順層陡傾巖質(zhì)邊坡變形機理探究

汪鳴飛，章廣成，包劉磊，姚 曄，劉向東，楊新志

(1.中國地質(zhì)大學(武漢) 工程學院，湖北 武漢 430074;2.中南勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北 武漢 430071)

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷加快，在我國水利工程、公路工程、礦山工程等大型工程中均出現(xiàn)了順層巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)破壞的問題。順層巖質(zhì)邊坡的變形破壞與地層巖性、巖體結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、水文地質(zhì)特征以及人類工程活動等密切相關(guān)，其穩(wěn)定性也較差，易發(fā)生較大斜坡地質(zhì)災(zāi)害。根據(jù)對我國近100例邊坡實例的調(diào)查統(tǒng)計，結(jié)果顯示：25%的滑坡或斜坡變形發(fā)生在塊狀結(jié)構(gòu)的巖質(zhì)斜坡中，33%的滑坡或斜坡變形發(fā)生在反傾結(jié)構(gòu)的巖質(zhì)斜坡中，還有42%的滑坡或斜坡變形發(fā)生在順層結(jié)構(gòu)的巖質(zhì)斜坡中。

順層巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)破壞在各類工程中均常見，這促使人們重視順層巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)破壞機理的研究。傾斜巖層按巖層傾角

β

的大小可分為：緩傾巖層(

β

<30°)、傾斜巖層(30°<

β

<60°)、陡傾巖層(

β

>60°)。一般認為,中-陡傾角層狀巖質(zhì)邊坡易發(fā)生彎曲變形，進而發(fā)展成為潰曲變形破壞。張勃成等建立了在水動力作用下順層巖質(zhì)邊坡潰曲變形破壞失穩(wěn)模型，提出了其臨界失穩(wěn)高度的計算方法，并對其影響因素進行了敏感性分析;其他學者也從變形過程和力學機制等角度對順層巖質(zhì)斜坡潰曲變形破壞現(xiàn)象進行了分析和研究。此外，在大量的工程實踐中發(fā)現(xiàn)，順層陡傾巖質(zhì)邊坡還存在一種變形破壞模式，即傾倒變形。傾倒變形是順層陡傾巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)破壞的一種典型變形破壞模式，是指層狀反坡向結(jié)構(gòu)及部分陡傾角順層邊坡的表部巖層因蠕動變形而向臨空方向一側(cè)產(chǎn)生彎曲、折斷，形成所謂“點頭哈腰”的現(xiàn)象。Cruden的研究表明，根據(jù)Goodman的假設(shè)，在沒有外力輔助的情況下，順層斜坡也會發(fā)生傾倒;Cruden等分析了加拿大阿爾伯塔省海伍德山口邊坡的傾倒變形體，認為傾倒變形破壞同樣也能發(fā)生在不連續(xù)面的傾向與坡向一致，但是傾角比坡角以及不連續(xù)面的摩擦角均陡的邊坡中，其傾倒變形破壞模式由節(jié)理間距與層理厚度的比值(塊體比)、巖石強度和地形控制，并將其分為塊狀彎曲傾倒(block flexure topple)變形、多層塊體傾倒(multiple block topple)變形和人字形傾倒(chevron topple)變形，見圖1；任光明等以白龍江干流典型滑移-傾倒型滑坡為依托，揭示了在順層陡傾巖質(zhì)邊坡中還存在一種特殊的傾倒變形破壞模式——滑移-傾倒；邱俊等研究認為順層陡傾巖質(zhì)邊坡傾倒變形屬于滑移-彎曲變形與傾倒變形兩種變形破壞模式的復合。其他典型工程案例還有白龍江碧口水電站青崖嶺滑坡、孟家干溝滑坡、加拿大落基山脈北部冰川滑坡、四川省青川縣桅桿梁地區(qū)傾倒變形體等。因此，深入研究順層陡傾巖質(zhì)邊坡的變形規(guī)律和變形機理對解決工程邊坡穩(wěn)定性問題具有重要的意義。

圖1 順層陡傾巖質(zhì)邊坡傾倒變形破壞模式Fig.1 Modes of toppling failure deformation in the steep bedding rock slope

目前針對順層陡傾巖質(zhì)邊坡變形破壞現(xiàn)象的相關(guān)研究不多見，且多數(shù)研究是基于工程地質(zhì)宏觀分析或數(shù)值仿真方法分析其變形機理，開展物理模型試驗的研究成果極少，而開展物理模型試驗研究能真實地反映順層陡傾巖質(zhì)邊坡變形過程中的典型變形破壞現(xiàn)象。因此，本文基于室內(nèi)底摩擦模型試驗，通過分析順層陡傾巖質(zhì)邊坡的變形過程和變形特征，揭示了順層陡傾巖質(zhì)邊坡彎曲變形和傾倒變形的破壞機制。

1 順層陡傾巖質(zhì)邊坡變形破壞模式和影響因素

1.1 邊坡基本的變形破壞模式

順層陡傾巖質(zhì)邊坡變形是在高速公(鐵)路、水利工程建設(shè)中經(jīng)常遇到的工程問題，通過閱讀大量文獻，收集和分析順層陡傾巖質(zhì)邊坡滑移-彎曲變形工程實例(見表1),發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：①邊坡巖層大多中陡或陡立，巖層傾角

