基于數值仿真的全強風化巖質邊坡失穩(wěn)機制研究

李大茂，張國輝，袁從華

(1.云南省公路開發(fā)投資有限責任公司， 云南 昆明 650200；2.云南小磨高速公路改擴建工程建設指揮部， 云南 景洪666100；3.中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室， 湖北 武漢 430071)

基于數值仿真的全強風化巖質邊坡失穩(wěn)機制研究

李大茂1,2，張國輝1,2，袁從華3

(1.云南省公路開發(fā)投資有限責任公司， 云南 昆明 650200；2.云南小磨高速公路改擴建工程建設指揮部， 云南 景洪666100；3.中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室， 湖北 武漢 430071)

利用數值分析方法來分析邊坡的穩(wěn)定性正逐漸被人們所重視。以某公路邊坡工程為例采用考慮地形變化的極限平衡法和考慮變形發(fā)展過程的有限元強度折減法相結合的方法對全強風化巖質邊坡的失穩(wěn)機制進行了研究。研究結果表明：邊坡的失穩(wěn)破壞機制表現為典型的牽引破壞，全強風化巖體遇水容易軟化，邊坡中前部抗滑段飽和時會導致巖體強度極大下降，對于邊坡的穩(wěn)定十分不利，中前部邊坡失穩(wěn)導致滑坡逐漸向上發(fā)展，牽引逐級發(fā)育，前一級潛在破壞為后一級的發(fā)展提供了臨空空間。針對這種失穩(wěn)機制，建議工程措施應重視阻滑段的疏排水，通過工程加固手段阻止第一級破壞發(fā)生。

邊坡失穩(wěn)；全強風化巖體；極限平衡法；強度折減法；牽引式滑坡

巖質邊坡穩(wěn)定性分析是巖土工程問題中的重要問題之一，同時巖質邊坡的失穩(wěn)破壞造成了嚴重的災情以及巨大的損失[1]。因此，研究邊坡失穩(wěn)的破壞機制是很有必要。目前學者們對于邊坡穩(wěn)定性的分析方法主要采用工程中應用廣泛的極限平衡法[2-5]、近年來發(fā)展迅速的有限元強度折減法[6-9]以及針對傾倒破壞的非連續(xù)變形分析方法[10-11]。更有學者將有限元法和極限平衡法兩者相結合，用以對邊坡的穩(wěn)定性進行分析[12-14]。巖土體的破壞形式通常都是剪切破壞，現有邊坡穩(wěn)定分析的方法大部分以巖土體內部是否沿滑動面發(fā)生整體摩爾-庫侖剪切破壞為判別準則。穆成林等[15]闡述了含軟弱夾層順層邊坡失穩(wěn)破壞過程影響因素,以及邊坡開挖后巖體劣化、雨水下滲、滑面力學性狀弱化過程,建立了“剛柔相濟”的地質-力學量化模型,分析邊坡滑移-拉裂的形成機制,系統(tǒng)總結了邊坡演化過程。宋東日等[16]研究了牽引式滑坡的力學機制：(1) 坡腳開挖致使阻滑關鍵塊體缺失,應力集中導致剪切應變軟化；(2) 地表降水與地下水對巖土體物理力學性能的改造；(3) 滑體變形不協調,導致拉裂縫產生,滑坡后緣得以繼續(xù)向后擴展。李滿意等[17]對類土質邊坡失穩(wěn)機理進行了分析，指出類土質(即全強風化)邊坡變形的地質力學機制為漸進后退式蠕滑拉裂，并將失穩(wěn)機理概括為雨水滲入、邊坡惡化、局部失穩(wěn)、整體失穩(wěn)四個階段。

