蓉遵高速仁懷—赤水段大石溝邊坡破壞機(jī)理模擬研究

董 巖, 楊根蘭*, 史文兵, 向喜瓊, 姬同旭, 姜思源, 王小明

(1.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院 貴州省喀斯特環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴州 貴陽 550025; 2.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司,貴州 貴陽 550000)

西南地區(qū)是國內(nèi)紅層分布最多、也最具典型的丹霞地貌區(qū),其中貴州地區(qū)的紅層主要分布在赤水一帶,尤為突出的即為丹霞地貌,主要由砂巖、泥質(zhì)粉砂巖與泥巖的互層構(gòu)成,產(chǎn)狀近水平。層狀結(jié)構(gòu)巖體構(gòu)成的邊坡在自然界中最為常見,這類變形體要發(fā)展到失穩(wěn)破壞一般要經(jīng)歷很長時(shí)間[1]。前人利用模擬手段對(duì)軟硬相間結(jié)構(gòu)的邊坡已有一定程度的研究,馮文凱[2]、車彥良[3]等利用底摩擦物理模擬試驗(yàn)對(duì)緩傾層狀邊坡的破壞機(jī)理進(jìn)行模擬研究;宋亞芬等[4]以宜巴高速公路沿途彭家灣軟硬互層邊坡為依托,采用模型箱物理室內(nèi)試驗(yàn)深入探討水對(duì)軟硬互層邊坡穩(wěn)定性的影響。

四川盆地的紅層,是由湖泊或盆地的沉積物沉積形成,其物質(zhì)構(gòu)成的顆粒大小具有從邊緣向內(nèi)部逐漸變小的趨勢。盆中地區(qū)的紅層可溶性物質(zhì)多,顆粒以細(xì)粒為主,抗風(fēng)化能力弱;而盆地邊緣地帶如赤水、習(xí)水地區(qū)的紅層沉積物主要為洪積物,沉積顆粒粗大,水分少,可溶解物質(zhì)少。赤水地區(qū)的紅層較盆中地區(qū)的紅層抗風(fēng)化能力強(qiáng)一些,所以,應(yīng)根據(jù)不同紅層地區(qū)的沉積環(huán)境、巖體特性的差異,對(duì)不同地區(qū)的紅層進(jìn)行系統(tǒng)的研究。

本文以仁懷—赤水段高速路邊大石溝邊坡為例,采用底摩擦模型試驗(yàn)和顆粒流數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,對(duì)貴州典型的近水平軟硬相間紅層邊坡的變形破壞做深入的研究,為赤水丹霞地區(qū)紅層邊坡破壞機(jī)理及其工程性質(zhì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程地質(zhì)條件

圖1 危巖體與凹巖腔發(fā)育部位Fig.1 Development of perilous rock and concave cavity

根據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)及周邊地區(qū)(元厚、旺隆地區(qū))工程經(jīng)驗(yàn),確定原巖的力學(xué)參數(shù)(見表1)。

2 底摩擦物理模擬試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)原理

采用底摩擦試驗(yàn)對(duì)工程斜坡進(jìn)行分析起始于上世紀(jì)70年代。它可以直接觀測和記錄研究對(duì)象的變形、破壞演變過程,通過實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析獲得研究對(duì)象的變形演變過程中各階段的應(yīng)力分布狀態(tài)和由于變形與局部破壞導(dǎo)致的應(yīng)力重分布情況,故今年來有較大發(fā)展。

表1 原巖力學(xué)參數(shù)表Table 1 Mechanical parameters of original rock

物理模擬試驗(yàn)基于相似原理,在研究對(duì)象和模擬試驗(yàn)之間建立相似關(guān)系,確保模型試驗(yàn)中出現(xiàn)的現(xiàn)象與原型相似[2,5-8]。模擬模型與研究對(duì)象之間相似,需要在幾何條件、受力條件和摩擦系數(shù)方面滿足一定的相似關(guān)系。

式中:l為幾何尺寸;γ為材料的容重;f為摩擦系數(shù);下標(biāo)“p”,“m”分別代表原型和模型。上述相似系數(shù)由σR=γRlR及R=1確定[9],σ為應(yīng)力。

底摩擦模型試驗(yàn)需要滿足上述相似條件,利用摩擦力來模擬邊坡在實(shí)際工況下受到的重力場。根據(jù)圣維南原理(Saint-Venant’s Principle),當(dāng)模型足夠薄時(shí),模型受到的摩擦力均勻作用在整個(gè)厚度,可以用摩擦力模擬原型物體在天然狀態(tài)下所受的重力[6](圖2)。

圖2 底摩擦模型試驗(yàn)原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of bottom friction model test principle

底摩擦試驗(yàn)采用貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院的DMC-1000變頻調(diào)速底摩擦模型試驗(yàn)儀(圖3)。