β

多集中在50°～70°之間，平均巖層傾角

β

為56°(見圖2)；邊坡坡角

α

分布不均，邊坡坡角

α

為15°～60°時均有滑移-彎曲變形發(fā)生，平均邊坡坡角

α

為42°(見圖2)；巖層傾角

β

與邊坡坡角

α

之差均值為14°(見圖3)，巖層傾角

β

與邊坡坡角

α

之和均值為92°(見圖4)，邊坡坡高

H

一般在300 m左右。②滑移-彎曲變形一般發(fā)生在巖性以泥巖、砂巖、頁巖等軟巖或者軟硬巖互層的邊坡中，其強度較低，巖體呈薄層-厚層層狀結(jié)構(gòu)。

表1 順層陡傾巖質(zhì)邊坡滑移-彎曲變形工程實例[10,16-17]Table 1 Engineering instances of sliding-bending deformation in the steep bedding rock slope[10,16-17]

圖2 順層陡傾巖質(zhì)邊坡滑移-彎曲變形工程實例中邊坡坡角(α)與巖層傾角(β)分布曲線Fig.2 Distribution curves of slide slope angle(α) and dip angle(β) in the engineering instances of sliding- bending deformation in the steep bedding rock slope注：圖中α、β取自各實例邊坡坡角和巖層傾角的均值。下同。

圖3 順層陡傾巖質(zhì)邊坡滑移-彎曲變形工程實例中巖層傾角(β)與邊坡坡角(α)之差Fig.3 Distribution curve of slide slope angle(α) and dip angle(β) in the engineering instances of sliding- bending deformation in the steep bedding rock slope

圖4 順層陡傾巖質(zhì)邊坡滑移-彎曲變形工程實例中巖層傾角(β)與邊坡坡角(α)之和Fig.4 Distribution curve of the sum of slide slope angle(α) and dip angle(β) in the engineering instances of sliding- bending deformation in the steep bedding rock slope

此外，通過分析順層陡傾巖質(zhì)邊坡傾倒變形工程實例(見表2)，發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：①邊坡在地形地貌上特征較明顯，巖層陡立，巖層傾角

β

大多集中在70°～90°之間，平均巖層傾角

β

為77°(見圖5)；邊坡坡角

α

大多集中在40°～60°之間，平均邊坡坡角

α

為43°(見圖5)；邊坡坡面與巖層面大角度相交，巖層傾角

β

與邊坡坡角

α

之差均值為35°(見圖6)，巖層傾角

β

與邊坡坡角

α

之和均值為120°(見圖7)，邊坡坡高

H

一般大于300 m。②邊坡傾倒變形一般發(fā)生在以層狀板巖、砂巖、頁巖等軟巖或者軟硬巖互層的邊坡中，其強度較低，巖體呈薄層-極薄層狀結(jié)構(gòu)，近地表巖體較破碎，風化較強烈。

圖5 順層陡傾巖質(zhì)邊坡傾倒變形工程實例中邊坡坡角(α)與巖層傾角(β)的分布曲線Fig.5 Distribution curves of the difference between slide slope angle (α) and dip angle (β) in the engineering instances of toppling deformation in the steep bedding rock slope

圖6 順層陡傾巖質(zhì)邊坡傾倒變形工程實例中巖層傾角(β)與邊坡坡角(α)之差的分布曲線Fig.6 Distribution curve of the difference between slide slope angle (α) and dip angle (β) in the engineering instances of toppling deformation in the steep bedding rock slope

圖7 順層陡傾巖質(zhì)邊坡傾倒變形工程實例中巖層傾角(β)與邊坡坡角(α)之和的分布曲線Fig.7 Distribution curve of the sum of slide slope angle (α) and dip angle (β) in the engineering instances of toppling deformation in the steep bedding rock sople

表2 順層陡傾巖質(zhì)邊坡傾倒變形實例[18-20]Table 2 Instances of toppling deformation of the steep bedding rock slope

1.2 邊坡變形的影響因素

順層陡傾巖質(zhì)邊坡在演變歷史過程中，其自重應(yīng)力、卸荷變形對邊坡的穩(wěn)定性起到了控制性作用，它是邊坡變形的初始表現(xiàn)，但當順層陡傾巖質(zhì)邊坡發(fā)生傾倒變形時往往還會受到其他因素的影響，這些因素加速了順層陡傾巖質(zhì)邊坡變形過程甚至直接導致了邊坡失穩(wěn)。本文在分析順層陡傾巖質(zhì)邊坡變形工程實例的基礎(chǔ)上，認為其主要的影響因素如下：

(1) 卸荷因素：大多數(shù)發(fā)生變形的順層陡傾巖質(zhì)邊坡屬于河流侵蝕堆積成因形成的河谷階地地貌，其地形變化大、地面坡度大，在長期的重力作用下，邊坡的應(yīng)力平衡狀態(tài)十分脆弱，這一地形地貌特征為邊坡巖體卸荷回彈的產(chǎn)生創(chuàng)造了必要的動能條件。

