有限元法在巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用示例

常思源　陳柘舟　柴利杰　劉建凱　趙晨曦　楊艷峰　劉明坤

摘 要：本文討論了巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)破壞的成災(zāi)機(jī)理及影響因素，對邊坡穩(wěn)定性分析的常規(guī)方法進(jìn)行了分析比較，提出邊坡內(nèi)部應(yīng)力水平和分布是影響邊坡穩(wěn)定性的決定性因素。以北京門頭溝山區(qū)某一滑移式崩塌隱患點(diǎn)為研究對象，采用有限元數(shù)值模擬方法分析比較軟弱夾層對邊坡體內(nèi)應(yīng)力、應(yīng)變場的影響，說明了巖質(zhì)邊坡由軟弱夾層及其強(qiáng)度指標(biāo)所決定的重力破壞機(jī)理，并對有限元數(shù)值方法存在的不足和問題提出思考。

關(guān)鍵詞：巖質(zhì)邊坡;破壞機(jī)理;穩(wěn)定性分析;軟弱結(jié)構(gòu)面;數(shù)值模擬;有限元法

Abstract： This paper introduces the mechanism and influencing factors of rock slope instability and failure， analyzes and compares the conventional methods for slope stability analysis. It is proposed that the internal stress level and distribution of the slope are the decisive factors affecting the stability of the slope. The influence of weak interlayer on the stress and strain field in a rock slope with potential collapse in the Mentougou area in Beijing are analyzed by finite element method. The analysis results reveal that the gravity failure of a rock slope is determined by weak structures and their strength. At last， the shortcomings and problems of the finite element numerical method are pondered.

Keywords： rock slope; failure mechanism; stability analysis; weak structural plane; numerical simulation; finite element method

0 引言

隨著城市規(guī)模擴(kuò)大以及城市路網(wǎng)向周邊山區(qū)輻射延伸，人類工程活動需對山體開挖，形成人工巖（土）質(zhì)邊坡。以北京地區(qū)為例，北京地處太行山山脈和燕山山脈交匯處，地形和地質(zhì)條件復(fù)雜，地質(zhì)構(gòu)造非常發(fā)育，巖層風(fēng)化破碎嚴(yán)重，新構(gòu)造運(yùn)動頻繁，加之人類活動劇烈，致使北京地區(qū)地質(zhì)環(huán)境比較脆弱，地質(zhì)災(zāi)害較為發(fā)育，且災(zāi)種多，群發(fā)性強(qiáng)（趙忠海，2009）。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2019年5月31日（黃來源，2020），北京市突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)5037處，其中崩塌隱患2609處，占51.8%。2014—2016年間發(fā)生崩塌災(zāi)害共37次，巖質(zhì)邊坡崩塌32次，巖體一般順坡坡度40°～65°，且多發(fā)于汛期。例如2016年7月房山河北鎮(zhèn)108國道復(fù)線9 km+720～770 m發(fā)生的滑移式崩塌，造成道路堵塞及該段路面、護(hù)欄、水管等設(shè)施損毀。2016年8月，房山霞云嶺鄉(xiāng)莊戶臺村臺兒港溝口西北側(cè)發(fā)生滑移式崩塌災(zāi)害，掩埋房屋7間，損毀10間。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，自新中國成立以來，北京山區(qū)崩（滑）塌災(zāi)害直接造成35人死亡，700多間房屋被毀，大量農(nóng)田、樹木被毀，其相當(dāng)比例的災(zāi)后堆積物更是直接成為泥石流發(fā)生所需的物質(zhì)來源（賈三滿等，2017）。