2.2 模型制作

由于斜坡體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,節(jié)理裂隙比較發(fā)育,因此在建立模型時(shí)對(duì)大石溝邊坡進(jìn)行了簡化處理,主要區(qū)分軟弱泥巖與堅(jiān)硬砂巖的差異,并以人工開挖模型的方式模擬邊坡的風(fēng)化卸荷過程。對(duì)大石溝邊坡選取其Ⅰ-Ⅰ′剖面進(jìn)行底摩擦試驗(yàn)(圖4),大石溝邊坡巖層產(chǎn)狀近水平,坡度較陡,原始邊坡總高度大約為30 m,寬大約為29 m,砂巖與泥巖的互層共分為13層。本次試驗(yàn)取幾何相似系數(shù)為43,模型高度為69.8 cm,模型寬度為68.0 cm,厚度為1 cm,以保證模型足夠薄,使得模型所受摩擦力能替代天然狀態(tài)下所受的重力,重度相似系數(shù)取0.88,摩擦系數(shù)為1。

在選擇模型材料時(shí)主要考慮的是模型材料與原巖的內(nèi)摩擦角相近,用正交設(shè)計(jì)確定試驗(yàn)材料的配比。模型材料選擇密度為2.159 g/cm3、配比為68∶20∶12的重晶石粉、膨潤土和石蠟油制成的相似材料來模擬泥巖。選擇密度為2.193 g/cm3、配比為58∶31∶11的重晶石粉、石英砂和石蠟油制成的相似材料來模擬砂巖。

圖4 大石溝邊坡Ⅰ-Ⅰ′剖面圖Fig.4 Ⅰ-Ⅰ′ profile of Dashigou slope1.侏羅系中統(tǒng)上亞組;2.泥巖;3.砂巖;4.剖面線。

2.3 底摩擦試驗(yàn)結(jié)果分析

由于泥巖與砂巖的抗風(fēng)化能力不同,使得泥巖處易形成凹巖腔,凹巖腔形成一個(gè)局部臨空面,從而造成砂巖形成危巖體,在重力的持續(xù)作用下將產(chǎn)生拉裂縫。隨著時(shí)間的推移,拉裂縫繼續(xù)擴(kuò)展、貫通巖層,產(chǎn)生變形破壞。因此,對(duì)于該組實(shí)驗(yàn)采取人工開挖的方式模擬泥巖的風(fēng)化作用,對(duì)砂巖部位和泥巖部位分別采取不開挖、每小時(shí)開挖1 cm的方式進(jìn)行底摩擦試驗(yàn),觀察其變形破壞的過程與形式(圖5)。

圖5 底摩擦模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ妥冃纹茐倪^程Fig.5 Deformation and destructive process of simulation test model of bottom fiction

(1) 當(dāng)?shù)啄Σ羶x轉(zhuǎn)動(dòng)1 h后,以人工開挖1 cm的方式模擬風(fēng)化作用,可以觀察到在模型的左下側(cè)由于局部臨空出現(xiàn)細(xì)微的裂縫,裂隙、層面均處于壓密階段,邊坡基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(2) 在試驗(yàn)進(jìn)行3 h,人工掏蝕2 cm,此時(shí)模型整體處于擠壓階段,這時(shí)可以明顯地看到在第11層出現(xiàn)滑移—壓致拉裂縫,并隨后發(fā)生傾倒性掉塊,同時(shí)也可以觀察到在第3層有細(xì)小的掉塊。

(3) 在試驗(yàn)進(jìn)行6 h,人工掏蝕5 cm,邊坡整體處于裂隙擴(kuò)展階段,這時(shí)第8層的凹巖腔已經(jīng)風(fēng)化得很深,產(chǎn)生了一個(gè)臨空面,位于臨空面上的砂巖同樣也產(chǎn)生了滑移—壓致拉裂縫,隨后坡表處發(fā)生傾倒性掉塊。

(4) 當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到8 h,人工掏蝕7 cm,在第3層的砂巖出現(xiàn)了橫向和豎向的拉裂縫,隨后裂隙繼續(xù)向上擴(kuò)展,與巖體中原本就有的微小裂隙貫通至第2層,當(dāng)凹巖腔發(fā)育到一定的情況時(shí),第2層的泥巖與第3層的砂巖同時(shí)沿著裂隙掉落下來,同時(shí)在坡頂出現(xiàn)卸荷裂隙,當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到大約8.5 h時(shí),坡頂?shù)男逗闪严杜c第2、3層因卸荷產(chǎn)生的裂隙貫通,發(fā)生掉塊。邊坡整體上處于裂隙的擴(kuò)展貫通及坡表傾倒破壞階段。

隨后巖體的變形破壞均以同樣的演化方式進(jìn)行。

3 數(shù)值分析

為了更進(jìn)一步地了解開挖過程中邊坡內(nèi)部的裂隙發(fā)育過程及邊坡的變形破壞特征,采用二維顆粒流數(shù)值模擬方法對(duì)上述剖面進(jìn)行模擬分析。數(shù)值模擬采用顆粒流模擬軟件PFC2D,顆粒流程序軟件與底摩擦試驗(yàn)非常相似,它們都不能夠直接采用原巖力學(xué)參數(shù)設(shè)定邊坡各巖層的物理力學(xué)參數(shù),而是需要通過數(shù)值試驗(yàn)得到基于接觸模型的細(xì)觀參數(shù)來設(shè)定各巖層的物理力學(xué)參數(shù),以保證數(shù)值模擬所得到的結(jié)果與原型所發(fā)生的結(jié)果相似。