(2) 風化因素：邊坡表層巖體因風化形成堆積層，在堆積層沿邊坡下滑的過程中，產(chǎn)生了沿坡向的下滑力，這對下部巖體具有牽引作用，加劇了陡傾巖體的變形，而表層破碎的巖土體亦使得地下水下滲，侵蝕基巖面，使得巖土體力學強度降低。

(3) 軟弱夾層因素：軟弱夾層作用對于順層陡傾巖質(zhì)邊坡滑移-彎曲變形的影響較大，大型順層滑坡的滑帶多由層狀軟巖及軟弱夾層組成，由于軟弱夾層力學性質(zhì)較差，巖體在自重作用下易沿著軟弱夾層剪切滑移，在坡角形成應(yīng)力集中帶，進而導致順層陡傾巖質(zhì)邊坡產(chǎn)生滑移-彎曲變形。

(4) 降雨因素：在降雨期間，雨水滲入坡體，在動水壓力的作用下產(chǎn)生了額外的傾倒力矩，在氣溫較低的季節(jié)，當裂縫中的雨水結(jié)冰時,巖體間的裂隙膨脹使得一些碎裂巖石進入裂隙，當冰融化時，裂隙已由這些碎裂巖石所填充，水的凍融循環(huán)使得這些裂隙不斷張開，加劇了巖體的傾倒變形(見圖8)。此外，降雨使巖層面力學強度不斷降低，使巖體更易沿層面剪切滑動，對順層陡傾巖質(zhì)邊坡產(chǎn)生滑移-彎曲變形亦具有誘發(fā)作用。

圖8 巖體因裂隙填充而發(fā)生傾倒變形[21]Fig.8 Toppling by loose materials falling into cracks[21]

(5) 地震因素：地震作用對于順層陡傾巖質(zhì)邊坡滑移-彎曲變形的影響較大，在高強度的地震作用下會引起邊坡震動，相當于一種附加荷載直接作用于邊坡上，使得巖體結(jié)構(gòu)面極易松動破裂，巖體強度不斷降低，卸荷裂縫也因地震力的作用不斷張開，加速了順層陡傾巖質(zhì)邊坡傾倒變形的過程。

2 順層陡傾巖質(zhì)邊坡底摩擦模型試驗設(shè)計

2.1 試驗儀器與材料

底摩擦模型試驗利用重力場與摩擦力場分布相似的特征，通過試驗?zāi)Ｐ团c儀器底部之間產(chǎn)生摩擦力可合理模擬順層陡傾巖質(zhì)邊坡所受重力。本試驗所采用的設(shè)備為自制的底摩擦模型試驗裝置(見圖9)，其由模型架、傳送帶和轉(zhuǎn)速控制器組成。本次底摩擦模型試驗裝置的模型框架尺寸為2 m×1.5 m,試驗平臺距地面高1 m,采用電動的方法使皮帶帶動裝置底部勻速轉(zhuǎn)動以保持摩擦力恒定,調(diào)速范圍為0～50 r/min。

圖9 底摩擦模型試驗裝置Fig.9 Test device based on friction model

為了能真實地反映順層陡傾巖質(zhì)邊坡的真實變形特征，本試驗在相似原理的基礎(chǔ)上設(shè)計模型材料，試驗中將物理模型材料的幾何尺寸和材料密度兩種參數(shù)作為控制量，相似常數(shù)分別為

C

和

C

，材料抗拉強度

σ

和黏聚力

c

的相似常數(shù)由

C

和

C

控制，即符合以下公式：

C

=

C

=

C

C

。

由于發(fā)生變形的順層陡傾巖質(zhì)邊坡其巖性往往以軟巖為主，且具有一定的塑性，因此本試驗采用黏土與石膏的混合材料作為軟巖材料，其質(zhì)量配比為2∶1，并在其中加入按總質(zhì)量3%的緩凝劑，其目的是防止模型在鋪設(shè)過程中過快凝結(jié)。將黏土與石膏加入一定量的水拌合后鋪設(shè)于試驗臺，在室溫為30°的情況下靜置3 h，用刀切成等厚條狀，讓其自然風干2 d，即可開展試驗。此次試驗?zāi)Ｐ筒牧系牧W參數(shù)通過制作100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊進行直剪試驗和劈裂試驗獲得(見圖10和表3)。