以崩塌發(fā)生模式來看，北京山區(qū)崩塌災(zāi)害以傾倒式和滑移式最為常見，分別占崩塌隱患總數(shù)的34.6 %和33.6 %（韓建超，2020）。其中滑移式崩塌是一種發(fā)生頻率較高的山區(qū)突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害。當(dāng)邊坡坡體有軟弱結(jié)構(gòu)面（體）存在時(shí)，當(dāng)其傾向與坡向相同時(shí)，軟弱結(jié)構(gòu)面上覆的不穩(wěn)定巖體在重力作用下具有向臨空面滑移的趨勢，不穩(wěn)定巖體的重心滑出陡坡，就會產(chǎn)生突然的崩塌（潘懋等，2002）。該災(zāi)害多發(fā)育于堅(jiān)硬、性脆、構(gòu)造節(jié)理發(fā)育的砂巖、花崗巖、石英巖、碳酸鹽巖中，具分布散、規(guī)模小，受水力作用影響較大且多發(fā)于汛期等特點(diǎn)。

為更好的對邊坡隱患進(jìn)行防治，應(yīng)綜合考慮巖質(zhì)邊坡的破壞類型、規(guī)模、影響范圍等諸多因素，采取適宜的分析方法深入研究邊坡的破壞形式和破壞機(jī)理，對邊坡穩(wěn)定性做出科學(xué)、客觀、可靠的分析評價(jià)，選取有效的防止措施，避免造成人民生命財(cái)產(chǎn)安全的損失，提高工程的經(jīng)濟(jì)效益。

1 邊坡地質(zhì)災(zāi)害形成機(jī)理分類及邊坡穩(wěn)定性影響因素

1.1 邊坡地質(zhì)災(zāi)害形成機(jī)理分類

巖質(zhì)邊坡的破壞形式主要為滑坡和崩塌兩種類型，成災(zāi)機(jī)理有相似的地方又存在很多不同，巖質(zhì)邊坡成為災(zāi)害隱患，具有許多復(fù)雜的成因，災(zāi)害成因受自身巖體結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度、自然外力和人類活動等多方面因素影響，但其實(shí)質(zhì)是多方因素綜合作用的結(jié)果，其破壞機(jī)理與邊坡巖體的變形及應(yīng)力分布、應(yīng)變水平有緊密聯(lián)系，根據(jù)的形成機(jī)理可按表1、表2進(jìn)行分類。

滑坡：可根據(jù)滑坡體的物質(zhì)組成、形成原因及滑動形式對滑坡進(jìn)行分類，較典型的巖質(zhì)邊坡的滑坡分類見表1。

崩塌：崩塌多發(fā)生在陡峭邊坡地段，一般坡度大于55°，高陡巖質(zhì)邊坡在在節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，各種軟弱結(jié)構(gòu)面的組合位于不利情況下，極易發(fā)生崩塌。典型的巖質(zhì)邊坡崩塌分類可見表2。

1.2 邊坡穩(wěn)定性影響因素

（1）巖體結(jié)構(gòu)

巖體結(jié)構(gòu)是決定失穩(wěn)形式的影響因素中最直接和重要的因素（陳祖煜，1998）。巖體結(jié)構(gòu)可分為塊狀、層狀、碎裂、松散4大類（谷德振，1979）。

松散結(jié)構(gòu)：巖性同破碎結(jié)構(gòu)基本一致，巖體多為泥土夾體積較小的破碎巖塊構(gòu)成，軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育成網(wǎng)狀。邊坡穩(wěn)定性差，邊坡穩(wěn)定性主要受巖體的抗剪強(qiáng)度控制。

破碎結(jié)構(gòu)：巖性可為構(gòu)造影響帶、破碎帶、蝕變帶或風(fēng)化破碎的各種巖石，巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育，分布無規(guī)則，破碎的巖塊間存在咬合力。邊坡穩(wěn)定性一般較差，穩(wěn)定性受巖塊間的摩擦力及咬合力控制。

