等厚順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的模型試驗(yàn)研究及數(shù)值驗(yàn)證

張 璟，陳文勝，蔣茂林

(1.新疆交通科學(xué)研究院 烏魯木齊市 830000； 2.干旱荒漠區(qū)公路工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 烏魯木齊市 830000；3.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院 長(zhǎng)沙市 410004)

0 引言

新疆天山區(qū)域、昆侖山區(qū)域面積遼闊，眾多路線(xiàn)穿越深切河谷和峽谷陡坡坡角附近，周?chē)絼?shì)陡峭，巖性復(fù)雜多變，公路路塹深邊坡穩(wěn)定性差，近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)層狀巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的研究越來(lái)越重視，也取得了一些研究成果。

陳從新[1]以相似理論為依據(jù)進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)，研究了順層巖石邊坡的變形破壞機(jī)制以及邊坡巖體的巖層傾角對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響；左保成[2]針對(duì)京珠高速公路某邊坡原型進(jìn)行了數(shù)組相似模擬地質(zhì)模型試驗(yàn),研究了巖層傾角、層面強(qiáng)度等因素對(duì)反傾巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響；蔣青青[3]利用有限元數(shù)值軟件FLAC3D模擬層狀三維遍布節(jié)理，研究分析了巖層傾向和坡角對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律；林杭[4]運(yùn)用有限元數(shù)值軟件FLAC2D模擬了層狀巖體邊坡在不同結(jié)構(gòu)面傾角的穩(wěn)定性。程?hào)|幸[5]以廣西某水電站邊坡工程的地質(zhì)模型為工程背景，借助離散元軟件3DEC模擬了結(jié)構(gòu)體和層面不同影響參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，提出了邊坡反傾巖層優(yōu)勢(shì)角的范圍。

以上研究主要是基于開(kāi)挖擾動(dòng)狀態(tài)下的穩(wěn)定性分析，對(duì)于未擾動(dòng)的坡體穩(wěn)定性的研究并不常見(jiàn)，且在數(shù)值分析方面多以有限元軟件Flac2D,3D和離散元軟件UDEC及3DEC為主，對(duì)于石華根博士提出的非連續(xù)變形理論分析方法DDA軟件應(yīng)用的并不多[6-7]。本文將以未擾動(dòng)的等厚順層巖質(zhì)坡體為模型進(jìn)行物理試驗(yàn)，研究其穩(wěn)定性影響因素及失穩(wěn)破壞機(jī)制，并結(jié)合DDA軟件對(duì)物理試驗(yàn)工況進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證分析。

1 模型試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

室內(nèi)旋轉(zhuǎn)邊坡模型裝置主要包括模型支架、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、抬升系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)。模型試驗(yàn)的基本模型如圖1所示。

模型試驗(yàn)以天山公路某等厚層狀巖體為原型，以現(xiàn)代地質(zhì)力學(xué)理論和相似理論為基礎(chǔ)，取Cl=100，Cγ=1.5。根據(jù)相似判據(jù)得相似條件如下：

在實(shí)際模型試驗(yàn)中，并不能全部滿(mǎn)足相似判據(jù)，只能是使其中的某些條件滿(mǎn)足相似判據(jù)，從而進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M。由于原始邊坡的巖層產(chǎn)狀比較穩(wěn)定,本試驗(yàn)在設(shè)計(jì)模型時(shí)選擇統(tǒng)一的巖層傾角來(lái)進(jìn)行模型試驗(yàn)。為了反映原始邊坡的層狀性質(zhì),同時(shí)考慮到模塊制作的方便及模塊性質(zhì)的穩(wěn)定性,試驗(yàn)所用模塊尺寸為185mm×85mm×50mm和240mm×120mm×53mm的磚塊,以磚塊的厚度(50mm)模擬層狀巖體的厚度，結(jié)構(gòu)面的內(nèi)摩擦角為33°，共10層。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)共分為4組，用兩種大小不同的模塊分別模擬兩種節(jié)理密度分布的坡體穩(wěn)定性試驗(yàn)，1至4組試驗(yàn)坡體依次為：小塊體大密度節(jié)理、小塊體小密度節(jié)理、大塊體大密度節(jié)理、大塊體小密度節(jié)理。將坡腳一端的最底層塊體固定防止滑動(dòng)，塊體之間相互不粘結(jié)，以模擬巖體節(jié)理裂隙，將每組試驗(yàn)?zāi)Ｐ腕w邊坡與巖層的夾角設(shè)為20°、25°、30°、35°、40°、45°六種不同工況，巖層的傾角隨著模型體一端的轉(zhuǎn)動(dòng)抬升而不斷增大，直至坡體失穩(wěn)破壞。在模型坡體的臨空地表坡面、模型坡體的中間部位及靠近坡體背面的重要部位布置了15個(gè)測(cè)點(diǎn)，其布置圖及模型體安裝圖見(jiàn)圖2。