圖10 剪切破壞試樣Fig.10 Shear failure specimen

表3 巖石相似材料的力學參數(shù)Table 3 Mechanical parameters of rock similar materials

2.2 底摩擦模型試驗設(shè)計方案

當試驗?zāi)Ｐ涂傊亓枯^大時試驗儀器會出現(xiàn)動力不足以及模型變形所需試驗時間過長等問題，經(jīng)過多次預(yù)試驗后，認為試驗?zāi)Ｐ偷某叽绮灰顺^1 m×1 m。根據(jù)圣維南原理，當模型厚度足夠小時可認為摩擦力均勻作用在整個模型底面上，可近似模擬邊坡在天然狀態(tài)下受到重力作用的狀態(tài)。因此，本次試驗邊坡模型設(shè)計為長70 cm、底寬100 cm，巖層厚度為3 cm，邊坡模型分3次開挖用以模擬河谷下切側(cè)蝕作用，試驗儀器每運行1 h后開挖下一級區(qū)域，每次開挖區(qū)域高度為20 cm。本次試驗共設(shè)置5組邊坡模型:① 邊坡坡角為60°、巖層傾角為85°；②邊坡坡角為50°、巖層傾角為85°；③邊坡坡角為60°、巖層傾角為75°；④邊坡坡角為60°、巖層傾角為60°；⑤邊坡坡角為75°、巖層傾角為75°，以便揭示順層陡傾巖質(zhì)邊坡滑移-彎曲變形和傾倒變形兩種變形破壞模式的特征，具體邊坡模型①見圖11。

圖11 邊坡坡角為60°、巖層傾角為85°的邊坡模型 (單位:cm)Fig.11 Side slope model with side slope angle of 60° and dip slope angle of 85°(unit:cm)

3 順層陡傾巖質(zhì)邊坡的變形特征與演化過程分析

3.1 邊坡變形特征分析

此次順層陡傾巖質(zhì)邊坡底摩擦模型試驗通過在模型中間隔布置圖釘，采用高速攝像機追蹤圖釘?shù)奈恢米兓源吮O(jiān)測測點的方向位移。試驗結(jié)束后，對各組試驗的視頻資料進行整理，以便獲得邊坡模型在試驗過程中各監(jiān)測點任何時刻的位移數(shù)據(jù)，并采用Suffer軟件進行位移矢量云圖的繪制，以此綜合研究順層陡傾巖質(zhì)邊坡的變形時效規(guī)律。為了合理地模擬邊坡模型在河谷下切作用下的變形過程，首先運行試驗儀器30 min，使模型在自重應(yīng)力下(摩擦力)預(yù)固結(jié)以保持邊坡內(nèi)的應(yīng)力平衡狀態(tài)，并使得在開挖之后模型符合開挖邊坡應(yīng)力場和位移場的一般特征。在預(yù)固結(jié)過程中，層面在固結(jié)的過程中逐漸擠密，邊坡模型整體下沉錯動，下沉量約為2～3 mm。

邊坡坡角為60°、巖層傾角為85°的邊坡模型開挖過程中變形云圖見圖12，其傾倒變形過程及總位移分布云圖見圖13。

由圖12可見，在試驗進行了60 min后，邊坡坡角為60°、巖層傾角為85°的邊坡進行了兩次開挖，巖體在開挖過程中略微彎曲且有一定的卸荷回彈傾向，但其變形量仍較小。由圖13可見，在邊坡經(jīng)歷了第三次開挖后，在第一階段，邊坡中部附近的巖體開始向臨空面方向回彈、移動，層理分界面逐漸產(chǎn)生卸荷裂隙，這些卸荷裂隙僅僅只是張開而無明顯的相對滑動，這是順層陡傾巖質(zhì)邊坡發(fā)生傾倒變形的初始特征，此時邊坡的位移矢量垂直坡面向外為主，這表明邊坡正經(jīng)歷著卸荷回彈的過程，巖體發(fā)生初始彎曲變形[見圖13(a)]；在第二階段，邊坡中部層面處出現(xiàn)較深的拉裂縫，其下方巖體在自重的作用下向臨空面逐漸做懸臂梁彎曲，并逐漸向坡內(nèi)發(fā)展，此時邊坡中部巖體的位移矢量方向開始轉(zhuǎn)變，由垂直坡面向外為主轉(zhuǎn)變成以水平向為主，這表明邊坡在平行于臨空面的最大主應(yīng)力作用下傾倒變形加劇[見圖13(b)]；在第三階段，邊坡中部至坡腳的巖體傾倒變形進一步加劇，由于拉裂縫逐漸擴大，為邊坡上部的巖體又提供了變形空間，該部分巖體沿著層面剪切滑移，層狀巖體因底部受阻而發(fā)生輕微的鼓脹變形，在持續(xù)的重力作用下，巖體最終將在一定深度折斷[見圖13(c)]。綜上可見，整個邊坡前緣表現(xiàn)為彎曲-傾倒的變形特征，后緣表現(xiàn)為滑移-傾倒的變形特征，該試驗現(xiàn)象與部分學者得出的結(jié)論一致。

圖12 邊坡坡角為60°、巖層傾角為85°的邊坡模型開挖過程中的變形Fig.12 Deformation in slide slope model excavation process with side slope angle of 60°and dip slope angle of 85°

圖13 邊坡坡角為60°、巖層傾角為85°的邊坡模型傾倒變形過程及總位移分布(單位：cm)Fig.13 Toppling deformation process and total displacement of the slope model with side slope angle of 60° and dip slope angle of 85°(unit:cm)

不同邊坡模型試驗最終的變形結(jié)果云圖，見圖14。

圖14 各邊坡模型試驗最終的變形結(jié)果Fig.14 Final deformation results of each side slope model tests

