含軟弱夾層的緩傾紅層邊坡切坡失穩(wěn)特征數(shù)值模擬研究

武志剛，夏陽，李自

（1重慶市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)工程質(zhì)量總站，重慶 400014；2重慶市南岸區(qū)建設(shè)工程施工安全監(jiān)督站，重慶 400060；3重慶市綦江區(qū)市政管理所，重慶 401420）

0 引言

紅層是經(jīng)紅色陸相沉積而成的白堊紀(jì)、侏羅紀(jì)地層，廣泛分布于我國西南地區(qū)。其巖層以砂泥巖為主，多為軟硬互層結(jié)構(gòu)。由于紅層巖體強(qiáng)度較低，風(fēng)化程度高，且含有大量蒙脫石、伊利石等礦物成分，因此吸水易軟化，失水易崩解。這種特殊巖性往往導(dǎo)致紅層邊坡對外界因素的敏感性較高，其穩(wěn)定性易受擾動。

已有學(xué)者對紅層邊坡的典型巖體結(jié)構(gòu)特征及擾動因素進(jìn)行了研究。胡厚田等[1]基于紅層巖體特征提出了4個(gè)紅層邊坡巖體結(jié)構(gòu)劃分依據(jù)，并以此推廣劃分了13個(gè)類型和亞類，為紅層邊坡的研究奠定了基礎(chǔ)。肖尚德等[2]從影響因素層面上將紅層邊坡變形破壞劃分為軟硬巖層差異風(fēng)化、順層面與坡面不利組合與人工切坡擾動3種。邱恩喜等[3]通過對重慶、云南等紅層邊坡進(jìn)行大量野外調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析，研究了坡高、巖塊強(qiáng)度、彈性模量和泊松比對其穩(wěn)定性的影響程度。宋婭芬等[4]依托實(shí)際工程，建立了軟硬互層邊坡物理模型，研究了開挖狀況下邊坡破壞模式及滑移規(guī)律。楊旭等[5]依據(jù)物理模型試驗(yàn)研究了華南紅層軟巖邊坡在各雨況下的災(zāi)變過程及發(fā)展特征。盧海峰等[6]分析了巴東組紅層邊坡軟弱夾層的剪切流變特性，發(fā)現(xiàn)節(jié)理裂隙擴(kuò)展、坡腳開挖、雨水入滲軟化層面共同造成了紅層邊坡的失穩(wěn)。

從以上研究中不難發(fā)現(xiàn)，切坡開挖導(dǎo)致的臨空面是紅層邊坡發(fā)生滑移破壞的基礎(chǔ)，而對紅層的研究大多集中于層面傾角較大的邊坡，對于傾角20°以下的緩傾紅層邊坡還研究得比較少。依據(jù)剛體極限平衡分析理論以及人們以往的勘察設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，此類邊坡在天然情況下自穩(wěn)性較高，不易發(fā)生失穩(wěn)破壞。然而，由于紅層巖體的特殊性，加之切坡卸荷過程中，邊坡內(nèi)部應(yīng)力重新分布，因此剪應(yīng)力集中于坡腳。同時(shí)，紅層中因軟硬巖差異風(fēng)化常賦存有泥化夾層等軟弱層面，當(dāng)此類軟弱夾層因切坡開挖導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)面外露于臨空處時(shí)，邊坡上部就很容易沿軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑移。此外，緩傾紅層邊坡一般滑移帶較長，破壞時(shí)兼具規(guī)模廣、范圍大等特點(diǎn)，災(zāi)害發(fā)生后易造成嚴(yán)重的人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失[7]。MidasGTS/NX作為一款成熟的有限元分析軟件已被眾多學(xué)者使用，且模擬效果與實(shí)際工程吻合度較高[8-10]。因此，本文基于此軟件研究含軟弱夾層的緩傾紅層邊坡切坡失穩(wěn)特征，對于預(yù)防滑坡失穩(wěn)和指導(dǎo)工程施工都有一定參考價(jià)值。

1 方法及建模

1.1 有限元強(qiáng)度折減法

所謂強(qiáng)度折減，就是在有限元計(jì)算中利用一個(gè)折減系數(shù)Fs將抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ不斷降低至巖土體處于極限破壞狀態(tài)時(shí)，可用下式表示：式中：c、φ為未折減前巖土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；cf、φf為折減后巖土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；τf為折減后巖土體的抗剪強(qiáng)度；Fs為折減系數(shù)。有限元數(shù)值模擬計(jì)算中強(qiáng)度折減法的破壞依據(jù)一般以計(jì)算不收斂、塑形區(qū)貫通以及位移出現(xiàn)拐點(diǎn)三類為判斷標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)巖土體抗剪強(qiáng)度減少至破壞狀態(tài)時(shí)所得的折減系數(shù)Fs即為巖土體的強(qiáng)度儲備安全系數(shù)。

