基于Flac3D的貴陽茶山溝斜坡變形破壞機(jī)理數(shù)值模擬研究

貴州有色地質(zhì)工程勘察公司，貴州 貴陽 550002

對于某個具體堆積體斜坡的成因而言，大多是多期次、多種作用的復(fù)合結(jié)果[1-2]。按其形成的原因可分為沖洪積堆積、崩坡積堆積、滑坡堆積、泥石流堆積、殘坡積堆積、復(fù)合堆積等類型[3-4]。張倬元等[5]認(rèn)為滑坡巖土體應(yīng)該重點(diǎn)研究其變形破壞過程和機(jī)制，提出了累進(jìn)性破壞以及滑坡變形破壞的機(jī)制模式。目前有許多學(xué)者使用Flac3D軟件做過相關(guān)研究，并結(jié)合工程地質(zhì)條件分析，通過Flac3D數(shù)值模擬應(yīng)力分布和變形特征，對滑坡的變形破壞機(jī)制進(jìn)行了深入的探討[6]。

1 工程概況

滑坡位于貴陽市南明區(qū)紅巖地塊，北側(cè)緊鄰南明河，南側(cè)為山地?；滤谛逼鲁噬隙赶戮徻厔??；碌闹胁亢颓安恳讶斯ら_挖，形成多級近似垂直臺階。區(qū)內(nèi)出露的松散覆蓋層主要為第四系殘坡積地層（Q4dl+el）、老滑坡堆積層（Q4el）?；鶐r地層主要包括泥盆系蟒山群（Dms）石英砂巖、志留系高寨田群（Sgz）泥灰?guī)r。該滑坡呈舌形，縱向長約550m，前緣寬120m，中部寬約100m，后緣寬180m，體積約為145萬m3。

2 三維地質(zhì)模型的建立

（1）模型范圍及邊界。模型邊界前至南明河岸坡，后至斜坡坡頂，左右側(cè)以堆積體范圍向外擴(kuò)展60m左右。模型長985m、寬713m，相對高差約285m，整體模型見圖1（a），具體堆積體范圍見圖1（b）。

圖1 斜坡數(shù)值模型的建立

（2）抗滑樁及監(jiān)測點(diǎn)的布置。模擬工程實(shí)際情況對斜坡進(jìn)行簡化后的支護(hù)，見圖2（a）。監(jiān)測點(diǎn)的布置可以更加直觀地分析特殊點(diǎn)的位移情況。對模型布置了3個觀測點(diǎn)，見圖2（b），分別監(jiān)測X（正東）、Y（正北）、Z（向上）方向的位移。

圖2 抗滑樁布置及監(jiān)測點(diǎn)布置圖

（3）介質(zhì)參數(shù)。斜坡巖土體具體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 斜坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)

（4）計(jì)算方案。模型達(dá)到初始平衡狀態(tài)后，根據(jù)施工開挖實(shí)際情況對第二階段和第三階段的開挖以及開挖后的暴雨工況進(jìn)行模擬，對斜坡應(yīng)變場與堆積體、樁體的應(yīng)變場，監(jiān)測點(diǎn)以及模型的最大不平衡力進(jìn)行分析。

3 地質(zhì)模型的計(jì)算與分析

（1）第二次開挖。第二次開挖后的整體位移圖與矢量圖見圖3。第二次開挖部位后部，由于左側(cè)低排抗滑樁和右側(cè)高排抗滑樁的支護(hù)作用，兩側(cè)部位向正北方向的位移有所減弱，說明抗滑樁在第二次開挖階段中對后部的堆積體起到了支護(hù)的作用，而中部未進(jìn)行支護(hù)的部位，正北方向的位移變形較大。

圖3 斜坡第二階段開挖后位移云圖

第二次開挖后的樁體位移主要為正北方向，見圖4，雙排樁從最內(nèi)部向兩側(cè)方向樁體的變形越來越小。其中變形最大的抗滑樁為低排抗滑樁最內(nèi)側(cè)樁，樁體產(chǎn)生近正北方向的位移，主要是因?yàn)槭艿胶蟛繝恳齾^(qū)淺部堆積體近正北向的擠壓。

圖4 第二階段開挖后樁體位移云圖

（2）第三次開挖。第三次開挖后的整體位移云圖見圖5。此次開挖不僅導(dǎo)致前部抗滑區(qū)因卸荷回彈產(chǎn)生了變形，更直接導(dǎo)致了中部滑移區(qū)與后部牽引區(qū)變形的加劇，尤其是后部牽引區(qū)的后邊界與第二階段開挖靠近抗滑樁一側(cè)的臨空面，變形位移幾乎增加了一個量級，這說明第三階段的開挖對斜坡的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生了較大的影響。