小塊體厚度均為50mm，其大密度節(jié)理間隙為185mm，小密度節(jié)理間隙為85mm；大塊體厚度均為53mm，其大密度節(jié)理間隙為240mm，小密度節(jié)理間隙為120mm；內(nèi)摩擦角均為33°，環(huán)境溫度為(20±5)℃，相對(duì)濕度70%，塊體力學(xué)參數(shù)如表1。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

2 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

2.1 邊坡失穩(wěn)過(guò)程的變形規(guī)律

圖3(a)～圖3(f)為小塊體模型試驗(yàn)中邊坡與巖層夾角20°至45°時(shí)傾角-位移曲線(xiàn)圖，由圖可以看出：

(1)當(dāng)巖層傾角增大至某一角度時(shí)，坡體臨空坡面上端部位的塊體突然滑動(dòng)，使坡體產(chǎn)生部分變形，暫停抬升傾角靜置一會(huì)后坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)，這說(shuō)明坡體在發(fā)生破壞變形后產(chǎn)生了應(yīng)力重分布，使坡體達(dá)到一個(gè)新的穩(wěn)定狀態(tài)。繼續(xù)抬升傾角，增大至一定角度時(shí)，坡體發(fā)生整體破壞，分兩次破壞的情況主要發(fā)生在圖3(a)、圖3(c)、圖3(e)、圖3(f)組坡體中，其余兩組坡體都是一次性整體破壞。

(2)在發(fā)生第一次破壞前，無(wú)論是橫向位移還是縱向位移，都是坡面上部9#測(cè)點(diǎn)的位移最大。由圖表我們可以看出，巖層傾角越大，塊體的變形速度越快，在坡面部位由上至下變形速度會(huì)逐漸減小，坡腳部位的變形速度最小，同樣在坡體內(nèi)部，下部的變形速度明顯小于上部的變形速度，整個(gè)坡體變形速度最小的部位出現(xiàn)在坡腳處及坡體底部最上端。這說(shuō)明順層巖質(zhì)邊坡發(fā)生破壞，首先從邊坡坡頂產(chǎn)生變形，以滑動(dòng)拉裂破壞為主。

(3)邊坡傾角抬升的過(guò)程中，邊坡的形變并不一直是向下滑移，也會(huì)有向上突起的情況，因不同部位塊體的下滑力和摩擦系數(shù)有所差異，當(dāng)同一層靠上的塊體產(chǎn)生的下滑力不足以推動(dòng)下端的塊體產(chǎn)生變形時(shí)，則會(huì)有向上突起的趨勢(shì)，從而產(chǎn)生擠壓變形。

(4)順層巖體坡體的破壞主要以滑移破壞為主，并伴隨有傾倒變形。在坡體發(fā)生滑動(dòng)破壞時(shí)，上層塊體下滑過(guò)程中的下滑力不足以抵消下層塊體所帶來(lái)的摩擦力時(shí)，動(dòng)能傳遞至下層塊體，從而產(chǎn)生了傾倒破壞。

(5)除了圖3(b)組坡體，其余坡體發(fā)生破壞變形均是在巖層傾角大于層間內(nèi)摩擦角時(shí)，這說(shuō)明巖層傾角大于內(nèi)摩擦角是層狀坡體產(chǎn)生破壞變形的主要條件之一。

2.2 節(jié)理密度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律

對(duì)四組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，第1、第2組小塊體試驗(yàn)破壞及變形曲線(xiàn)如圖4(a),第3、第4組大塊體試驗(yàn)破壞及變形曲線(xiàn)如圖4(b),試驗(yàn)中沒(méi)有發(fā)生兩次破壞的該組數(shù)據(jù)未放入圖中。

(1)兩組試驗(yàn)中小密度節(jié)理坡體破壞時(shí)的傾角均大于大密度節(jié)理坡體破壞時(shí)的傾角，說(shuō)明節(jié)理裂隙密度對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響較大，同一坡體中，節(jié)理裂隙密度越小，邊坡越穩(wěn)定。

(2)相較于第1組大密度節(jié)理坡體試驗(yàn)，第2組試驗(yàn)中坡體破壞時(shí)的巖層傾角曲線(xiàn)更為平穩(wěn)，保持在36°附近，沒(méi)有出現(xiàn)較大的波動(dòng)。同樣在第3、第4組試驗(yàn)中破壞曲線(xiàn)也沒(méi)有大的波動(dòng)，因此將第1組試驗(yàn)30°夾角的坡體與其他組試驗(yàn)坡體對(duì)比，30°夾角坡體的各層節(jié)理裂隙連續(xù)、幾乎完全貫通，走向與巖層的夾角為88°接近垂直，各層塊體之間缺乏咬合作用力，因此，在巖層傾角僅為26.8°時(shí)就發(fā)生了傾倒破壞。而其他三組試驗(yàn)的節(jié)理裂隙分布更均勻，沒(méi)有出現(xiàn)完全貫通節(jié)理，推測(cè)第1組試驗(yàn)中30°坡角首先發(fā)生破壞的原因是由于貫通節(jié)理造成的。