層狀結(jié)構(gòu)：巖性一般為沉積巖、層狀變質(zhì)巖或多次噴發(fā)的巖漿巖，巖體多成互層狀，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，軟弱夾層或?qū)娱g錯(cuò)動多為貫穿結(jié)構(gòu)面。邊坡穩(wěn)定性受包括巖層走向、巖層與坡面夾角、巖層傾角組合、巖層厚度、層間結(jié)合能力、反傾結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度及強(qiáng)度等因素控制。

塊狀結(jié)構(gòu)：巖性一般為巖漿巖、中深變質(zhì)巖、厚層沉積巖，巖體成塊狀或厚層狀，結(jié)構(gòu)面不發(fā)育，多為剛性結(jié)構(gòu)面。所形成的邊坡穩(wěn)定條件好，易形成高陡邊坡，失穩(wěn)破壞形式多為沿某一組結(jié)構(gòu)面崩塌或滑動，邊坡穩(wěn)定性受結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度和巖石抗剪強(qiáng)度控制。

（2）水作用

多數(shù)失穩(wěn)破壞都與水有關(guān)，水的作用主要為物理、化學(xué)作用及力學(xué)效應(yīng)。

物理作用包括：潤滑、軟化、泥化、強(qiáng)化結(jié)合水等作用;化學(xué)作用包括離子交換、氧化還原、水解、溶蝕及滲透作用等;力學(xué)作用主要為靜水、動水壓力。三種作用相互耦合，改變巖土體結(jié)構(gòu)，對巖體受力過程產(chǎn)生復(fù)雜影響。

（3）振動外力作用

振動外力包括地震引起的地震力及爆破、機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)引起的振動力。地震、爆破、機(jī)械振動作用表現(xiàn)為累積效應(yīng)及觸發(fā)效應(yīng)，累積作用引發(fā)巖體松動、軟弱破碎面相對位移增大，孔隙水壓力上升等。觸發(fā)作用導(dǎo)致處于臨界狀態(tài)的邊坡瞬間失穩(wěn)。

（4）其他作用

人類活動作用：主要表現(xiàn)為人類的工程活動對邊坡穩(wěn)定的影響，從而改變邊坡的幾何形態(tài)（高度、坡度、形狀）和受力狀態(tài)（堆載、卸荷）。

風(fēng)化作用：邊坡巖體受到后期風(fēng)化作用，造成巖體強(qiáng)度降低、裂隙增加，從而影響邊坡的穩(wěn)定性，巖體裂隙在進(jìn)一步風(fēng)化時(shí)，可致使巖土體脫落、崩塌、滑移等發(fā)生。

氣候作用：主要表現(xiàn)為溫差、降雨、降雪及凍融等作用，這些因素會加速邊坡巖體風(fēng)化，進(jìn)而造成邊坡失穩(wěn)。

2 巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析評價(jià)方法

當(dāng)前邊坡穩(wěn)定性分析的主流方法可分為定性分析方法和定量分析方法兩大類（張麗等，2007）。

（1）定性分析方法

定性分析方法中比較有代表性的是赤平投影法、邊坡類比法、坡率法。

赤平投影法：赤平投影法是圖解法中較為經(jīng)典且廣泛應(yīng)用的方法，該方法以巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性影響因素中的巖體結(jié)構(gòu)面（特別是軟弱結(jié)構(gòu)面）作為分析對象，在邊坡勘查、測繪等工作基礎(chǔ)上，對巖體結(jié)構(gòu)面和邊坡臨空面產(chǎn)狀的空間幾何關(guān)系進(jìn)行定性分析，進(jìn)一步考慮結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)和發(fā)育程度，對邊坡穩(wěn)定性做出定性判斷。

邊坡類比法：該方法主要根據(jù)邊坡高度H、坡面投影長度L來進(jìn)行類比計(jì)算，取同種邊坡調(diào)查統(tǒng)計(jì)獲得已知2組以上數(shù)據(jù)，根據(jù)已知邊坡的穩(wěn)定性，按關(guān)系式H=aLb統(tǒng)計(jì)確定常數(shù)a、b，確定擬建邊坡設(shè)計(jì)的允許坡度。