由圖14可見，相比于邊坡坡角為60°、巖層傾角為85°的邊坡模型[見圖14(c)]，邊坡坡角為50°、巖層傾倒為85°的邊坡模型只是發(fā)生了回彈變形，巖體已回彈至近垂直向，但巖體并未回彈至反傾狀態(tài)，其變形同樣主要發(fā)生在邊坡中部至坡腳的巖體上，邊坡上部巖體仍沿層面滑動但無明顯變形[見圖14(d)]；而邊坡坡角為60°、巖層傾角為75°的邊坡模型幾乎沒有出現(xiàn)回彈現(xiàn)象，巖體僅有略微向臨空面移動的趨勢[見圖14(b)]。

由此可見，巖層傾角大小是影響順層陡傾巖質(zhì)邊坡產(chǎn)生傾倒變形的關(guān)鍵因素，巖層傾角越大，順層陡傾巖質(zhì)邊坡巖體發(fā)生“轉(zhuǎn)向”至逆傾狀態(tài)所需要的回彈力越小，但巖層傾角的大小并不能作為順層陡傾巖質(zhì)邊坡發(fā)生滑移-彎曲-傾倒變形的判別依據(jù)。邊坡坡高和邊坡坡角同樣也是影響順層陡傾巖質(zhì)邊坡變形破壞模式的重要因素，邊坡坡高越高，邊坡積累的應(yīng)變能越大，在河谷下切的過程中產(chǎn)生的回彈應(yīng)力也越大，而對于邊坡坡角來說，即使巖層傾角較大，滑移-彎曲-傾倒變形也僅僅發(fā)生在邊坡坡角小于巖層傾角的順層邊坡中，當邊坡坡角與巖層傾角大致相等時，順層陡傾巖質(zhì)邊坡可能因重力擠壓沿層面滑動而發(fā)生滑動-彎曲變形破壞，當邊坡坡角大于巖層傾角時順層陡傾巖質(zhì)邊坡往往發(fā)生順層-滑移變形破壞。

3.2 邊坡變形演化過程分析

眾多學者通過變形機理分析認為順層陡傾巖質(zhì)邊坡發(fā)生滑移-彎曲變形時會經(jīng)歷三個過程：輕微彎曲階段、強烈彎曲隆起階段、剪切滑移階段，但目前對于順層陡傾巖質(zhì)邊坡滑移-彎曲-傾倒變形和時效過程鮮有研究。本文根據(jù)底摩擦模型試驗現(xiàn)象，對順層陡傾巖質(zhì)邊坡僅在重力作用下傾倒變形的演化過程進行了初步分析，并結(jié)合其他學者的研究成果，根據(jù)其變形特征可將該演化過程分為3個階段：卸荷回彈階段、滑移-傾倒階段、蠕變-滑移階段(見圖15)。

圖15 順層陡傾巖質(zhì)邊坡傾倒變形的演化過程Fig.15 Toppling formation process of the steep bedding rock slope

(1) 卸荷回彈階段：邊坡在十分強烈的河流下切作用下，邊坡高度不斷增加，邊坡臨空面逐漸形成，導致坡體內(nèi)應(yīng)力重新分布，伴隨巖體中地應(yīng)力的釋放，卸荷作用也在加速，使得巖體中原生及次生結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生拉裂，坡表處巖體首先出現(xiàn)較發(fā)育的卸荷裂隙并不斷向深部延伸；同時，邊坡表面巖層間形成眾多張性裂縫，使得陡傾層狀巖體在自重的作用下將向臨空面發(fā)生初始的彎曲變形。

(2) 滑移-傾倒階段：在邊坡坡肩附近巖體沿著層間滑移錯動，陡傾角的巖體在重力作用下發(fā)生潰曲變形是導致邊坡變形的初始現(xiàn)象；隨著巖體變形向邊坡深部擴展，邊坡前緣巖體在自重作用下以及上覆巖體推力的作用下向臨空面作懸臂梁彎曲，其彎曲-傾倒變形逐漸加??；同時，由于卸荷裂隙不斷張開，邊坡中后部巖體的前壁又形成新的臨空面，為其提供了滑移空間，進而導致漸進連鎖反應(yīng)，使得該部分巖體沿層間滑移錯動，最終在重力擠壓下而呈現(xiàn)滑移-傾倒的變形特征。底摩擦模型試驗所呈現(xiàn)的試驗結(jié)果較好地還原了該階段的變形特征。

(3) 蠕變-滑移階段：在邊坡坡腳被河流侵蝕的持續(xù)作用下，邊坡穩(wěn)定性逐漸減弱，而風化作用造成的崩積物對邊坡頂部的加載使得傾倒的巖體發(fā)生進一步的滑動；隨著傾倒變形的持續(xù)發(fā)展，使得傾倒體的變形形式發(fā)生了根本性變化，傾倒變形體中形成了潛在的彎折帶，這改變了邊坡穩(wěn)定的條件；在水庫蓄水、地震、暴雨等外在因素影響下，彎折帶將進一步深入到坡體內(nèi)部，表現(xiàn)為變形體的整體蠕變滑移，并當坡體內(nèi)彎折帶的剪應(yīng)力超過巖體抗剪強度時，整個邊坡最終沿貫通的結(jié)構(gòu)面滑移。