1.2 邊坡模型的建立

擬建紅層邊坡模型斷面如圖1所示，下部為中風(fēng)化砂巖，上覆中風(fēng)化泥巖，砂泥巖層面傾角為15°，坡體內(nèi)部含有厚度為2m的軟弱泥化夾層。為了提高有限元計(jì)算精度，對于邊界范圍大小的取值，鄭穎人等[11]建議模型邊坡坡腳到右端邊界的距離宜取坡高的1～1.5倍，坡頂?shù)阶蠖诉吔绲木嚯x宜取坡高的2.5～3倍?；诖嗽瓌t及邊坡斷面，在Midas GTS/NX上建立一個(gè)軸向延伸12m的三維邊坡模型，該模型共生成6140個(gè)節(jié)點(diǎn)、4410個(gè)單元，如圖2所示。邊界條件：上部邊界無約束，左右兩側(cè)邊界水平約束，底部邊界固定。

圖1 邊坡斷面圖

圖2 邊坡三維模型圖

1.3 巖土物理力學(xué)參數(shù)

本次計(jì)算所涉及的巖體為中風(fēng)化泥巖及中風(fēng)化砂巖，模型均采用摩爾庫倫（Mohr-Coulomb）屈服準(zhǔn)則，天然狀態(tài)下巖體及軟弱泥化夾層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

1.4 開挖工況方案

該模型邊坡工況擬設(shè)計(jì)為兩階段開挖，第一階段對上覆中風(fēng)化泥巖層以1:0.3坡比進(jìn)行開挖，如圖3所示。第二階段對軟弱泥化夾層以1:0.3坡比進(jìn)行開挖，如圖4所示。以此分析原始坡體及兩階段開挖下邊坡應(yīng)力、位移場特征及穩(wěn)定性變化。

圖3 一級開挖

圖4 二級開挖

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 開挖過程應(yīng)力場特征

含軟弱夾層的緩傾紅層邊坡各開挖工況下最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力云圖如圖5、圖6所示。

圖5 開挖過程最大主應(yīng)力云圖

圖6 開挖過程最小主應(yīng)力云圖

從圖5及圖6中可以看出，隨著邊坡不斷開挖，坡體內(nèi)應(yīng)力重新調(diào)整分布，最大及最小主應(yīng)力在開挖面附近發(fā)生偏轉(zhuǎn)。圖5 a）及圖6 a）表明一級開挖未至軟弱夾層時(shí)，坡腳附近出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，此時(shí)應(yīng)采取一定防護(hù)措施對其進(jìn)行支護(hù)。圖5 b）及圖6 b）表明二級開挖至軟弱夾層以后，最大及最小主應(yīng)力主要集中在開挖面軟弱夾層附近。同時(shí)，由于巖體卸荷回彈效應(yīng)，開挖過程中坡腳及軟弱夾層面附近產(chǎn)生拉應(yīng)力，易出現(xiàn)局部開裂現(xiàn)象，施工時(shí)需重點(diǎn)監(jiān)測。

2.2 開挖過程位移場特征

為研究邊坡在各級開挖工況下的位移特征，在坡頂及坡面布置5個(gè)位移監(jiān)測點(diǎn)，如圖7所示。同時(shí)，規(guī)定邊坡水平位移向右為正方向，豎直位移向上為正方向。