風化程度巖體物理力學特性影響較大，對于全強風化巖體來說，巖體被節(jié)理切割變得極為破碎，可能有泥質充填，遇水軟化將大幅降低巖體強度。全強風化巖質邊坡工程特性及穩(wěn)定性明顯區(qū)別于一般的均質土邊坡和巖質邊坡，目前研究相對較少。本文通過兩種方法研究了全強風化巖質邊坡在工程開挖條件下失穩(wěn)破壞機制，分別是考慮地形變化的極限平衡方法和考慮坡體變形過程的有限元強度折減方法，極限平衡法中考慮了邊坡失穩(wěn)過程中地形逐漸發(fā)生變化，用動態(tài)的觀點來分析滑坡的發(fā)展過程；有限元強度折減法中可獲取坡體的變形發(fā)展過程，兩種分析方法相結合更有助于分析邊坡的失穩(wěn)破壞機制。本文以某公路邊坡工程為例，通過考慮地形變化的極限平衡方法和有限元強度折減方法進行了分析，揭示了全強風化巖質邊坡的失穩(wěn)破壞機制。

1 基于數值仿真的邊坡失穩(wěn)機制研究方法

1.1 考慮變形發(fā)展過程的有限元強度折減方法

有限元強度折減法的基本原理是將坡體強度參數(黏聚力和內摩擦角)的值同時除以一個折減系數，得到一組新的強度參數，將折減后的強度參數值代入有限元計算，可得到邊坡內部的變形情況。反復折減坡體強度參數，可得到隨著坡體強度逐漸弱化情況下邊坡內部的變形發(fā)展過程。當抗剪強度參數降低到計算不收斂時，說明邊坡達到極限狀態(tài)，此時邊坡體出現大幅度變形和塑性滑移，根據彈塑性有限元分析結果搜索得到滑動破壞面，滑坡破壞時對應的強度折減系數即為邊坡強度儲備安全系數。

1.2 考慮地形變化的極限平衡方法

有限元方法能夠考慮變形協調，通過折減強度參數可獲取邊坡漸進破壞過程不同，極限平衡分析方法通過對土體剪切破壞時的狀態(tài)進行靜力平衡分析求得問題的解。極限平衡方法中，邊坡巖土體沿某一潛在滑動面發(fā)生剛性滑動，不考慮變形協調，通過條塊的受力分析計算邊坡穩(wěn)定性安全系數。

在考慮地形變化的極限平衡方法中，做出如下簡化假定：對當前邊坡搜索最不利滑面，得到該滑面的安全系數，即假設巖土體沿此滑面滑出，這是最不利的滑坡情況，將滑面之上的巖土體移除，然后對改變后的坡形再進行一次極限平衡計算，搜索得到另一個滑面，然后再移除，多次循環(huán)，最終可得到邊坡的失穩(wěn)過程。這一計算過程雖然和考慮變形的有限元強度折減法不同，但都可以獲取邊坡漸進破壞發(fā)展的過程。

2 算例分析

2.1 邊坡工程概況

某高速公路K96+540—K96+800邊坡，公路在邊坡中部通過，滑面在公路基礎下30 m?；麦w主要為殘坡積體、全強風化破碎片巖。根據調查的后緣裂縫實測，滑坡后緣裂縫已延伸至1 928 m高程，高出設計高程約70 m?，F場調查也顯示，在擬建公路上緣已產生滑裂縫，下緣有多處擠壓外鼓變形，路基下沉變形明顯，說明該滑坡體還在緩慢變形。

位于K96+540—K96+800段的白濟訊滑坡在邊坡體的中前部，線路通過地段切坡完成后，在抗滑樁+錨索結構施工過程中，坡面和路基均發(fā)現有裂縫和較大沉降變形，說明滑坡一直處在變形之中。根據實測資料，坡體前緣到后緣的水平距離為320 m，坡體高差約140 m，地表平均坡度為24°，是一個較大規(guī)模的滑坡體，見圖1(a)。圖1(b)展示了該滑坡的典型工程地質剖面。

圖1 滑坡地形及地質剖面圖

滑坡體的物質組成主要為松散殘積坡體土層、全強風化破碎片巖，滑床為中風化、微風化的板巖、砂巖、泥巖。通過地質勘察和反分析綜合確定不同狀態(tài)巖土體強度參數見表1。