4 順層陡傾巖質(zhì)邊坡變形的數(shù)值模擬分析

通用離散元程序UDEC是一個處理不連續(xù)介質(zhì)的二維離散元程序，其可用于模擬非連續(xù)介質(zhì)(如巖體中的節(jié)理裂隙等)承受靜載或動載作用下的響應(yīng)，對于研究具有不連續(xù)特征的邊坡模型是十分理想的工具。由于順層陡傾巖質(zhì)邊坡發(fā)生滑移-彎曲變形或者傾倒變形時巖層傾角大多集中在70°～90°之間，邊坡坡面與巖層面大角度相交，邊坡坡角大多集中在40°～60°之間，邊坡坡高一般大于300 m，故本次建立的數(shù)值模型中巖層傾角取65°、75°、85°，邊坡坡角取50°、60°、70°，邊坡坡高取300 m且分三次開挖，每次開挖的高程為100 m，每次開挖后計算40 000步再進行下一級開挖。建模過程中在未開挖區(qū)巖體中設(shè)置隨機節(jié)理，為破裂面的擴展提供更多的潛在路徑，可有效減小數(shù)值模擬的計算量，隨機節(jié)理采用與巖體相同的強度參數(shù)。巖體按彈塑性模型考慮，服從莫爾-庫倫破壞準則；結(jié)構(gòu)面采用節(jié)理面接觸-庫倫滑移模型。邊坡坡面為自由邊界，模型左右邊界約束水平位移，底邊界約束垂直位移，計算時僅考慮重力作用。結(jié)合常見軟巖力學參數(shù)并借鑒其他學者數(shù)值計算實例，綜合考慮確定數(shù)值模型中各類介質(zhì)的力學參數(shù)取值，詳見表4。

表4 巖體和結(jié)構(gòu)面力學參數(shù)取值表Table 4 Mechanics parameters of rock mass and structural plane

4.1 不同邊坡坡角、巖層傾角組合下邊坡的變形特征模擬分析

迭代計算至30萬步時不同邊坡坡角、巖層傾角組合下順層陡傾巖質(zhì)邊坡變形特征的模擬結(jié)果，見圖16。當邊坡坡角為50°時的3組邊坡模型均無明顯變形，故不贅述。

圖16 不同邊坡坡角、巖層傾角組合下順層陡傾巖質(zhì)邊坡的變形特征Fig.16 Deformation characteristics of the steep bedding rock slope with different combination of side slope angle and dip slope angle

由圖16可見，邊坡坡角為60°、巖層傾角為65°的邊坡模型，邊坡坡角為60°、巖層傾角為75°的邊坡模型，邊坡坡角為70°、巖層傾角為75°的邊坡模型均表現(xiàn)為典型的滑移-彎曲變形特征，但是其中邊坡坡角為60°、巖層傾角為75°的邊坡模型中下部巖體只是輕微鼓脹，其余兩組邊坡模型中下部巖體均出現(xiàn)強烈隆起的現(xiàn)象，本文認為滑移-彎曲變形特征與巖層傾角與邊坡坡角之差的關(guān)系密切，巖層傾角與邊坡坡角差值越小，邊坡前緣受阻更微弱，滑移-彎曲變形現(xiàn)象愈明顯；而邊坡坡角為70°、巖層傾角為65°的邊坡模型由于巖層傾角小于邊坡坡角且邊坡臨空條件較好，發(fā)生順層-滑移變形，但當巖層傾角增加為85°時，邊坡模型的變形破壞模式已轉(zhuǎn)變?yōu)榛?彎曲-傾倒變形，此時邊坡坡角為70°、巖層傾角為85°邊坡模型的彎曲-傾倒段僅僅分布于坡角附近，邊坡坡角為60°、巖層傾角為85°邊坡模型的彎曲-傾倒段已經(jīng)延伸至邊坡中部附近。然而，我們目前還無法找到控制“彎曲-傾倒”段分布情況的關(guān)鍵因素。

不同邊坡坡角-巖層傾角組合下順層巖質(zhì)邊坡的變形破壞模式，見表5。

表5 不同邊坡坡角-巖層傾角組合下順層陡斜巖質(zhì)邊坡的變形破壞模式Table 5 Toppling failure deformation mode of the steep bedding rock slope with different combination of side slope angle and dip slope angle

由表5可知，巖層陡傾角是順層巖質(zhì)邊坡發(fā)生滑移-彎曲-傾倒變形的必要條件，與此同時在巖層陡立的前提下巖層傾角與邊坡坡角的差值同樣也是制約順層陡傾巖質(zhì)邊坡變形破壞模式的重要條件。數(shù)值模擬結(jié)果表明:當邊坡坡角大于60°時，若巖層傾角與邊坡坡角之差小于15°，順層陡傾巖質(zhì)邊坡往往會發(fā)生滑移-彎曲變形，若巖層傾角與邊坡坡角之差大于15°，順層陡傾巖層邊坡則發(fā)生滑移-彎曲-傾倒變形，這與順層陡傾巖質(zhì)邊坡傾倒變形各工程實例所統(tǒng)計得到的巖層傾角、邊坡坡角特征大致相同。