坡率法：該方法根據(jù)相應(yīng)規(guī)范查表，確定邊坡坡率允許值，將邊坡坡率允許值與邊坡實(shí)際坡率進(jìn)行對比，從而確定邊坡穩(wěn)定性的分析評價(jià)方法。

赤平投影法作為一種應(yīng)用較為廣泛的定性分析法，根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)面、軟弱結(jié)構(gòu)面和臨空面的空間幾何關(guān)系來判斷穩(wěn)定或失衡趨勢。通過對眾多邊坡災(zāi)害的成因分析，災(zāi)害的發(fā)生往往是由于軟弱結(jié)構(gòu)體（面）最先達(dá)到臨界破壞強(qiáng)度，導(dǎo)致邊坡整體失穩(wěn)，進(jìn)而破壞成災(zāi)。邊坡類比法和坡率法是通過邊坡的外部幾何形狀等參數(shù)與邊坡穩(wěn)定性的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或規(guī)范約定條件進(jìn)行比對，進(jìn)而判定邊坡穩(wěn)定分析。

（2）定量分析方法

極限平衡法為目前應(yīng)用最多的定量分析方法，將邊坡按一定條件劃分為規(guī)則塊體，分析每一塊體的受力平衡條件并建立平衡方程，以求解安全系數(shù)來判別邊坡是否穩(wěn)定，主要包括圓弧滑動法（主要用于土質(zhì)邊坡分析）、平面滑動法、折線滑動法等，用上述方法求解邊坡穩(wěn)定性系數(shù)（通常為抗滑力（力矩）與下滑力（力矩）的比值），當(dāng)穩(wěn)定性系數(shù)大于某一臨界值（該系數(shù)確定需根據(jù)邊坡類型、安全等級或工程經(jīng)驗(yàn)確定，一般大于1.0）時(shí)，邊坡為穩(wěn)定狀態(tài)，等于1時(shí)為臨界平衡狀態(tài)，小于1時(shí)為欠穩(wěn)定或不穩(wěn)定狀態(tài)。

極限平衡法綜合考慮邊坡幾何形態(tài)、巖體強(qiáng)度指標(biāo)、軟弱結(jié)構(gòu)體（面）摩擦力等諸多影響因素對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。該方法積累了大量工程經(jīng)驗(yàn)，并以工程實(shí)踐完善了計(jì)算參數(shù)的選取和修正，被證實(shí)是可行、可靠的邊坡穩(wěn)定性分析工作方法。但是該方法忽略了邊坡內(nèi)部應(yīng)力場分布、應(yīng)力水平對邊坡穩(wěn)定性的影響，僅從下滑力（力矩）與抗滑力（力矩）的比值是否大于安全系數(shù)來判定邊坡是否穩(wěn)定，因此該方法仍具有一定的局限性。

（3）有限元法

近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，邊坡穩(wěn)定性分析的數(shù)值分析方法也在不斷進(jìn)步。尤其是計(jì)算分析軟件中對于巖土體本構(gòu)關(guān)系描述的不斷改進(jìn)，使得邊坡穩(wěn)定有限元數(shù)值模擬分析方法的功能越來越強(qiáng)。

采用有限元數(shù)值模擬方法進(jìn)行穩(wěn)定性分析，特別是三維模擬，不僅可以模擬復(fù)雜地層的應(yīng)變相容性、靜力許可以及本構(gòu)關(guān)系，而且在建模和分析過程中可以較為充分納入坡體幾何形狀、巖層不均勻性的影響。應(yīng)用有限元方法求解分析主要涉及位移場、應(yīng)力場兩個(gè)場變量，主要分析步驟為：（1）連續(xù)體的離散化;（2）模型位移函數(shù)的確定;（3）根據(jù)實(shí)際邊坡建立有限元模型;（4）將離散化單元集合成系統(tǒng)方程組;（5）求出各節(jié)點(diǎn)位移;（6）求出各單元的應(yīng)力應(yīng)變。

