛度方程并求解。

2.1.1塊體內(nèi)任意一點(diǎn)位移的表征

塊體i內(nèi)任意一點(diǎn)(x,y)的位移U=(u,v)T，用完全一階近似的位移函數(shù)來(lái)表征：

U=TDi

(1)

其中：Di為塊體i的位移矢量；T為位移變換矩陣：

Di=(x,y,r,εx,εy,εxy)

2.1.2系統(tǒng)剛度方程的建立

系統(tǒng)的總勢(shì)能包括塊體的應(yīng)變能，初始應(yīng)力的勢(shì)能，外荷載作用下的勢(shì)能，慣性力勢(shì)能和黏聚力勢(shì)能。由最小勢(shì)能原理，當(dāng)勢(shì)能取最小值時(shí)系統(tǒng)達(dá)到平衡。

塊體系統(tǒng)的總勢(shì)能可寫(xiě)成：

(2)

KD=F

(3)

若系統(tǒng)由n個(gè)塊體組成，則方程(3)可進(jìn)一步寫(xiě)為：

(4)

式中，Kij(i,j=1,2,…n)為6×6的子矩陣，當(dāng)i=j時(shí)，Kij只與塊體i的材料屬性有關(guān)，否則，Kij與塊體i和j之間的相互作用情況有關(guān)；Di代表塊體i的位移矢量；Fi代表作用于塊體i上的荷載矢量[13]。結(jié)合邊界條件和塊體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)條件，即可對(duì)上述方程求解，獲得各個(gè)塊體的位移、變形及應(yīng)力狀態(tài)。

2.1.3塊體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)條件

塊體之間相互接觸時(shí)，塊體之間應(yīng)該滿足無(wú)拉伸和侵入很小的條件。當(dāng)塊體相互接觸且有侵入發(fā)生時(shí)，需要采用較大剛度的彈簧施加于塊體之間來(lái)限制塊體的侵入。初始時(shí)，根據(jù)塊體之間的相對(duì)位置找出所有可能的接觸對(duì)，并根據(jù)接觸類型施加接觸彈簧。塊體之間有角-角接觸、角-邊接觸兩種基本接觸類型，而邊-邊接觸可轉(zhuǎn)化為兩個(gè)角-邊接觸[14]。

對(duì)角-角接觸，只需要施加一個(gè)法向彈簧，而角-邊接觸則需施加一個(gè)法向彈簧和一個(gè)切向彈簧，并在總剛度矩陣中的相應(yīng)位置加入接觸子矩陣，求解式(3)。如果塊體間的接觸力為拉力，則撤銷法向彈簧和切向彈簧，并修改剛度矩陣，重新求解式(3)。這個(gè)過(guò)程稱為開(kāi)-閉迭代，基于開(kāi)-閉迭代不斷調(diào)整接觸狀態(tài)，直到不再有接觸力為拉力的情形發(fā)生，便進(jìn)入下一個(gè)時(shí)間步的計(jì)算，此時(shí)的接觸狀態(tài)為下一個(gè)時(shí)間步中接觸的初始狀態(tài)[13]。

2.2邊坡模型的建立

選取華坪岸的z1剖面為例(如圖1所示的z1方案)，來(lái)分析華坪岸邊坡的穩(wěn)定性。以已有的節(jié)理、軟弱夾層、斷層為界面將整個(gè)模型劃分為一系列的三角形塊體，其中真實(shí)的節(jié)理、軟弱夾層、斷層處的接觸參數(shù)(真實(shí)節(jié)理)采用該處實(shí)際的材料參數(shù)，而其余部分的接觸參數(shù)(虛擬節(jié)理[11])則采用高強(qiáng)度的參數(shù)，以便于表征完整巖石。整個(gè)計(jì)算模型的網(wǎng)格如圖2所示。

圖2華坪岸z1剖面塊體劃分

研究該邊坡在自然狀態(tài)的穩(wěn)定性及強(qiáng)度參數(shù)折減后的邊坡破壞過(guò)程。為了便于了解邊坡在不同折減系數(shù)下邊坡的位移情況，我們?cè)谶吰碌牟煌恢迷O(shè)置了3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖2所示。

本文采用類似有限元中的強(qiáng)度折減法求穩(wěn)定系數(shù)，即將節(jié)理面的強(qiáng)度參數(shù)c(黏聚力)和φ(內(nèi)摩擦角)都除以折減系數(shù)K，得到一組新的強(qiáng)度參數(shù)值ck和φk，即：

(5)

然后用該組參數(shù)進(jìn)行試算，直到邊坡達(dá)到失穩(wěn)臨界狀態(tài)，這時(shí)的折減系數(shù)K即為邊坡的穩(wěn)定系數(shù)。

2.3結(jié)構(gòu)面參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查及設(shè)計(jì)單位提供的勘察報(bào)告可知,該邊坡可能會(huì)沿著t3凝灰?guī)r夾層滑動(dòng)。涉及到塊體的滑動(dòng)，因此結(jié)構(gòu)面參數(shù)的選取就顯得尤為關(guān)鍵。本次計(jì)算的參數(shù)根據(jù)基本巖石力學(xué)試驗(yàn)是及反分析綜合確定，t3凝灰?guī)r夾層的參數(shù)為c=24°，φ=50kPa，其余節(jié)理面的參數(shù)取為c=35°，φ=150kPa，重度取為29kN/m3。