4.2 河谷下切過程中邊坡的變形特征模擬分析

為了研究順層陡傾巖質(zhì)邊坡在河谷下切過程中傾倒變形的特征，在邊坡坡面處每隔50 m高程設(shè)置監(jiān)測點(見圖17)，以獲得邊坡坡頂至坡腳各監(jiān)測點的位移變化規(guī)律。本次選取巖層傾角為85°、邊坡坡角為60°的邊坡模型進行變形分析,得到該邊坡不同開挖階段的位移矢量云圖，見圖18。

圖17 邊坡監(jiān)測點布置示意圖Fig.17 Schematic diagram of monitoring point layout of side slope

圖18 邊坡坡角為60°、巖層傾角為85°邊坡模型不同開挖階段的位移矢量云圖Fig.18 Displacement vector diagram side slope of the slope model with side slope angle of 60°and dip slope angle of 85°

由圖18可見，邊坡在第一次開挖和第二次開挖后，邊坡位移矢量均主要分布于坡表且位移矢量方向以朝向臨空面為主，這表明此時邊坡正發(fā)生強烈的卸荷回彈變形[見圖18(a)、(b)]；邊坡在第三次開挖后，邊坡中上部巖體的位移矢量發(fā)生了轉(zhuǎn)向，該部分巖體沿著層面剪切滑移，在坡腳處附近形成位移集中帶，由于巖體根部受阻而發(fā)生滑移-彎曲變形，以至于中部巖體產(chǎn)生輕微鼓脹的現(xiàn)象，而邊坡中下部巖體不僅受到卸荷所產(chǎn)生的回彈力作用，同時也受到上部巖體發(fā)生剪切滑移變形所產(chǎn)生的推力作用，由此發(fā)生了初始的傾倒變形，進而在自重作用下持續(xù)發(fā)生傾倒變形，這與底摩擦模型試驗呈現(xiàn)的試驗結(jié)果一致。

本次數(shù)值模擬中采用摩爾-庫倫模型為拉-剪破壞準則，得到邊坡坡角為60°、巖層傾角為85°邊坡塑性區(qū)分布云圖，見圖19。

圖19 邊坡坡角為60°、巖層傾角為85°邊坡模型的塑性區(qū)分布云圖Fig.19 Distribution nephogram of plastic zone in side slope model with side slope angle of 60° and dip slope angle of 85°

由圖19可見，在邊坡變形過程中，坡表中上部滑移-彎曲段以剪切破壞單元為主，坡表中下部彎曲-傾倒段為拉-剪破壞組合，但因巖體中抗剪強度要遠大于抗拉強度，此部分產(chǎn)生張拉破壞的可能更大。此外，邊坡深部有一條狹長的剪切帶，結(jié)合位移矢量云圖可知，巖體沿著此剪切帶發(fā)生滑移-彎曲-傾倒變形。

由此可見，順層巖質(zhì)邊坡滑移-彎曲-傾倒變形以剪切破壞為主，而反傾巖質(zhì)邊坡的傾倒變形往往以張拉破壞為主。

邊坡各監(jiān)測點

X

、

Y

方向位移時程曲線，見圖20和圖21。

圖20 邊坡坡角為60°、巖層傾角為85°邊坡模型各監(jiān)測點X方向的位移時程曲線Fig.20 X-displacement time history curves of each monitoring point in side slope model with side slope angle of 60° and dip slope angle of 85°

圖21 邊坡坡角為60°、巖層傾角為85°邊坡模型各監(jiān)測點Y方向的位移時程曲線Fig.21 Y-displacement time history curves of each monitoring point in side slope model with side slope angle of 60° and dip slope angle of 85°

由圖20和圖21可見，在第一次開挖和第二次開挖后，邊坡各監(jiān)測點幾乎未產(chǎn)生位移，但在第三次開挖后，邊坡各監(jiān)測點位移呈直線上升狀態(tài)且無收斂趨勢；邊坡

X

方向位移量從坡頂至坡腳先增大后減小，

X

方向位移峰值在監(jiān)測點5處，其位于滑移-彎曲段前緣與彎曲-傾倒段后緣，可以合理推測在經(jīng)歷足夠多的時長后彎曲-傾倒段的巖體將率先折斷，而滑移-彎曲段的巖體在彎曲-傾倒段巖體折斷后繼而發(fā)生累進性的變形，而邊坡下半段巖體

X

方向位移符合反傾巖質(zhì)邊坡的位移特征，從彎曲-傾倒段后緣邊界至坡腳位移逐漸減小(見圖20);邊坡

Y

方向位移量從坡頂至坡腳呈振蕩減小的態(tài)勢，巖體沿層間錯動仍為滑移-彎曲-傾倒變形的主要特征(見圖21)。

為了研究順層陡傾巖質(zhì)邊坡在河谷下切過程中滑移-彎曲變形特征，在坡面處每隔50 m高程設(shè)置監(jiān)測點，選取邊坡坡角為70°、巖層傾角為75°的邊坡模型進行變形分析,得到該邊坡不同開挖階段的位移矢量云圖，見圖22。