通過上述過程，即可將邊坡體的位移、應(yīng)力分布以數(shù)值和等值線圖的方式表達(dá)，以供技術(shù)工程人員對邊坡進(jìn)行分析。

3 有限元法邊坡穩(wěn)定性模擬應(yīng)用實(shí)例

3.1 研究分析思路

定性、定量分析方法無法對邊坡應(yīng)力水平及分布進(jìn)行解答，更無法了解軟弱結(jié)構(gòu)體（面）對邊坡應(yīng)力場的影響。而有限元法求解可以輸出位移、內(nèi)力（彎矩）、應(yīng)力、應(yīng)變計(jì)算結(jié)果，從而對邊坡應(yīng)力場進(jìn)行分析和評價(jià)。

為說明軟弱結(jié)構(gòu)面（體）強(qiáng)度對邊坡應(yīng)力場及應(yīng)力分布的影響，本節(jié)實(shí)例研究的思路為：1）建立兩種類型的邊坡分析模型（模型Ⅰ—無軟弱夾層均質(zhì)巖體;模型Ⅱ—含軟弱夾層的非均質(zhì)巖體）;2）在相同荷載（重力）、邊界條件下，求解模型Ⅰ、模型Ⅱ的位移、應(yīng)變、應(yīng)力水平;3）通過對比分析說明軟弱結(jié)構(gòu)面（體）存在對邊坡應(yīng)力分布和應(yīng)力水平的影響。

3.2 分析模型建立

以門頭溝南雁路某處巖質(zhì)邊坡隱患點(diǎn)為研究對象，建立模型。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際勘查及《門頭溝區(qū)南雁路邊坡地質(zhì)災(zāi)害隱患防治工程地質(zhì)調(diào)查及穩(wěn)定性分析告》，該邊坡現(xiàn)狀為巖質(zhì)斜坡，現(xiàn)狀邊坡坡面（261°∠39°～58°），總長約33.6 m，最大坡高約為23.0 m，坡頂表層為植被覆蓋。邊坡巖性為閃長玢巖，臨空面巖體完整性表現(xiàn)為較破碎—破碎，巖體內(nèi)節(jié)理裂隙和劈理等各級結(jié)構(gòu)面發(fā)育—較發(fā)育，裂隙寬度1.0～3.0 cm，最大裂隙寬度達(dá)6.0 cm左右，巖體呈強(qiáng)風(fēng)化—中等風(fēng)化狀。邊坡巖體結(jié)構(gòu)以碎裂結(jié)構(gòu)為主，局部表現(xiàn)為塊體結(jié)構(gòu)。邊坡現(xiàn)狀見圖1。

經(jīng)現(xiàn)場勘查，該邊坡坡面巖體受卸荷節(jié)理切割及風(fēng)化作用使結(jié)構(gòu)面和巖體抗剪強(qiáng)度降低，巖體裂隙發(fā)育，軟硬巖體相間，硬質(zhì)巖體為強(qiáng)風(fēng)化—中風(fēng)化玢巖，軟弱巖層為全風(fēng)化—強(qiáng)風(fēng)化玢巖，現(xiàn)狀邊坡坡面產(chǎn)狀為261°∠39°～58°，軟弱巖體為順坡，主要產(chǎn)狀為243°∠11°～17°，該邊坡有發(fā)生滑移式崩塌的潛在危險(xiǎn)，破壞機(jī)理為軟硬交界面（潛在滑面）剪切破壞。

