反傾層狀邊坡變形破壞離散元數(shù)值模擬研究

王秀菊

(南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系， 南京 211188)

反傾層狀邊坡變形破壞離散元數(shù)值模擬研究

王秀菊

(南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系， 南京 211188)

針對(duì)工程實(shí)踐中常見(jiàn)的反傾層狀巖體邊坡，在室內(nèi)不同浸水時(shí)間三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上分析了軟化效應(yīng)．然后運(yùn)用離散元UDEC方法建立了反傾層狀邊坡數(shù)值模型，考慮水的劣化效應(yīng)，研究不同坡高、坡角、結(jié)構(gòu)面傾角、結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響及變形破壞范圍，探討了反傾層狀邊坡水劣化作用下的變形破壞機(jī)理．結(jié)果表明：坡腳軟化在許多情況下是最不利的因素；層面傾角超過(guò)50°時(shí)，邊坡具備產(chǎn)生強(qiáng)烈傾倒變形條件，反之則以折斷滑動(dòng)為主；隨著結(jié)構(gòu)面摩擦力和粘聚力的減小，邊坡的潛在破壞范圍和深度呈現(xiàn)增大趨勢(shì)．研究結(jié)果可為傾倒變形邊坡的工程治理提供參考．

反傾層狀邊坡； 水劣化； 數(shù)值模擬； 離散元法; 穩(wěn)定性

巖石遇水軟化現(xiàn)象普遍存在于我國(guó)重大工程建設(shè)中的巖體工程中，是造成邊坡、基坑、隧道等變形破壞或產(chǎn)生安全隱患的重要因素[1]．尤其是反傾層狀巖體，潛在滑動(dòng)面通常并不沿著結(jié)構(gòu)面，而是呈現(xiàn)傾倒變形破壞模式，其變形破壞與坡角、結(jié)構(gòu)面傾角、坡高、結(jié)構(gòu)面參數(shù)等密切相關(guān)，變形破壞機(jī)理復(fù)雜，是巖石力學(xué)與工程、水利水電工程領(lǐng)域的關(guān)心問(wèn)題之一[2-5]．

傾倒變形破壞[6-7]是反傾巖質(zhì)層狀邊坡的一種典型破壞失穩(wěn)形式．邊坡變形時(shí)除了沿著結(jié)構(gòu)面錯(cuò)動(dòng)外，邊坡上部的淺表層可能會(huì)向臨空方向產(chǎn)生彎曲、折斷[8-10]，按照其力學(xué)模式可以分成塊狀傾倒、彎曲傾倒和塊狀-彎曲組合式傾倒，分別對(duì)應(yīng)圖1所示左中右3圖．

圖1 常見(jiàn)傾倒變形破壞形式

針對(duì)各種變形模式，除了常規(guī)的地質(zhì)力學(xué)分析外，近年來(lái)也有很多學(xué)者將連續(xù)介質(zhì)和非連續(xù)介質(zhì)等數(shù)值方法[11]，用于傾倒變形體的穩(wěn)定性分析中，也能夠很好的反映傾倒變形的形成機(jī)制．這些研究表明：初始應(yīng)力場(chǎng)、天然邊坡形態(tài)、開(kāi)挖范圍與開(kāi)挖方式、巖體與結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)、地下水、降雨入滲都可能對(duì)傾倒變形邊坡穩(wěn)定性和變形特征產(chǎn)生影響．但是由于問(wèn)題的復(fù)雜性，當(dāng)前研究中尚缺少不同邊坡幾何、力學(xué)參數(shù)間的對(duì)比研究．

本文采用塊體離散單元法(UDEC)，分別建立不同坡高、坡面傾角、結(jié)構(gòu)面傾角、結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度的反傾層狀邊坡模型，并考慮巖體的遇水軟化特性，分析反傾層狀巖體邊坡的穩(wěn)定性變化規(guī)律，為該類(lèi)邊坡的治理措施確定提供參考．

1 水對(duì)巖體的影響

依托瀾滄江某水電工程的反傾層狀邊坡地質(zhì)條件，首先開(kāi)展不同水浸泡時(shí)間作用下常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)，獲得了相應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，典型試驗(yàn)曲線(xiàn)如圖2所示．基于試驗(yàn)結(jié)果，匯總了浸泡時(shí)間對(duì)巖石強(qiáng)度參數(shù)的影響，以反映該類(lèi)巖石的軟化效應(yīng)，見(jiàn)表1．

圖2 典型水浸泡后巖石應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)

強(qiáng)度參數(shù)浸泡時(shí)間/d03090150210270內(nèi)摩擦角φ/°56.7650.3758.9252.4353.9854.54粘聚力c/MPa15.1613.4310.5812.6013.2012.85內(nèi)摩擦角φ變化值/%0-11.253.80-7.63-4.90-3.81粘聚力c變化值/%0-11.41-30.21-16.89-12.93-15.23