由大石溝邊坡Ⅰ-Ⅰ′剖面圖(圖4)建立實(shí)體地質(zhì)模型,在顆粒流數(shù)值模擬軟件中選取平行粘結(jié)模型,即在顆粒間填充具有膠合性的材料,使得兩個(gè)顆粒之間形成接觸。通過使用“wall+import”命令導(dǎo)入dxf建立邊坡外輪廓模型,這樣可以固定出所建立模型的區(qū)域,以便在固定區(qū)域里面使用“ball+distribute”命令填充生成55 000多顆半徑在0.6～0.996 mm的二維圓盤顆粒,然后利用ball+group進(jìn)行分組,得出的模型如圖6所示。

初期開挖后,由于卸荷回彈,引起應(yīng)力的重分布,且應(yīng)力的重新分布又具有差異性,在坡腳處形成應(yīng)力集中帶,在力鏈圖(圖7)中可以觀測到產(chǎn)生了大量的壓致拉裂縫,坡腳處巖體局部破壞。

圖7 模型初期開挖后數(shù)值模擬結(jié)果Fig.7 Numerical simulation after excavation of initial stage

圖8 試驗(yàn)3 h后數(shù)值模擬結(jié)果Fig.8 Numerical simulation after 3 hours of experiment

圖9 實(shí)驗(yàn)5 h后數(shù)值模擬結(jié)果Fig.9 Numerical simulation after 5 hours of experiment

圖6 大石溝邊坡Ⅰ-Ⅰ′剖面圖數(shù)值模型Fig.6 Ⅰ-Ⅰ′ profile numerical model of Dashigou slope

試驗(yàn)進(jìn)行3 h后,由于模擬開挖形成的凹巖腔,造成上部巖體臨空,產(chǎn)生傾向坡內(nèi)的局部拉裂隙,在力鏈圖中也可以在泥巖層中見到由于上部巖體重力作用的擠壓產(chǎn)生的很多壓致拉裂縫。巖體向臨空方向彎曲,邊坡后緣產(chǎn)生拉裂縫(圖8)。

試驗(yàn)進(jìn)行5 h后,裂隙逐漸擴(kuò)大,坡頂處的裂縫向下延伸,坡體中的裂縫向周圍延伸,具有貫通的趨勢(圖9)。

隨著開挖繼續(xù)進(jìn)行,試驗(yàn)進(jìn)行到6 h,坡體中原有的裂隙擴(kuò)大并產(chǎn)生了很多新的裂隙,坡體中的裂縫逐漸貫通(圖10)。

圖10 裂隙貫通模型圖Fig.10 Model chart of fracture penetration

圖11 發(fā)生傾倒性破壞Fig.11 Dumping failure

當(dāng)坡體中的巖橋貫通后,形成貫通性裂縫,構(gòu)成臨空面。很快,裂縫外側(cè)的巖體向外發(fā)生傾倒性破壞(圖11),其結(jié)果如圖12所示。

圖12 傾倒性破壞后的數(shù)值模型圖Fig.12 Numerical simulation diagram of dumping failure

從數(shù)值模擬中可以看出,邊坡的變形演化過程為:坡腳處應(yīng)力集中產(chǎn)生壓致拉裂縫→坡緣、坡體中產(chǎn)生拉裂縫→裂隙貫通→發(fā)生傾倒性破壞。

4 結(jié)論

(1) 在底摩擦試驗(yàn)中,以人工開挖的方式模擬風(fēng)化作用,通過觀察模型在試驗(yàn)過程中的現(xiàn)象,可以發(fā)現(xiàn)天然狀態(tài)下的模型變形破壞演化過程主要為:裂隙、層面均處于壓密階段→泥巖處產(chǎn)生凹巖腔并且不斷地?cái)U(kuò)大→砂巖處產(chǎn)生滑移—壓致拉裂縫→砂巖發(fā)生傾倒性掉塊(也即產(chǎn)生傾倒性破壞)。

(2) 天然狀態(tài)下的數(shù)值模擬圖中,邊坡的變形演化過程為:坡腳處應(yīng)力集中產(chǎn)生壓致拉裂縫→坡緣、坡體中產(chǎn)生拉裂縫→裂隙貫通→發(fā)生傾倒性破壞。

(3) 物理模擬試驗(yàn)由于受材料、人為因素的影響,而數(shù)值模擬受標(biāo)定參數(shù)的影響,可能導(dǎo)致二者在變形破壞演化過程中可能不能夠完全一致,但是其破壞的形式還是大體一致的。

(4) 對(duì)于結(jié)構(gòu)面較發(fā)育的邊坡破壞過程的模擬,離散元顆粒流數(shù)值模擬方法對(duì)其破壞—分解—運(yùn)動(dòng)過程有很好的模擬效果,對(duì)于三維可視化的顆粒流動(dòng)態(tài)模擬過程還有待進(jìn)一步研究。