數(shù)值模型幾何尺寸同實(shí)際一致，邊坡寬度33.6 m，坡面水平投影長度23.1 m，坡高23.0 m，坡度1∶0.9～1∶1.2，傾角約39°～58°。模型幾何尺寸、坡面角度、軟弱結(jié)構(gòu)層分布位置與實(shí)際測繪數(shù)據(jù)基本一致，由于邊坡兩側(cè)缺少測繪數(shù)據(jù)且不影響邊坡整體穩(wěn)定性，為便于計(jì)算收斂，將邊坡兩側(cè)概化為直斜面，將實(shí)際坡面、軟弱結(jié)構(gòu)層面擬合為曲面。同時(shí)忽略風(fēng)化作用造成的巖體強(qiáng)度不均性及其他結(jié)構(gòu)面對巖體分割影響，僅考慮主要軟弱結(jié)構(gòu)層（軟弱夾層）存在對應(yīng)力場變化影響。由于缺少現(xiàn)場試驗(yàn)，邊坡數(shù)值分析模型計(jì)算參數(shù)主要依據(jù)工程地質(zhì)手冊（2007）及GB 50330-2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》綜合取值，計(jì)算參數(shù)見表3。

模型計(jì)算荷載僅考慮重力，邊界約束條件將坡背、坡底按固定約束考慮限制位移及轉(zhuǎn)動;坡側(cè)按鉸約束考慮，限制位移。實(shí)體模型見圖2，單元劃分采用高階單元劃分，數(shù)值模型見圖3（單元體尺寸0.6～1.1 m3，共劃分單元7637個(gè)，節(jié)點(diǎn)1637個(gè)）。

3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.3.1位移變形結(jié)果

（1）模型Ⅰ位移變形結(jié)果

圖4表明位移變形最大區(qū)域?yàn)槠履_紅色區(qū)域，計(jì)算最大變形為：0.00698 m。位移等值線可見圖4，實(shí)際位移量較小，為便于觀察位移方向及位移量，將圖4位移量按2.5倍進(jìn)行趨勢放大后見圖5（僅視覺效果，無數(shù)值變化），位移矢量見圖6。

圖4至圖6表明，無軟弱結(jié)構(gòu)體的均質(zhì)巖體邊坡的變形最大位置位于坡腳位置附近，變形方向近垂直于底面，具下位移的趨勢，主要變形為壓縮變形。次要變形為坡面位移，根據(jù)圖6箭頭所示方向，變形方向?yàn)轫樒孪蛳?，位移方向水平夾角約為50°～60°，較邊坡傾角（39°～58°）傾斜8°～11°。當(dāng)邊坡巖體按均質(zhì)考慮時(shí)，變形特征類似于具有較高抗剪強(qiáng)度（黏聚力、摩擦角）的均質(zhì)土邊坡。

（2）模型Ⅱ位移變形結(jié)果

位移等值線可見圖7，位移量按2.5倍進(jìn)行趨勢放大后見圖8，位移矢量見圖9。根據(jù)圖7至圖9顯示，位移變形最大區(qū)域?yàn)檐浫鯅A層上緣部位，計(jì)算最大變形為：0.00628 m。

圖7至圖9表明，含軟弱結(jié)構(gòu)的邊坡的最大變形位移位于軟弱結(jié)構(gòu)層上緣坡面處，最大位移方向與軟弱結(jié)構(gòu)層位置順坡方向基本一致，滑移方向順坡向外，滑移角度約為37°～43°，介于軟弱結(jié)構(gòu)層傾角與該處坡面傾角之間，邊坡由軟弱結(jié)構(gòu)層分割成上下兩部分，上部位移量較大，具明顯向順坡面滑移的趨勢。

3.3.2剪切應(yīng)變結(jié)果

（1）模型Ⅰ剪切應(yīng)變結(jié)果

根據(jù)圖10、圖11，邊坡的最大剪切應(yīng)變出現(xiàn)于坡頂，最大剪切應(yīng)變0.00157988（無量綱），該處為最大剪切應(yīng)變位置與實(shí)際情況不符，經(jīng)分析可知這是由于坡背為固定約束端邊界條件設(shè)定所致。