3　模擬結(jié)果及分析

為了得到邊坡在自然狀態(tài)的穩(wěn)定系數(shù)，采用不斷增大的折減系數(shù)進(jìn)行試算，看邊坡的最終狀態(tài)是否穩(wěn)定。當(dāng)折減系數(shù)K=1.4時(shí)，計(jì)算得到的邊坡?tīng)顟B(tài)、位移矢量如圖3所示。從圖3中可以明顯地看出，主要是t3凝灰?guī)r夾層上方兩個(gè)塊體發(fā)生明顯的滑動(dòng)，最頂部的部分基本保持不動(dòng)。由此，折減系數(shù)K=1.4時(shí)，邊坡沿著t3凝灰?guī)r夾層及坡體前緣卸荷帶陡傾結(jié)構(gòu)面出現(xiàn)明顯的滑動(dòng)，前緣部分先滑動(dòng)，后緣部分失去支撐，也開(kāi)始滑動(dòng)，華坪岸邊坡可能的破壞形式為牽引式破壞。這說(shuō)明，華坪岸在自然狀態(tài)的穩(wěn)定系數(shù)約為1.4。

圖4展示的是折減系數(shù)K=1.4時(shí)圖2中的3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移-時(shí)間步曲線。從圖4中可知，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的位移基本保持不變，說(shuō)明監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在的塊體是穩(wěn)定的；監(jiān)測(cè)點(diǎn)2、監(jiān)測(cè)點(diǎn)3所在的塊體恰位于t3凝灰?guī)r夾層的上方，其位移不斷增大，沒(méi)有收斂的趨勢(shì)。說(shuō)明在該折減系數(shù)下，t3凝灰?jiàn)A層上方的兩個(gè)塊體失穩(wěn)，向下不斷滑動(dòng)，這說(shuō)明在該折減系數(shù)下，華坪岸邊坡失去穩(wěn)定。

圖3　折減系數(shù)K=1.4時(shí)華坪岸的位置狀態(tài)

圖4折減系數(shù)K=1.4時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移時(shí)間步曲線

圖5展示的折減系數(shù)K=1.3時(shí)3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移時(shí)間步曲線。由圖5可知，隨著時(shí)間步的增大，3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移均趨于穩(wěn)定，并未出現(xiàn)圖4所示的位移逐漸逐漸增大情況。

因此，在折減系數(shù)K=1.3時(shí)，邊坡保持穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5折減系數(shù)K=1.3時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移時(shí)間步曲線

綜合上述分析比較，可認(rèn)為華坪岸的邊坡穩(wěn)定系數(shù)是1.4。

4　結(jié)　論

綜合上面的分析可以得出如下結(jié)論：

(1)DDA中結(jié)合真實(shí)節(jié)理和虛擬節(jié)理的概念可充分考慮了已有的斷層、軟弱結(jié)構(gòu)面的表征。結(jié)合強(qiáng)度折減法，DDA除可評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性外，還可對(duì)邊坡變形、破壞的全過(guò)程進(jìn)行預(yù)測(cè)。

(2) 對(duì)華坪岸的模擬研究結(jié)果表明，在自然狀態(tài)，華坪岸邊坡是穩(wěn)定的，在強(qiáng)度參數(shù)降低的情形下，華坪岸邊坡可能的破壞形式為牽引式破壞，即沿著t3凝灰?guī)r夾層和坡體前緣卸荷帶陡傾結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)。

致謝：感謝云交科2014(A)01—《金沙江中游庫(kù)區(qū)高速公路大跨徑橋址高邊坡災(zāi)害調(diào)控技術(shù)及應(yīng)用示范研究》項(xiàng)目的資助及課題組全體人員的配合、幫助和支持。

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DDA Simulation of Huaping Shore Slope Stability of Huali Expressway

YAN Fei1,2， DENG Qin3

(1.EngineeringSurveyBranch,BroadvisionEngineeringConsultants,Kunming,Yunnan650041,China；2.NationalEngineeringLaboratoryforSurfaceTransportationMeterologicalHazardPreventionTechnology,Kunming,Yunnan650041,China； 3.StateKeyLaboratoryofGeomechanicsandGeotechnicalEngineering,InstituteofRockandSoilMechanics，ChineseAcademyofSciences，Wuhan,Hubei430071,China)

In order to evaluate the slope stability of Huaping shore of the Jinsha River Bridge, and intuitively understand the slope deformation and possible damage process, we use the discontinuous deformation analysis (DDA) method combined with strength reduction to simulate the slope of Huaping shore. Based on the engineering geological characteristics of Huaping shore, a calculation model of z1 profile was developed. In addition the concept of real joint and virtual joints joint was used, the faults or weak structure plane may take into consideration directly, the fracture of the rock itself also can be model naturally. The results show that: in the natural state, Huaping shore slope is stable. When the strength parameters reduced, Huaping shore slope is possible failure due to traction damage, the slope may slip along t3 tuff sandwich and steep joint, after that the small block behind the big block also began to slip because of loss support.

discontinuous deformation analysis (DDA); slope stability; strength reduction; slope failure

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.04.022

2016-03-27

2016-04-26

云南省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目(云交科2014(A)01)

嚴(yán)飛(1979—)，男，云南昆明人，高級(jí)工程師，主要從事公路工程方面的工作。E-mail：yfmail621@163.com

O39；TU457

A

1672—1144(2016)04—0107—04