降雨入滲過程中巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析

屈曉明，陳 龍

(湖北煤炭地質(zhì)一二五隊，湖北 宜昌 443000)

0 引 言

我國土木工程建設施工過程中，受到地勢結(jié)構(gòu)分布的多樣性因素的影響[1]，滑坡事故經(jīng)常發(fā)生，巖質(zhì)邊坡降雨入滲過程的穩(wěn)定性分析難度極大，帶來嚴重的經(jīng)濟財產(chǎn)損失和人員傷亡。邊坡穩(wěn)定分析是經(jīng)典土力學領域最早研究的問題，眾多學者對此進行了研究。林國財?shù)萚2]設計了邊坡內(nèi)部水分擴散過程以及暫態(tài)飽和區(qū)擴展過程試驗，通過室內(nèi)人工降雨物理模型，分析砂土質(zhì)邊坡降雨入滲情況下的試驗結(jié)果，但其缺少試驗約束條件，定性效果較差；馮忠居等[3]分析了溝谷地形對高填方蓋板涵受力及填土沉降特性的影響，但其量化分析能力不足，無法合理解釋及預測邊坡的滑移趨勢。為此，本文提出基于邊坡滑移后塊體趨勢分析的降雨入滲過程中巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析模型，其創(chuàng)新之處在于引入SURPAC三維模型，模擬斷續(xù)節(jié)理變形及破壞過程，實現(xiàn)了對降雨入滲過程中的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的定向和定量分析，提高了降雨入滲過程中的巖質(zhì)邊坡安全穩(wěn)定量化分析能力。

1 降雨入滲過程中巖質(zhì)邊坡穩(wěn)態(tài)力學分析

采用立體邊坡自動監(jiān)測方法，實現(xiàn)對降雨入滲過程中的巖質(zhì)邊坡力學參數(shù)分析。對任意塊體的彈性勢能應變參數(shù)，假定巖質(zhì)邊坡2個塊體進行模擬分析，采用最大基元破壞參數(shù)分析方法，構(gòu)建已知塊體的邊界及位移關(guān)系，結(jié)果見圖1。

圖1 已知塊體的邊界及位移關(guān)系

F=l(gi+1)3+…+l(gi)2-ρhln(E0-pbgi)

(1)

式中，F(xiàn)為最大拉應變力；E0為點荷載力。

引入數(shù)學領域的韋伯分布，分析極限時彈性拉伸應變[8-9]，得到降雨入滲巖質(zhì)邊坡的潛在邊界條件，即

(2)

式中，C為潛在邊界限制性系數(shù)；Dj為時滯項；Nj為線彈性斷裂力參數(shù)。

根據(jù)上述分析，求得位移及塊體的邊界，由此建立降雨入滲巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性力學分析模型，進而完成降雨入滲巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)的動態(tài)分析。

2 試驗測試與驗證

試驗測試用邊坡為某省采礦施工區(qū)高速公路邊坡，位于中緯度季風環(huán)流區(qū)中部，屬于高度降雨入滲巖質(zhì)區(qū)域，6月～7月為雨季，且空間分布極不均勻，多為連續(xù)降水，年均氣溫為15.5 ℃，無霜期220～240 d。在該自然條件下，該邊坡區(qū)域的年降雨量為539.5 mm。巖質(zhì)區(qū)域地面高程為880～1 200 m，地表切割深度約320 m，邊坡長度約340 m，邊坡高度約146 m，自然坡度上緩下陡，滑坡體周圍自然坡角為30°～70°，地表植被稀疏，南岸底部樹木繁茂，上部大部分為種植地。周圍大量土方開挖改變并堵塞雨水排水通道，使降水在邊坡上長期沉積，逐漸垂直滲透。