表1表明，天然情況下試樣內(nèi)摩擦角與黏聚力分別為56.76°、15.16 MPa，隨著浸泡時(shí)間的增加其值均有所降低，最大可達(dá)30.21%，其中黏聚力比內(nèi)摩擦角受水影響更為顯著。當(dāng)層狀邊坡在水中浸泡后，結(jié)構(gòu)面與巖體強(qiáng)度參數(shù)均會(huì)減小，這對(duì)邊坡穩(wěn)定性有重要的影響。為了考慮水的影響，本文基于無(wú)水工況下的模型，將試驗(yàn)強(qiáng)度參數(shù)按照不同浸泡時(shí)間進(jìn)行選取，則可反映不同程度水劣化的影響．由于這一規(guī)律并不呈線(xiàn)性變化，因此以下計(jì)算模型均取浸泡270 d的室內(nèi)試驗(yàn)值，軟化系數(shù)(浸水單軸抗壓強(qiáng)度/干燥條件下單軸抗壓強(qiáng)度)取0.8來(lái)考慮．

2 邊坡數(shù)值模型

離散元允許層面之間發(fā)生張拉破壞和剪切滑移，層間巖體可以發(fā)生屈服破壞，因而可以較好地模擬傾倒變形邊坡的變形特征，故采用離散元程序UDEC模擬反傾層面是合理可行的，模型如圖3所示．

圖3 邊坡計(jì)算概化離散元模型

其中，h為邊坡坡高，β為邊坡坡角，γ為邊坡反傾結(jié)構(gòu)面傾角．坡高h(yuǎn)=100 m、邊坡坡角β=60°、邊坡反傾結(jié)構(gòu)面傾角γ=70°．采用表1所示無(wú)水強(qiáng)度參數(shù)，利用強(qiáng)度折減法計(jì)算所得安全系數(shù)是1.68，邊坡坡面上等間距布置編號(hào)為1～4的4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用以監(jiān)測(cè)邊坡巖體和結(jié)構(gòu)面參數(shù)弱化后各部位的變形差異，進(jìn)而分析各因素對(duì)傾倒變形量級(jí)的影響，其中不同折減系數(shù)下4個(gè)測(cè)點(diǎn)的位移變化曲線(xiàn)如圖4所示．

圖4 典型點(diǎn)強(qiáng)度折減位移監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)

計(jì)算時(shí)采用強(qiáng)度折減法(c，φ等比例折減)計(jì)算邊坡安全系數(shù)．計(jì)算中對(duì)邊坡巖塊和結(jié)構(gòu)面均采用理想彈塑性摩爾庫(kù)倫模型，巖塊和結(jié)構(gòu)面屈服以后不考慮其強(qiáng)度衰減．根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，邊坡巖體與結(jié)構(gòu)面無(wú)水條件下的參數(shù)見(jiàn)表2．

表2 巖體與結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)表(干燥條件)

基于給定的巖體和結(jié)構(gòu)面力學(xué)指標(biāo)，如果在降雨工況可考慮強(qiáng)度軟化系數(shù)0.8，再利用強(qiáng)度折減法計(jì)算安全系數(shù)，發(fā)現(xiàn)與無(wú)水工況下安全系數(shù)1.68相比，水劣化后安全系數(shù)為1.48，降低了11.9%．

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 坡高影響

采用表2參數(shù)，固定坡面傾角45°，結(jié)構(gòu)面反傾45°層間厚度5 m，得不同坡高下的計(jì)算模型及各坡高條件下的安全系數(shù)如圖5(a)所示，可見(jiàn)邊坡的安全系數(shù)隨著坡高增大而單調(diào)減小．坡高對(duì)傾倒變形邊坡穩(wěn)定性的影響顯然是存在的，并且坡高達(dá)到一定量級(jí)以后，再增加坡高安全系數(shù)減小的幅度相對(duì)較?。畧D5(b)、圖5(c)為不同坡高條件下，巖體和結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度折減不同程度的計(jì)算結(jié)果．監(jiān)測(cè)點(diǎn)4位于坡頂，監(jiān)測(cè)點(diǎn)2位于邊坡中部．計(jì)算結(jié)果顯示，強(qiáng)度折減同樣程度，傾倒變形量值存在明顯的差異性：坡高較大邊坡的傾倒變形明顯大于坡高較低邊坡的傾倒變形，無(wú)論是坡頂?shù)谋O(jiān)測(cè)點(diǎn)和邊坡中部的監(jiān)測(cè)點(diǎn)都顯示出這種規(guī)律．以坡高75 m的邊坡和坡高150 m的邊坡為例，巖體和結(jié)構(gòu)面參數(shù)折減1.2倍，二者在坡頂?shù)淖冃瘟肯嗖罱咏?～10倍．這種差異性揭示出一些較高的傾倒變形邊坡可以經(jīng)歷較大的變形而繼續(xù)保持穩(wěn)定．圖6為不同坡高下邊坡傾倒破壞形態(tài)．

