重力作用下順層巖質(zhì)邊坡破壞機理數(shù)值模擬研究

閆佐菲，曾令強

(1.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 710064；2.北京市地質(zhì)基礎(chǔ)工程公司，北京 101500)

0 引言

巖體中的結(jié)構(gòu)面(如層面和節(jié)理等)是降低巖體強度和大變形的主要因素，尤其對于順層巖質(zhì)邊坡來說，結(jié)構(gòu)面對其穩(wěn)定性的影響不容忽視。順層邊坡是指巖層走向和傾向和邊坡坡面一致的邊坡。實際工程中，常將走向與巖層走向夾角小于20°、層面傾向與邊坡傾向接近的邊坡視為順層邊坡[1-3]。順坡結(jié)構(gòu)面的存在及其特征對于邊坡的變形和破壞方式及規(guī)模具有決定性的控制作用。無論從位移、拉應(yīng)力區(qū)還是屈服區(qū)的分布特點來看，順坡結(jié)構(gòu)面在很大程度上削弱了巖體的穩(wěn)定性[4]。

近年來國內(nèi)諸多學(xué)者和專家通過工程實踐、數(shù)值計算分析、模型試驗等方法，對于順層邊坡破壞模式、巖移機理等的研究已經(jīng)取得了一些成果，但這些經(jīng)驗有很大的局限性[5-6]。在工程領(lǐng)域的土質(zhì)邊坡設(shè)計分析和穩(wěn)定性評價中，一般依據(jù)各向同性介質(zhì)理論，采用極限應(yīng)力法確定近似圓弧滑面作為邊坡穩(wěn)定性計算和設(shè)計參數(shù)選擇的依據(jù)。但對于順層巖質(zhì)邊坡，破壞模式由順層結(jié)構(gòu)面控制，由于結(jié)構(gòu)面的復(fù)雜性，用簡單的極限平衡法來分析穩(wěn)定性顯然是不適合的[4]。

綜上，本次研究采用UDEC離散元數(shù)值分析軟件，對研究區(qū)域的一個典型順層巖質(zhì)邊坡的破壞進行數(shù)值模擬[7-11]。UDEC最初是為節(jié)理巖石邊坡的穩(wěn)定性分析開發(fā)的[12-15]，對于塊體不連續(xù)公式和運動方程則采用顯式時間步的求解方法，便于塊狀巖體邊坡的漸進破壞分析和大變形運動研究。UDEC程序包括離散元與邊界元的耦合，除可以進行節(jié)理巖體的力學(xué)分析，還可以模擬節(jié)理巖體的熱傳導(dǎo)以及流水、石油等在節(jié)理中流動等問題，是節(jié)理巖體分析的有效工具。

1 研究區(qū)域巖質(zhì)邊坡地質(zhì)概況

研究區(qū)不穩(wěn)定斜坡位于石景山區(qū)金頂街道模式口西里47號樓南側(cè)，距離居民樓7～10 m，斜坡整體呈東西走向，坡面傾向北，寬度約20 m，長度約220 m，斜坡高度為8～16 m，平均高度約10 m，坡度50°～65°(圖1、圖2)。坡底前下方修建有高5～6 m的重力式鋼筋混凝土擋墻，距離不穩(wěn)定斜坡約52 m。坡腳為模式口西里小區(qū)的7號樓和45號樓，有大量人員居住。經(jīng)2012年7月21日暴雨后，斜坡有3處局部崩塌。經(jīng)調(diào)查，坡體上方匯水面積達20 000 m2，雨季坡頂匯聚的大量雨水沖刷坡體，局部仍存在失穩(wěn)的可能。受威脅人數(shù)約200人，潛在經(jīng)濟損失約3000萬元人民幣。根據(jù)《北京市地質(zhì)災(zāi)害治理項目實施技術(shù)指南(試行)》的分級標準，該不穩(wěn)定斜坡的地質(zhì)災(zāi)害防治工程等級為Ⅱ級。

圖1 典型順層巖質(zhì)邊坡現(xiàn)場照片

圖2 典型不穩(wěn)定斜坡工程地質(zhì)剖面

1.1 地形地貌

模式口西里47號樓南側(cè)不穩(wěn)定斜坡所在區(qū)域?qū)偾鹆甑孛玻环€(wěn)定斜坡所在的丘坡，坡頂高程190 m，坡腳高程95～110 m，相對高程為80～95 m，山坡平均坡度20°～30°，局部有40°～90°的陡坡。