表1 巖土層強度參數

2.2 基于強度折減法的邊坡變形發(fā)展過程

邊坡失穩(wěn)由前緣開始擴展，逐漸發(fā)展到一個較大的范圍，是典型的牽引式滑坡，其破壞是一個漸進累積破壞過程。在大氣降雨入滲作用下，在滑帶附近，土體的含水率逐漸增加，滑帶巖土強度參數逐漸衰減，這個衰減過程的最大程度，取決于滑帶土的飽和度，最大下降到飽水狀態(tài)強度參數。其中由于地形條件和地下水的淋濾路徑，前緣一般相對于別的位置更容易先期達到飽水狀態(tài)，而滑坡的中前部一般為抗滑段，該段滑面參數的降低對于坡體穩(wěn)定往往影響很大。分別考慮坡體不同部位的巖土體處于不同的軟化階段，即一部分坡體處于飽和抗剪強度，另外的坡體處于正常含水率時的抗剪強度，并分別考慮飽和抗剪強度坡體和正常含水率時的抗剪強度坡體占有不同比例，模擬降雨入滲后坡體的飽和情況。

計算中假設坡體自前部往中后部逐步飽和，相應的巖土強度參數調整成飽水狀態(tài)強度參數，將整個邊坡劃分為5個區(qū)域(見圖2)，40%飽和對應前兩個區(qū)域為飽水狀態(tài)強度參數，其余區(qū)域對應自然強度參數；60%飽和對應前三個區(qū)域為飽水狀態(tài)強度參數，其余區(qū)域對應自然強度參數；100%飽和即全部5個區(qū)域均采用飽水狀態(tài)強度參數。

圖2 邊坡飽和區(qū)域劃分

有限元計算采用Rocscience Phase2軟件，采用彈塑性模型，摩爾-庫侖強度準則，采用強度折減方法計算邊坡安全系數，參考文獻資料，以計算不收斂作為邊坡失穩(wěn)標準。

分為3個幅段(分別為40%飽和、60%飽和、100%飽和)自下而上逐步弱化的計算工況，所得剪切應變云圖揭示邊坡變形特征如圖3所示，不同階段的強度折減安全系數如表2所示。

圖3 邊坡變形漸進過程表2 滑面不同比例飽和強度對邊坡整體穩(wěn)定性的影響

從圖2可知，隨著坡體的逐步飽和，在60%坡體飽和時，剪切應變云圖揭示的變形規(guī)模和勘察獲取的滑動面位置基本相同，在往上滑動面變淺，滑體變薄，這可以說是次一級連續(xù)滑動造成的。從表2可知，原本穩(wěn)定的坡體，在中前部抗滑段達到飽和后，土體自身的抗滑能力極大地削弱，使得坡體不穩(wěn)定。中后部的飽水進一步地削弱了其抗滑能力，但不起控制作用。這充分說明了抗滑段疏排水措施的重要性。只要能保證抗滑段的性質不發(fā)生弱化，阻止第一級破壞的產生，再采取一定的工程加固措施，則坡體能保持穩(wěn)定。

2.3 基于考慮地形變化的極限平衡法的邊坡破壞發(fā)展過程

現場調查發(fā)現邊坡發(fā)育多條拉裂縫，這一特征和牽引式滑動模式相符合。作為這種破壞發(fā)展過程的一種最不利情況，采用考慮地形變化的極限平衡法進行分析，分別考慮滑面不同部位的巖土體處于不同的軟化階段，即一部分滑面處于飽和抗剪強度，另外的滑面處于正常含水率時的抗剪強度，并分別考慮飽和抗剪強度滑面和正常含水率時的抗剪強度滑面占有不同比例，模擬降雨入滲后坡體的飽和情況。

因為邊坡巖土體中沒有控制性的結構面，實際破壞揭示的滑面近似于圓弧，因此極限平衡分析方法選擇嚴格滿足力和力矩平衡的Morgenstern-Price法，采用自動搜索滑面的方式獲取最不利滑動面。