坡腳位置的剪切應(yīng)變次之，位置與位移變形最大位置接近，剪切應(yīng)變?yōu)?.00128396（無量綱）。坡面位置剪切應(yīng)變最小，剔除坡背為最大剪切應(yīng)變出現(xiàn)的情況，該結(jié)果與實(shí)際情況較為相符。

（2）模型Ⅱ剪切應(yīng)變結(jié)果

根據(jù)剪切等值線云圖12、圖13，由于軟弱結(jié)構(gòu)層（軟弱夾層）強(qiáng)度低，最大剪切應(yīng)變出現(xiàn)于軟弱結(jié)構(gòu)層底部臨空部位，最大剪切應(yīng)變?yōu)?.00203039（無量綱），該結(jié)果與實(shí)際情況比較接近。同時(shí)坡背的剪切應(yīng)變也較大，這是由于坡背設(shè)定為固定端約束邊界條件的原因，該結(jié)果與實(shí)際情況不符。

3.3.3 數(shù)值模擬結(jié)果對比分析

無軟弱結(jié)構(gòu)層（軟弱夾層）時(shí)存在，邊坡最大變形位移位于坡腳位置，位移方向幾乎垂直底面，主要為壓縮變形。邊坡次要變形位于坡面下緣，位移方向幾乎與坡面順坡方向平行，位移量與邊坡幾何形狀及巖體強(qiáng)度有關(guān)。

坡腳位置為剪切應(yīng)變最大，該處受上部巖體的擠壓、剪切作用可能發(fā)生剪切破壞。坡面位置剪切應(yīng)變相對較小，易受下部巖體的張拉作用，可能發(fā)生拉應(yīng)力破壞。

當(dāng)軟弱結(jié)構(gòu)層（軟弱夾層）存在時(shí)，邊坡最大變形位置為軟弱結(jié)構(gòu)層上緣坡面處，由于軟弱結(jié)構(gòu)層強(qiáng)度較低，該位置受力后位移十分明顯，位移量及位移方向與軟弱結(jié)構(gòu)層空間位置、幾何尺寸、強(qiáng)度指標(biāo)有直接關(guān)聯(lián)。

根據(jù)剪切應(yīng)變等值云圖，軟弱結(jié)構(gòu)底部臨空部位為剪切高應(yīng)力區(qū)域，軟弱結(jié)構(gòu)內(nèi)剪切應(yīng)變水平遠(yuǎn)高于其他位置。當(dāng)邊坡存在軟弱結(jié)構(gòu)層（軟弱夾層）時(shí)，由于其強(qiáng)度較低原因，邊坡內(nèi)應(yīng)力場重分布將由軟弱結(jié)構(gòu)層（軟弱夾層）主導(dǎo)，軟弱結(jié)構(gòu)層（軟弱夾層）率先達(dá)到變形條件，邊坡內(nèi)應(yīng)力場重分布與變形同步進(jìn)行，至變形直至破壞后，應(yīng)力場重分布停止。

3.4 破壞機(jī)理分析

天然巖體在其漫長的形成過程中，隨著時(shí)間積累，在缺少外力作用條件下，其自身應(yīng)力場不斷趨于穩(wěn)定。經(jīng)過人工開挖或地質(zhì)活動等外力介入后，形成具有一定的高度和坡度的邊坡，原有應(yīng)力狀態(tài)被改變，內(nèi)部應(yīng)力場進(jìn)行重新調(diào)整分布。

根據(jù)第3.2節(jié)數(shù)值模擬結(jié)果表明，假定邊坡巖體無軟弱結(jié)構(gòu)層（軟弱夾層）存在時(shí)，坡頂處受到下部巖體的張拉作用，坡頂處主應(yīng)力為張拉應(yīng)力，強(qiáng)度控制指標(biāo)主要為巖體抗拉強(qiáng)度;坡腳處受上部巖體的擠壓、剪切作用，其主應(yīng)力為壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力，強(qiáng)度控制指標(biāo)主要為巖體抗壓、抗剪強(qiáng)度。