1.2 地層巖性

根據(jù)工程地質(zhì)勘查報告，不穩(wěn)定斜坡地層巖性為第四系全新統(tǒng)崩積塊石、人工填土、殘坡積層以及下部層狀板巖。

塊石分布于居民區(qū)附近的坡腰平臺處；素填土分布于不穩(wěn)定斜坡坡腰的平臺處和坡腳的平地處，根據(jù)鉆探和物探揭露，厚度為1～8 m；黏質(zhì)粉土主要分布在坡頂，厚度為0～8 m；板巖在坡面大部分區(qū)域均有出露，強風(fēng)化層平均厚度為1～2 m，巖體破碎，中等風(fēng)化層，節(jié)理發(fā)育，巖體較破碎—破碎。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)域未發(fā)現(xiàn)大的構(gòu)造現(xiàn)象，巖層產(chǎn)狀基本穩(wěn)定(42°∠40°)。斜坡坡體發(fā)育兩組節(jié)理面，產(chǎn)狀分別為NW60°～80° / SE68°～75°和SW15°～40° / NW55°～70°。前者為一組走向與坡體走向近垂直的陡傾結(jié)構(gòu)面，后者為一組走向與坡體走向平行的傾斜坡內(nèi)或坡外的中—陡傾結(jié)構(gòu)面。節(jié)理間距1.0～5 m，延展性好，且局部發(fā)育有X型節(jié)理。

1943年11月，毛澤東總結(jié)了一年來生產(chǎn)運動的經(jīng)驗，認為1942年高級干部會議的方針是正確的。他說：“高級干部會議方針的主要點，就是把群眾組織起來，把一切老百姓的力量、一切部隊機關(guān)學(xué)校的力量、一切男女老少的全勞動力半勞動力，只要是可能的，就要毫無例外地動員起來，組織起來，成為一只勞動大軍?！保?］928他指出，把群眾組織起來，這是一種方針。與此相反的方針是，不注意把廣大群眾組織起來，而只注意組織財政機關(guān)、供給機關(guān)、貿(mào)易機關(guān)的一小部分人；不把經(jīng)濟工作看做是一個廣大的運動，一個廣大的戰(zhàn)線，而只看做用以補救財政不足的臨時手段。這是一種錯誤的方針。

1.4 水文地質(zhì)條件

勘查區(qū)地下水類型主要為第四系土層孔隙水和基巖裂隙水。第四系土層孔隙水分布在低洼處的第四系全新統(tǒng)崩積層(Qhcol)、殘坡積層(Qheld)土層中，斜坡勘查區(qū)內(nèi)僅在雨季在第四系土層中存在上層滯水?；鶐r裂隙水賦存于場地內(nèi)的下侏羅統(tǒng)南大嶺組(J1n)板巖裂隙中，但該類型地下水埋深大，勘查期間勘探深度內(nèi)未揭露。

1.5 工程特性

該邊坡坡腳經(jīng)人工開挖形成高度20 m、水平長度50～60 m、坡角50°～60°的開挖面，開挖面傾向與巖層傾向基本相同。開挖面高度大且陡，使坡體中巖石層面暴露于開挖面內(nèi)，為以后邊坡的滑塌破壞埋下了隱患。

2 數(shù)值模擬及分析

2.1 計算模型和計算參數(shù)

采用UDEC軟件對模型邊坡進行數(shù)值模擬。模型前部為斜坡坡腳平整場地，后部為斜坡坡頂，數(shù)值邊坡幾何尺寸為邊坡原型尺寸(其斜坡坡角概化為40°，臨空面概化為58°)；巖土體力學(xué)參數(shù)相應(yīng)采用原型邊坡中參數(shù)，本構(gòu)模型則采用“摩爾-庫倫”屈服條件和“Coulomb Slip”接觸面模型，數(shù)值邊坡底部和左右方向均設(shè)置約束。數(shù)值邊坡模型及其位移監(jiān)測點布置見圖3。模型邊坡結(jié)構(gòu)面分為層面和節(jié)理面，節(jié)理概化為2 m等間距分布，且與層面互相垂直。監(jiān)測點間距設(shè)為5 m，共設(shè)置9個監(jiān)測點，分為三層等間距設(shè)置。模型邊坡結(jié)構(gòu)面及其布置的計算網(wǎng)格見圖4。

圖3 數(shù)值邊坡模型及其位移監(jiān)測點布置

圖4 數(shù)值計算網(wǎng)格劃分

本文采用的邊坡地形數(shù)據(jù)及材料參數(shù)均取自野外調(diào)查測量和室內(nèi)試驗，巖體材料參數(shù)見表1。

2.2 邊坡位移分析

坡體監(jiān)測點位移時程曲線(圖5)顯示坡體位移具有兩個特點：同一層面的3個位移監(jiān)測點具有P1>P2>P3、P4>P5>P6、P7>P8>P9的規(guī)律，說明坡體位移變形具有從表層向深層遞減的特征。

模型位移過程顯示坡腳處首先出現(xiàn)蠕變變形，蠕變區(qū)域逐漸向整個坡面擴展，同時向坡體后部和坡體深部發(fā)展。蠕變變形導(dǎo)致坡體巖石塊體的松動及應(yīng)力松弛，最終誘發(fā)坡體的“滑移-拉裂”式破壞。無論是坡體的蠕變變形還是滑動位移，其變形位移均具有“前部大，后部小，表層大，深部小”的特征。