圖5 斜坡第三階段開挖后位移圖

第三階段的開挖直接導(dǎo)致了后部牽引區(qū)產(chǎn)生了更大的變形，從而導(dǎo)致雙排抗滑樁的受力增加，位移變大，見圖6。其中低排抗滑樁最內(nèi)側(cè)的樁體頂部的位移變化最大，總體就樁體的變形破裂跡象而言，低排抗滑樁變形破壞比高排抗滑樁嚴(yán)重，低排抗滑樁與高排抗滑樁由內(nèi)側(cè)向外側(cè)變形量逐漸降低。

圖6 第三階段開挖后樁體位移云圖

（3）暴雨工況下監(jiān)測點(diǎn)位移及最大不平衡力變化情況。降雨之后，2號監(jiān)測點(diǎn)在正東方向上的位移增加至3.5cm；在Z方向上下降至12.5cm左右。降雨對滑坡后部牽引區(qū)產(chǎn)生了顯著的影響。降雨對3號監(jiān)測點(diǎn)正東方向和Z方向的位移影響較小，對正北方向的位移產(chǎn)生了一定的影響，說明降雨之后前部抗滑區(qū)向正北方向產(chǎn)生蠕滑的可能性較大。1號監(jiān)測點(diǎn)正北方向與Z方向都存在位移量，其中正北方向位移變化量較大。降雨條件下監(jiān)測點(diǎn)位移及最大不平衡力變化情況見圖7。

圖7 降雨條件下監(jiān)測點(diǎn)位移及最大不平衡力變化情況

模型在降雨條件下最大不平衡力收斂但不趨于0，說明模型發(fā)生了塑性破壞或流動，即斜坡堆積體的位移仍然會持續(xù)增加。

4 斜坡變形破壞機(jī)制

通過現(xiàn)場調(diào)查分析及地質(zhì)模型計(jì)算結(jié)果，影響該滑坡復(fù)活的主要因素為松散的巖土體結(jié)構(gòu)、地形地貌、人類工程活動。該滑坡變形破壞過程主要劃分為三個階段：

（1）卸荷回彈變形階段。第一階段開挖首先從南明河岸坡開始，主要對堆積區(qū)前緣坡腳進(jìn)行開挖，對堆積體尚未產(chǎn)生顯著影響，但從一定程度上釋放了前部抗滑區(qū)的應(yīng)力，使堆積體產(chǎn)生了一定的卸荷回彈變形。

（2）蠕滑變形階段。第二階段開挖對后部堆積體的穩(wěn)定性產(chǎn)生了較強(qiáng)的消極作用，降低了堆積體的抗滑力，此階段開挖是導(dǎo)致后部牽引區(qū)堆積體沿基巖與堆積體界面產(chǎn)生蠕滑變形的主要原因。

（3）卸荷回彈變形與滑移—拉裂階段。第三階段的開挖釋放堆積體內(nèi)部殘余應(yīng)力，坡體產(chǎn)生了明顯的卸荷回彈變形，坡體沿內(nèi)部軟弱帶向臨空面方向產(chǎn)生位移。后部牽引區(qū)與中部滑移區(qū)在第三階段開挖后產(chǎn)生整體滑動，在后部牽引區(qū)出現(xiàn)了多條橫向拉張裂縫、在中部滑移區(qū)的左右邊界產(chǎn)生了多個剪切口以及羽狀裂隙。

該滑坡是在不利的地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，由不合理的人工開挖導(dǎo)致的，其演化發(fā)展的地質(zhì)力學(xué)模式為蠕滑—滑移—拉裂。

5 結(jié)論

（1）第二階段的開挖改變了斜坡堆積體的應(yīng)力狀態(tài)，主要誘發(fā)了第二階段開挖臨空面后部堆積體及樁體向正北方向產(chǎn)生位移；第三階段在斜坡中前部的大量開挖降低了堆積體整體穩(wěn)定性，導(dǎo)致了受第三階段開挖影響范圍內(nèi)的堆積體與樁體位移量的增加。在降雨條件下，斜坡受開挖影響范圍內(nèi)堆積體的位移持續(xù)增加。（2）松散的巖土體結(jié)構(gòu)、上陡下緩地形地貌是茶山溝斜坡堆積體局部復(fù)活的主要內(nèi)因，人類工程活動的大量開挖是外因，在內(nèi)因和外因共同作用下使堆積體局部復(fù)活誘發(fā)滑坡?；聫?fù)活變形破壞的地質(zhì)力學(xué)模式為蠕滑—滑移—拉裂。