圖22 邊坡坡角為70°、巖層傾角為75°邊坡模型不同開挖階段的位移矢量云圖Fig.22 Displacement vector images of the model with slope angle of 70°and inclination angle of 75° at different excavation stages

由圖22可見，邊坡在第一次開挖后同樣也產(chǎn)生了卸荷回彈變形,邊坡位移矢量均主要分布于坡表且位移矢量方向以朝向臨空面為主；但在邊坡第二次開挖后，邊坡位移矢量已經(jīng)發(fā)生了變化，此時巖體位移方向以沿層間下滑為主；在邊坡第三次開挖后，巖體沿層面剪切滑移加劇，在坡腳形成應(yīng)力集中帶。此外，順層陡傾巖質(zhì)邊坡發(fā)生滑移-彎曲變形時，位移僅分布在坡表巖體附近，而順層陡傾巖質(zhì)邊坡發(fā)生滑移-彎曲-傾倒變形時，位移已經(jīng)延伸至邊坡內(nèi)部。

邊坡坡角為70°、巖層傾角為75°邊坡模型的塑性區(qū)分布云圖見圖23，該邊坡各監(jiān)測點

X

、

Y

方向的位移時程曲線見圖24和圖25。

圖23 邊坡坡角為70°、巖層傾角為75°邊坡模型的塑性區(qū)分布云圖Fig.23 Distribution nephogram of plastic zone in side slope model with side slope angle of 70° and dip slope angle of 75°

圖24 邊坡坡角為70°、巖層傾角為75°邊坡模型各監(jiān)測點X方向的位移時程曲線Fig.24 X-displacement time history curves of each monitoring point in side slope model with side slope angle of 70°and dip slope angle of 75°

圖25 邊坡坡角為70°、巖層傾角為75°邊坡模型各監(jiān)測點Y方向的位移時程曲線Fig.25 Y-displacement time history curves of each monitoring point in side slope model with side slope angle of 70°and dip slope angle of 75°

由圖23、圖24和圖25可見，邊坡坡角為70°、巖層傾角為75°邊坡模型變形過程中，坡表巖體存在大量剪切破壞單元，而在彎曲隆起段出現(xiàn)大量剪切裂隙和拉張裂隙帶；邊坡坡頂至邊坡中部巖體

Y

方向位移量及位移增加速率遠遠大于其他監(jiān)測點，邊坡頂部至坡腳巖體

Y

方向位移逐漸減小(見圖25)，這表明該類型邊坡的主要運動形式為巖體沿層面下滑，這導致了坡腳應(yīng)力集中的現(xiàn)象；邊坡中下部巖體更多地表現(xiàn)為受上部巖體重力擠壓而鼓脹，導致該部分巖體

Y

方向位移較小且

X

方向位移在坡腳鼓脹區(qū)(監(jiān)測點5、6)位移會急劇增加；邊坡各監(jiān)測點的位移都在持續(xù)增加，表明坡面已經(jīng)產(chǎn)生滑塌現(xiàn)象。

5 結(jié) 論

通過對順層陡傾巖質(zhì)邊坡實際工程案例的分析，以及不同邊坡坡角、巖層傾角組合下邊坡模型的室內(nèi)底摩擦模型試驗和數(shù)值模擬計算，本文得出以下結(jié)論：

(1) 傾倒變形往往發(fā)生于巖層傾角為70°～90°、邊坡坡角為40°～60°、且坡高大于300 m的順層陡傾巖質(zhì)邊坡中，滑移-彎曲變形往往發(fā)生于巖層傾角為50°～70°、邊坡坡角為15°～60°、且坡高在300 m左右的順層陡傾巖質(zhì)邊坡中。河谷下切、巖土風化、軟弱夾層、降雨作用、地震作用等因素均對順層陡傾巖質(zhì)邊坡的變形具有誘發(fā)作用。

(2) 順層陡傾巖質(zhì)邊坡傾倒變形具有明顯的分段特征：在重力作用下，以邊坡中下部形成的反坡陡坎為界，上部巖體發(fā)生滑移-傾倒變形，下部巖體發(fā)生彎曲-傾倒變形。順層陡傾巖質(zhì)邊坡滑移-彎曲-傾倒變形以剪切破壞為主，當坡體內(nèi)彎折帶的剪應(yīng)力超過巖體抗剪強度時，整個坡體最終發(fā)生蠕變-滑移變形破壞。根據(jù)其變形特征可將順層陡傾巖質(zhì)邊坡發(fā)生傾倒變形的演化過程分為卸荷回彈、滑移-傾倒和蠕變-滑移3個階段。

(3) 巖層陡傾角是順層陡傾巖質(zhì)邊坡發(fā)生滑移-彎曲-傾倒變形的必要條件。當邊坡坡角大于60°且?guī)r層傾角與邊坡坡角之差小于15°時，順層陡傾巖質(zhì)邊坡往往發(fā)生滑移-彎曲變形，而當巖層傾角與邊坡坡角之差大于15°時，則其發(fā)生滑移-彎曲-傾倒變形。