(3)觀察試驗(yàn)中首次變形和最終破壞時(shí)巖層傾角曲線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)兩組曲線(xiàn)的波動(dòng)走向一致，這說(shuō)明坡體穩(wěn)定性受巖體結(jié)構(gòu)面的影響較大,受坡角的影響并不明顯。

2.3 巖層傾角對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律

對(duì)第1組試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，生成50°和55°坡角時(shí)的傾角位移曲線(xiàn)如圖5、圖6。

由圖5、圖6分析：

(1)當(dāng)坡角一樣時(shí)，無(wú)論是橫向位移，還是縱向位移，都是隨著巖層傾角的增大而增大。這說(shuō)明當(dāng)相同坡角的坡體，在內(nèi)摩擦角相同時(shí)，巖層傾角越大越容易產(chǎn)生破壞變形，坡體穩(wěn)定性越小。

(2)在坡角一樣的坡體中，節(jié)理的貫通性比巖層傾角對(duì)坡體的穩(wěn)定性影響大。

3 DDA數(shù)值模擬驗(yàn)證

3.1 巖質(zhì)邊坡模型主要參數(shù)

設(shè)定巖層傾角為30°，巖層與坡面的夾角為45°，塊體尺寸為100mm×50mm×80mm，即巖層厚度為50mm，節(jié)理間隙為100mm。模型如圖7所示。

以前面所做物理模型試驗(yàn)為算例，沿用物理力學(xué)參數(shù)和結(jié)構(gòu)面參數(shù)，內(nèi)摩擦角設(shè)為30°便于建模，具體參數(shù)見(jiàn)表1、表2。

表2 結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)

3.2 數(shù)值模擬分析

對(duì)坡面及坡體內(nèi)部共設(shè)置了6個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)其橫向和縱向位移，具體數(shù)據(jù)處理如圖8。

我們進(jìn)行了坡面、坡頂和坡體內(nèi)部位移速度的相互對(duì)比：

(1)由各個(gè)測(cè)點(diǎn)的位移-時(shí)間圖我們發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是橫向位移還是縱向位移，都是坡面頂端位移最大，變形速度最快。

(2)在坡面部位由上至下變形速度會(huì)逐漸減小，坡腳部位的變形速度最小，同樣在坡體內(nèi)部，下部的變形速度明顯小于上部的變形速度，整個(gè)坡體變形速度最小的部位出現(xiàn)在坡腳處及坡體底部最上端。這說(shuō)明順層邊坡的變形破壞首先發(fā)生在臨空面靠近地表部位，產(chǎn)生拉裂破壞。

4 結(jié)論

(1)順層巖質(zhì)坡體發(fā)生的破壞主要受巖層傾角和節(jié)理裂隙兩大因素影響，在節(jié)理分布情況較好，即貫通性節(jié)理少時(shí)，坡體發(fā)生整體破壞的主要條件是巖層傾角大于結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角，但是在巖層傾角小于內(nèi)摩擦角時(shí)坡體也有可能發(fā)生局部變形，主要表現(xiàn)在坡頂巖層滑動(dòng)破壞；在巖體中節(jié)理貫通性好時(shí)，坡體的穩(wěn)定性將主要受節(jié)理?xiàng)l件影響，貫通性節(jié)理越大，邊坡越不穩(wěn)定。

(2)等厚順層巖質(zhì)邊坡發(fā)生第一次破壞前，無(wú)論是橫向位移還是縱向位移，都是坡面頂部附近的位移最大。在發(fā)生破壞變形的過(guò)程中，坡面部位由上至下變形速度會(huì)逐漸減小，坡腳部位的變形速度最小，同樣在坡體內(nèi)部，下部的變形速度明顯小于上部的變形速度，整個(gè)坡體變形速度最小的部位出現(xiàn)在坡腳處及坡體底部最上端。這說(shuō)明順層巖質(zhì)邊坡發(fā)生破壞，首先從邊坡坡頂產(chǎn)生變形，以滑動(dòng)拉裂破壞為主。

(3)順層巖體坡體的破壞主要以滑移破壞為主，并伴隨有傾倒變形。在坡體發(fā)生滑動(dòng)破壞時(shí)，上層塊體下滑過(guò)程中的下滑力不足以抵消下層塊體所帶來(lái)的摩擦力時(shí)，動(dòng)能傳遞至下層塊體，從而產(chǎn)生了傾倒破壞。

(4)節(jié)理裂隙密度、走向和巖層傾角對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響較大，同一坡體中，節(jié)理裂隙密度越小，邊坡越穩(wěn)定；在內(nèi)摩擦角相同時(shí)，巖層傾角越大越容易產(chǎn)生破壞變形，邊坡越不穩(wěn)定。

(5)DDA數(shù)值模擬很好地驗(yàn)證了物理模型試驗(yàn)中邊坡失穩(wěn)過(guò)程的變形規(guī)律，同時(shí)也驗(yàn)證了非連續(xù)變形理論分析方法的正確性和DDA軟件的實(shí)用性。