測試過程如下：①將雨量儀設置在采礦施工區(qū)附近，保證雨量儀視野開闊，無樹木、房屋等障礙，保證雨季過程記錄準確。②將6個連續(xù)拱形邊坡作為研究對象，其中包含采空區(qū)。為保證任意塊體都可以完成測試過程，每個塊體劃分為100個分布域。在邊坡底部建造1個沉淀池，統(tǒng)一設置植物保護措施，拱形邊坡坡度為100°，由1個矩形和2個半跑道拱組成，沉淀池的規(guī)格為2 m×5 m，拱半徑為1 m，剩余的完整方形部分規(guī)格為2 m×2 m。共建有沉淀池6座，坡度為1∶1.5。巖質(zhì)邊坡匯總見表1。

表1 巖質(zhì)邊坡匯總

采用模型增量位移截面圖分析的方法，模擬上述6個連續(xù)拱形邊坡的節(jié)理變形及破壞過程，結(jié)果見圖2。圖2中，1～16為不同位置的邊坡入滲參考點。根據(jù)圖2的模型增量位移云圖分析結(jié)果，以邊坡坡頂、坡角及采空區(qū)部位的應力等為約束介質(zhì)參量，結(jié)合邊坡滑移后塊體趨勢特征分析，模擬斷續(xù)節(jié)理變形及破壞過程，得到參考點應力參數(shù)解析結(jié)果，見表2。

依據(jù)表2的參數(shù)解析結(jié)果，根據(jù)法向、切向應力與自重應力分布，取高度為20 m，分析不同塊體滑移時間步數(shù)下豎向滑移距離，結(jié)果見圖3。從圖3可知，隨著滑移時間步數(shù)的增大，加載步數(shù)的增加，巖質(zhì)邊坡降雨入滲過程坡體達到穩(wěn)定滑移狀態(tài)。

圖2 模型增量位移截面

表2 邊坡入滲巖質(zhì)參考點應力參數(shù)解析結(jié)果 MPa

邊坡法向應力與切向應力分布的測試結(jié)果見圖4。從圖4可知，隨著滑動面上點距坡腳水平距離的增加，法向應力與切向應力呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，應力跡線都沒有發(fā)生明顯的偏轉(zhuǎn)，表明本文方法可以有效分析自重應力引起的有關(guān)的變形破壞過程。

圖3 不同塊體滑移時間步數(shù)下豎向滑移距離

圖4 邊坡法向應力與切向應力分布

用強度折減法和極限平衡法2種方法，對邊坡安全系數(shù)與坡度、坡高關(guān)系進行分析，結(jié)果見圖5。從圖5可知，2種方法的曲線波動態(tài)勢較為擬合，說明本文方法能夠準確模擬穩(wěn)定性安全狀態(tài)下邊坡的應力分布。

圖5 邊坡安全系數(shù)

在此基礎上，測試穩(wěn)定狀態(tài)下的邊坡力學參數(shù)，結(jié)果見表3。從表3可知，在滑入點距坡頂邊緣距離不斷增加的情況下，安全系數(shù)較為穩(wěn)定，穩(wěn)定性系數(shù)、破裂程度的數(shù)值波動較小，表明本文方法能準確模擬和量化分析邊坡的安全系數(shù)、應力-應變場的變化情況，提高了降雨入滲過程中的巖質(zhì)邊坡安全穩(wěn)定量化分析能力。

表3 邊坡安全系數(shù)和穩(wěn)定性參數(shù)量化解析結(jié)果

3 結(jié) 語

本文提出基于邊坡滑移后塊體趨勢分析的降雨入滲過程中巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析模型，根據(jù)水平向應力與結(jié)果分布值，結(jié)合裂紋萌生、發(fā)展、貫通的力學分布，采用彈性勢能加載的方法，得到降雨入滲過程中巖質(zhì)邊坡的斷層分布，采用最大基元破壞參數(shù)分析方法，建立降雨入滲巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性力學分析模型，進行降雨入滲巖質(zhì)的邊坡失穩(wěn)動態(tài)分析。研究得知，本文方法能準確量化分析降雨入滲巖質(zhì)的邊坡穩(wěn)定性，模擬和量化分析邊坡的安全系數(shù)、應力-應變場的變化情況。