從圖4中可以觀察到滑動面在空間演化過程，安全系數計算結果見表3。對比圖3和圖4，可以發(fā)現兩者滑面規(guī)律相似，分布范圍大致相同。這展示了邊坡的牽引滑動過程，和有限元強度折減方法得到的滑面發(fā)展過程類似。隨著滑體滑出、地形發(fā)生變化，由于前緣阻滑段逐漸滑出，并且?guī)r土體飽和范圍逐漸增加，邊坡的安全系數逐漸下降，邊坡的滑動范圍逐漸向后擴展，當這些潛在滑體全部滑出后，邊坡又達到一個新的平衡狀態(tài)。

圖4 牽引式滑動破壞機制表3 滑面不同比例飽和對邊坡整體穩(wěn)定性的影響

雖然兩種分析方法不同，但安全系數的計算上也有一定的可比性。對比表2和表3可以發(fā)現，初始條件下(40%飽和)，極限平衡法的安全系數略大于有限元強度折減法；隨著巖土體飽和范圍的增加(60%飽和)，邊坡安全系數下降，極限平衡法的安全系數較有限元強度折減法低，主要是相對于強度折減法，阻滑段滑出的滑體使得邊坡抗滑能力降低；隨著巖土體進一步飽和(100%飽和)，邊坡安全系數下降，極限平衡法的安全系數較有限元強度折減法降低較多，主要是相對于強度折減法，阻滑段滑出的滑體使得后部坡體臨空，使得邊坡穩(wěn)定性較大程度下降。

3 結 論

本文通過兩種方法研究了全強風化巖質邊坡在工程開挖條件下失穩(wěn)破壞機制，分別是考慮地形變化的極限平衡方法和考慮坡體變形過程的有限元強度折減方法，極限平衡法中考慮了邊坡失穩(wěn)過程中地形逐漸發(fā)生變化，獲得滑坡發(fā)展過程；有限元強度折減法獲取了坡體的變形發(fā)展過程，兩種分析方法相結合更有助于分析邊坡的失穩(wěn)破壞機制。以某公路邊坡為例，通過兩種方法的組合分析，揭示了邊坡的牽引式滑動破壞機制，建議工程處治措施應重視抗滑段疏排水，防止第一級破壞，可避免破壞范圍擴大，減少工程損失。

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Numerical Simulation of Failure Mechanism of Fully-highly Weathered Rock Slope

LI Damao1，2, ZHANG Guohui1，2, YUAN Conghua3

(1.YunnanProvinceHighwayInvestmentandDevelopmentCo.,Ltd.,Kunming,Yunnan650200,China;2.YunnanXiaomoExpresswayExtensionProjectConstructionHeadquarters,Jinghong,Yunnan666100,China;3.StateKeyLaboratoryofGeomechanicsandGeotechnicalEngineering,InstituteofRockandSoilMechanics,ChineseAcademyofSciences,Wuhan,Hubei430071,China)

Numerical simulation method for slope stability analysis has been paid more and more attention. In this paper the mechanism of slope instability destruction of fully-highly weathered rock mass was investigated based on limit equilibrium method considering topographic development and strength reduction finite element method considering deformation development. It was found that the strength of fully-highly weathered rock mass can be easily softened by water. Great reduction of strength was caused when the front anti-sliding segment was in saturation, which played a key role in the slope stability. The failure mechanism of retrogressive landslide was appeared in the process of slope instability, and the traction developed upwards step by step, which provided the space for deformation. Therefore the first level damage should be prevented and drainage measures should be highly regarded.

slope instability; fully-highly weathered rock; limit equilibrium method; strength reduction method; retrogressive landslide

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.039

2016-12-09

2017-02-04

云南省交通科技項目(云交科教[2016]163號一(三))，(云交科[2014](A)01)；陸地交通氣象災害防治技術國家工程實驗室開放基金項目(NELBP201601)

李大茂(1964—)，男，貴州金沙人，高級工程師，主要從事交通工程管理工作。 E-mail：2298331767@qq.com

TU457

A

1672—1144(2017)02—0205—05