圖7 邊坡位移監(jiān)測點(diǎn)布置

通過有限元模擬計(jì)算后，圖8為各開挖工況下監(jiān)測點(diǎn)處水平位移與豎直位移變化曲線。

圖8 開挖過程中各監(jiān)測點(diǎn)位移變化

圖8很好地反映了該含軟弱夾層的緩傾紅層邊坡在開挖過程中各典型部位的位移變化過程，從圖8a）可以看出，邊坡各監(jiān)測點(diǎn)的水平位移隨著進(jìn)一步開挖而不斷增大，且開挖至軟弱泥化夾層時(shí)，各測點(diǎn)水平位移速率提高。其中，監(jiān)測點(diǎn)4即軟弱夾層上表面的水平位移變化最大，夾層開挖后該點(diǎn)坡面水平位移接近30cm，是此類邊坡在切坡過程中需要重點(diǎn)防護(hù)的部位。監(jiān)測點(diǎn)5即軟弱夾層以下的巖層坡面水平位移變化較小，開挖過程坡面處的水平位移變化高于坡頂處。圖8b）表明該緩傾紅層邊坡在開挖過程中各點(diǎn)產(chǎn)生的豎直位移遠(yuǎn)小于水平位移，這是緩傾層狀邊坡區(qū)別于陡坡邊坡的一個(gè)最本質(zhì)的位移變化特征。其中，坡頂監(jiān)測點(diǎn)1、2在開挖過程中主要發(fā)生向下的豎直位移，而坡面的監(jiān)測點(diǎn)3、4則發(fā)生向上的豎直位移。原因在于坡體開挖卸荷過程中，坡面處應(yīng)力重新分布，局部應(yīng)力集中而產(chǎn)生卸荷回彈現(xiàn)象。該現(xiàn)象在差異巖層界面表現(xiàn)得更為明顯，即監(jiān)測點(diǎn)4軟弱夾層與上部泥巖層坡面接觸處。同時(shí)，監(jiān)測點(diǎn)5坡底的水平位移在開挖過程中變化仍較小。圖8c）也證明該緩傾紅層邊坡切坡過程中各監(jiān)測點(diǎn)的總體位移變化與水平位移變化值相差較小，進(jìn)一步說明緩傾紅層邊坡以水平位移變化為主。而監(jiān)測點(diǎn)5坡底的水平位移與豎直位移變化均較小，表明軟弱泥化夾層下部巖土位移不明顯，從而說明含軟弱夾層的緩傾紅層邊坡切坡后坡體變形主要集中于夾層及上部巖層，施工時(shí)應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控。

2.3 開挖過程邊坡穩(wěn)定性強(qiáng)度折減分析

采用Midas GTS/NX內(nèi)嵌的強(qiáng)度折減法分別對含軟弱夾層的緩傾砂泥巖互層邊坡原始坡形以及兩次開挖工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行模擬計(jì)算，其結(jié)果見表2、圖9。各工況下的最大剪切應(yīng)變云圖見圖10，該圖可表征邊坡潛在滑移模式。

表2 含軟弱夾層的緩傾紅層邊坡穩(wěn)定性強(qiáng)度折減結(jié)果

圖9 各切坡工況下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)

從表2中可以看出，未開挖狀態(tài)下，該緩傾邊坡強(qiáng)度折減計(jì)算后穩(wěn)定性系數(shù)高達(dá)2.51，遠(yuǎn)高于規(guī)范所規(guī)定的一級邊坡安全系數(shù)值1.35，因此自穩(wěn)性較好。圖10a）表明坡體軟弱夾層累積較大剪切應(yīng)變能，為該緩傾紅層邊坡的主要潛在滑移面，但由于邊坡下部被約束，剪切應(yīng)變能得不到釋放，因此不會產(chǎn)生明顯的剪切滑移。當(dāng)上部中風(fēng)化泥巖層一經(jīng)開挖，穩(wěn)定性系數(shù)迅速降低至1.41，其原因主要在于切坡使夾層內(nèi)應(yīng)力釋放，并導(dǎo)致泥巖結(jié)構(gòu)面外露，加之中風(fēng)化泥巖層間強(qiáng)度較低，前緣臨空牽引后緣巖體向臨空面滑動。但圖10b）表明該級開挖未至軟弱夾層，夾層上還覆蓋有一定厚度的泥巖層作為反壓，小幅度緩解了剪切位移。表2及圖10c）說明二級開挖至軟弱夾層后，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)僅剩1.19，低于一級邊坡所規(guī)定的安全系數(shù)，夾層以上的巖體易沿軟弱泥化夾層發(fā)生滑移，因此需采取相關(guān)措施提前進(jìn)行支護(hù)處理。

3 結(jié)論

本文通過有限元軟件Midas GTS/NX模擬分析了含軟弱夾層的緩傾紅層邊坡切坡過程中應(yīng)力位移變化特征及強(qiáng)度折減下的穩(wěn)定性系數(shù)，主要得到以下結(jié)論：

（1）邊坡開挖過程中，坡體內(nèi)應(yīng)力重新分布，大小主應(yīng)力在開挖面附近發(fā)生偏轉(zhuǎn)；

（2）未開挖至軟弱夾層時(shí)，坡腳處出現(xiàn)剪應(yīng)力集中現(xiàn)象。開挖至軟弱夾層以后，軟弱夾層面會出現(xiàn)拉應(yīng)力集中現(xiàn)象；

（3）含軟弱夾層的緩傾紅層邊坡切坡過程以水平位移為主，豎直位移較小，同時(shí)軟弱夾層開挖面附近位移最大，而夾層以下部分位移不明顯，因此切坡后坡體變形主要集中于夾層及上部巖層，施工時(shí)應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控；

（4）邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨切坡進(jìn)程不斷降低，當(dāng)軟弱夾層被開挖以后，坡體穩(wěn)定性系數(shù)大幅下降，夾層以上的巖體易沿軟弱泥化夾層發(fā)生滑移，工程中對于此類邊坡需提前采取相關(guān)措施進(jìn)行支護(hù)處理。