當(dāng)其他條件不變時(shí)，巖體邊坡存在軟弱結(jié)構(gòu)層（軟弱夾層）時(shí)，邊坡穩(wěn)定性的強(qiáng)度控制指標(biāo)主要由軟弱結(jié)構(gòu)層（軟弱夾層）的抗剪切強(qiáng)度水平?jīng)Q定，由于軟弱結(jié)構(gòu)層（軟弱夾層）強(qiáng)度較低，造成邊坡巖體內(nèi)應(yīng)力分布不連續(xù)，破壞應(yīng)力從該處釋放，從而造成邊坡失穩(wěn)破壞，以滑移式崩塌災(zāi)害形式出現(xiàn)。

在實(shí)際工程中，邊坡失穩(wěn)破壞的原因錯(cuò)綜復(fù)雜，是多種原因的耦合作用造成。但究其本質(zhì)，其破壞機(jī)理可概括為：應(yīng)力場重分布后，破壞應(yīng)力（張拉、擠壓、剪切等）作用大于邊坡巖體的強(qiáng)度時(shí)，即進(jìn)入臨界狀態(tài)或發(fā)生失穩(wěn)破壞。

4 幾點(diǎn)認(rèn)識和思考

（1）邊坡穩(wěn)定性有限元數(shù)值模擬分析的結(jié)果表明，邊坡巖體的應(yīng)力較大部位為坡頂、坡角及軟弱結(jié)構(gòu)層處，當(dāng)邊坡呈現(xiàn)失穩(wěn)（或臨界狀態(tài)時(shí)），上述3個(gè)區(qū)域應(yīng)有明顯的變形，如：張拉裂縫、擠壓裂隙或剪切破碎帶等。所以，坡頂、坡角、軟弱結(jié)構(gòu)層處的破壞跡象應(yīng)為勘查工作的重點(diǎn)。

（2）作為定性分析方法、定量分析方法的一個(gè)重要補(bǔ)充，有限元法可應(yīng)用于求解巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性問題，數(shù)值模擬結(jié)果可揭示邊坡破壞機(jī)理和破壞形式，可為邊坡穩(wěn)定性分析和評價(jià)提供依據(jù)。但在實(shí)際工程應(yīng)用中，在分析模型中選取的參數(shù)有別于定性、定量分析法，有限元法需要更為全面、細(xì)致的邊坡幾何、物理力學(xué)參數(shù)，以滿足更加貼近真實(shí)的邊界條件和耦合條件。

（3）巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性受內(nèi)外雙重因素影響，內(nèi)部因素包括結(jié)構(gòu)面的空間分布、巖性強(qiáng)度及強(qiáng)度差異等，外部因素有人類工程活動、風(fēng)化作用、雨水侵蝕等。在內(nèi)外雙重作用下，巖質(zhì)邊坡工程性質(zhì)十分復(fù)雜。這就需要模型建立過程中對特定的影響因素進(jìn)行概化處理，優(yōu)化模型及算法，使得計(jì)算結(jié)果更加接近于實(shí)際情況，這需要大量的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)及軟件自身算法的優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)。

（4）巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定分析是很復(fù)雜問題，相對于廣泛應(yīng)用的定性、定量分析方法，有限元法是一個(gè)理論上更為完備的分析方法，但對邊坡巖土體的幾何參數(shù)和物理力學(xué)參數(shù)有更高的要求。當(dāng)前的多種工作方法各有利弊，但無高下之分，采用單一工作方法時(shí)，不免有失偏頗，出現(xiàn)片面的結(jié)論。綜合運(yùn)用多種方法分析，揚(yáng)長避短，以得到更加客觀科學(xué)和可靠的結(jié)論，更好解決工程問題。

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