圖5 不同坡高模型安全系數(shù)變化及典型測(cè)點(diǎn)位移變化

圖6 不同坡高下邊坡傾倒破壞形態(tài)

由圖6可知，邊坡的破壞范圍和深度隨著坡高的增加呈現(xiàn)增大趨勢(shì)．在當(dāng)前巖體參數(shù)下，通過(guò)強(qiáng)度折減法獲得的邊坡潛在破壞模式為彎折傾倒破壞，破壞面為典型的層面折斷帶．

3.2 坡角影響分析

與坡高影響的分析方法一致，采用表2參數(shù)，固定計(jì)算模型坡高均為100 m，反傾結(jié)構(gòu)面傾角45°，層間厚度5 m，分別建立40°、50°、60°和70°四種典型坡角模型進(jìn)行計(jì)算，如圖7所示．結(jié)果表明：邊坡坡角越大，巖體和結(jié)構(gòu)面軟化導(dǎo)致的變形增加越明顯；隨著邊坡坡角的增加，邊坡傾倒變形特性愈發(fā)顯著，同時(shí)潛在破壞范圍也呈現(xiàn)增大趨勢(shì)．

圖7 不同坡角下邊坡安全系數(shù)與破壞模式對(duì)比

3.3 結(jié)構(gòu)面傾角影響分析

采用表2參數(shù)固定坡高100 m，坡面傾角45°層間厚度5 m，層面傾角考慮40°、50°、60°、70°和80°等情況，如圖8所示．隨著傾角的增加，邊坡的安全系數(shù)呈現(xiàn)單調(diào)減小趨勢(shì)．層面傾角對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響較為顯著：當(dāng)層面傾角小于50°時(shí)，隨著結(jié)構(gòu)面傾角的增加．邊坡的安全系數(shù)下降幅度較為明顯；層面傾角大于50°時(shí)，邊坡已經(jīng)具備有強(qiáng)烈傾倒變形的力學(xué)機(jī)制，此時(shí)在增大層面傾角，邊坡的安全系數(shù)會(huì)降低，但降低的幅度不顯著．在實(shí)際工程中，層面傾角超過(guò)50°的高邊坡都需要重視其傾倒變形特征．

圖8 不同結(jié)構(gòu)面傾角邊坡安全系數(shù)與破壞模式對(duì)比

邊坡各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在強(qiáng)度折減過(guò)程中的變形規(guī)律總體上與坡高和坡角對(duì)變形的影響一致．由數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可以看出：破壞從坡腳位置先出現(xiàn)，然后向上發(fā)展，最后形成彎折傾倒破壞面．隨著反傾結(jié)構(gòu)面傾角的增加，邊坡彎折傾倒破壞潛在破壞面的傾角在降低，進(jìn)而導(dǎo)致破壞區(qū)域明顯增大；當(dāng)層面傾角從50°增大到80°，安全系數(shù)的變化不大，但潛在破壞區(qū)域明顯增大．這是確定不同層面傾角的邊坡工程方案時(shí)，尤其需要注意的問(wèn)題．

3.4 結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度影響分析

固定坡高100 m，坡面傾角45°，層面反傾45°層間厚度5 m，計(jì)算不同結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角條件下的安全系數(shù)如圖9～10所示．發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響顯著，隨著結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角的增加，邊坡的安全系數(shù)呈近似線(xiàn)性增長(zhǎng)趨勢(shì)．

圖9 不同結(jié)構(gòu)面摩擦角邊坡安全系數(shù)及破壞模式對(duì)比

圖10 不同結(jié)構(gòu)面粘聚力邊坡的安全系數(shù)及破壞模式對(duì)比

不同結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角下邊坡傾倒破壞形態(tài)變化情況如圖9所示，隨著結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角的減小，邊坡的潛在破壞范圍和深度呈現(xiàn)增大趨勢(shì)．不同結(jié)構(gòu)面粘聚力條件下的安全系數(shù)如圖10所示．反傾結(jié)構(gòu)面內(nèi)粘聚力對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響同樣顯著，隨著反傾結(jié)構(gòu)面傾角的增加，邊坡的安全系數(shù)呈近似線(xiàn)性增長(zhǎng)趨勢(shì)．這一結(jié)論與反傾結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響具有一致性．隨著結(jié)構(gòu)面粘聚力的減小，邊坡的潛在破壞范圍和深度呈現(xiàn)增大趨勢(shì)．其變化規(guī)律與結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響具有一致性．