表1 巖體和結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)

圖5 各個監(jiān)測點水平位移時程曲線Fig.5 Horizontal displacement time curve diagram of the monitoring points

2.3 邊坡應(yīng)力分析

為適應(yīng)坡體的位移變形，坡體內(nèi)部最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力等發(fā)生調(diào)整以達到新的平衡。坡體最大主應(yīng)力云圖(圖6a)顯示，斜坡體淺表層處于與層面平行的受壓狀態(tài)。坡體的最小主應(yīng)力云圖(圖6b)顯示，斜坡體淺表層處于與坡面垂直的受壓狀態(tài)。這樣，斜坡的運動趨勢表現(xiàn)為坡體淺表層沿著與坡面平行的方向蠕變甚至滑移。

圖7為邊坡由初始平衡狀態(tài)(圖7a)及最后穩(wěn)定時(圖7b)的剪應(yīng)力分布云圖。由于坡體內(nèi)部應(yīng)力尚未調(diào)整完成，坡體內(nèi)剪應(yīng)力分布不均勻。坡腳附近出現(xiàn)剪應(yīng)力集中現(xiàn)象，剪應(yīng)力大小為0.10 MPa～0.15 MPa，表明坡腳處巖體對上部滑體的滑動起到抗滑作用。滑體內(nèi)剪應(yīng)力分布具有一定規(guī)律，坡體前部的剪應(yīng)力顯著大于坡體后部的剪應(yīng)力，臨空面內(nèi)剪應(yīng)力大小為0.05 MPa～0.15 MPa(負值)，而滑體后部的剪應(yīng)力大小為0.05 MPa～0.10 MPa(正值)，造成邊坡變形由坡體前部向后部逐漸發(fā)展。坡體下部和滑體內(nèi)部的剪應(yīng)力分布比較均勻，坡腳附近的剪應(yīng)力集中條帶沿臨空面底部巖層發(fā)展至坡體上部，強弱風(fēng)化接觸面附近剪應(yīng)力可達0.30 Mpa。此現(xiàn)象表明，坡體將會有上部滑體沿著強弱風(fēng)化接觸面向臨空面變形破壞的趨勢。

2.4 破壞運動過程

采用UDEC中的剛體模型，模擬坡體由初始小變形到大規(guī)模滑移的整個破壞過程，UDEC能夠模擬坡體滑動過程中塊體的平移、轉(zhuǎn)動和拋起等運動形式，較真實地還原坡體的滑動破壞過程。模擬之前，為了能夠更好地觀察坡體的漸進破壞過程，巖石塊體只設(shè)置密度參數(shù)，數(shù)值與原始邊坡數(shù)值相同(2700 kg/m3)，節(jié)理面和層面設(shè)置參照室內(nèi)物理模型邊坡實驗結(jié)構(gòu)面參數(shù)(表1)。

圖6 坡體最大主應(yīng)力云圖(a)與最小主應(yīng)力云圖(b)

圖7 初始階段(a)與最終穩(wěn)定階段(b)坡體剪應(yīng)力云圖

圖8 邊坡破壞運動過程

滑動破壞過程中坡體表現(xiàn)出漸進式破壞的特點，坡體由坡腳向坡頂逐步滑移并解體為散體狀(圖8)。邊坡臨空面內(nèi)的坡體首先沿層面向坡前持續(xù)蠕滑變形，在坡體一定位置形成拉張裂縫。隨著前部坡體的位移，裂縫進一步向坡體深部發(fā)展，最終裂縫前的坡體沿層面滑動破壞。

3 結(jié)論及建議

通過用UDEC軟件對模型邊坡數(shù)值模擬，得出以下幾點結(jié)論：

1) 順層產(chǎn)狀巖質(zhì)邊坡的破壞模式為“滑移-拉裂”式破壞。在滑動破壞過程中表現(xiàn)出漸進式破壞的特點，巖體沿節(jié)理面斷裂而解體。邊坡表層靠近臨空面內(nèi)的坡體首先向坡前蠕變變形，并向坡體內(nèi)部擴展，造成坡體一定位置形成拉張裂縫和應(yīng)力集中。

2) 坡體滑動面為單一巖層面，層面強度起到控制滑移面形態(tài)的作用，對坡體穩(wěn)定性亦起到?jīng)Q定作用。

3) 坡體的位移具有“前部大、后部小、表層大、深層小”的特點，間接反映了坡體破壞的模式，坡體前部首先變形，繼而向坡體后部和深層擴展，最終發(fā)生滑動破壞。

由于研究區(qū)附近居民眾多，考慮到居民生活環(huán)境舒適度，建議在該順層巖質(zhì)邊坡的防治過程中，除了必要的穩(wěn)定性防治措施(如修建擋墻、錨桿+主動防護網(wǎng)、截排水溝等)外，應(yīng)進行防治區(qū)域的綠化工作(如撒播草籽、移植灌木等)，同時盡量避免和減少噪聲以及工程震動對居民造成危害。