4 討 論

邊坡自然坡高、坡角、結(jié)構(gòu)面傾角及結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)均會(huì)對(duì)邊坡的穩(wěn)定性和傾倒變形特征產(chǎn)生影響．敏感性分析顯示：隨著坡高和坡角增大，傾倒變形邊坡的安全系數(shù)降低，與典型的圓弧型滑動(dòng)面不同，其潛在破壞面一般為彎曲折斷的平面；反傾層面走向與坡面之間的夾角也是控制邊坡失穩(wěn)模式的重要影響之一，但二者夾角小于30°時(shí)，傾倒變形特征明顯；當(dāng)二者夾角超過(guò)45°時(shí)，傾倒變形特征不明顯，潛在破壞方式更接近于滑動(dòng)型破壞．層面傾角超過(guò)50°時(shí)，邊坡具備產(chǎn)生強(qiáng)烈傾倒變形的條件，此時(shí)隨著層面傾角增大，安全系數(shù)變化不明顯，但是潛在失穩(wěn)區(qū)域的范圍卻明顯增大；隨著結(jié)構(gòu)面摩擦力和粘聚力的減小，邊坡的潛在破壞范圍和深度呈現(xiàn)增大趨勢(shì)．

不同工況下，按照水劣化試驗(yàn)結(jié)果，長(zhǎng)期浸水的巖體力學(xué)參數(shù)約下降20%，安全系數(shù)也相應(yīng)下降10%～20%．故自然工況下安全系數(shù)處于1.2～1.3范圍的邊坡在施工時(shí)應(yīng)密切關(guān)注，防止因水的作用產(chǎn)生滑坡．

5 結(jié) 論

本文運(yùn)用離散單元法建立了相應(yīng)的層狀邊坡數(shù)值模型，對(duì)水劣化反傾層狀邊坡的破壞機(jī)理進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了各種因素對(duì)傾倒變形邊坡穩(wěn)定性的影響，研究結(jié)果可為工程傾倒變形體的治理提供參考．主要研究結(jié)論如下：

1)通過(guò)參數(shù)弱化代替水溶液的軟化作用．基于無(wú)水工況下的基本模型，將試驗(yàn)得到的強(qiáng)度參數(shù)變化規(guī)律通過(guò)軟化系數(shù)的方法考慮到基本模型中，從而可分析有水工況下邊坡的穩(wěn)定性與變形破壞模式．

2)影響傾倒變形的多種因素中，坡腳軟化在許多情況下是最不利的因素．坡腳的“小”擾動(dòng)可以引起中上高程傾倒變形體的“大”變形．

3)反傾層面與坡面之間的夾角是控制邊坡失穩(wěn)模式、潛在破壞范圍和深度的主要因素．在工程中應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注．

[1] 黃潤(rùn)秋，張悼元，王士天.當(dāng)前環(huán)境工程地質(zhì)領(lǐng)域的幾個(gè)主要問(wèn)題及研究對(duì)策[J]．工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，1996，4(3)：10-16．

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[責(zé)任編輯 王康平]

Numerical Simulation Research on Deformation and Failure of Anti-dip Layered Rock Slope with DEM

Wang Xiuju

(Department of Architectural Engineering, Nanjing Communication Institute of Technology, Nanjing 211188, China)

Based on the analysis of the triaxial test data, the variation characteristics of the softening mechanical parameters are studied. Then using UDEC software，numerical simulation models of anti-dip layered slope are established under the conditions of water deterioration analysis of effects on slope stability and deformation failure under different slope heights, slope angles, dip angels of structural plane its intensities are carried out to investigate the deformation and failure mechanism of layered slope water deterioration. It is shown that the toe softening in many cases is the most unfavorable factors; angle of more than 50 degrees, the slope has generated intense toppling deformation conditions; otherwise it will show break-sliding dominated damage mode. With decreases of the structure surface friction and cohesion, failure depth and extent of slope potential failure shows increasing. The results can provide reference for engineering treatment of toppling deformation of slopes.

anti-dip layered slope; water deterioration; numerical simulation; discrete element method(DEM); stability

2016-09-14

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金(51309089)；江蘇省基金(BK20130846)聯(lián)合資助課題

王秀菊(1981-)，女，碩士，講師，主要從事巖土數(shù)值仿真與工程穩(wěn)定性方面的研究與教學(xué)工作．E-mail：wangxiujuhf@126.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.04.008

TV4

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1672-948X(2017)04-0036-05