順層巖質(zhì)邊坡潰屈型破壞探討*

張登項(xiàng)，唐 川，唐秋元

(中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院有限公司 巖土工程院，重慶 400042)

0 引 言

順層巖質(zhì)邊坡是指巖層層面的傾向與邊坡坡向一致的邊坡，隨著人類工程活動(dòng)的影響，工程開挖而形成的順層巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性問題也越來越突出，這也引起了人們對(duì)順層巖質(zhì)邊坡破壞模式與機(jī)制的研究。許多學(xué)者通過對(duì)大量順層巖質(zhì)邊坡進(jìn)行研究，將這類邊坡按巖層傾角的大小大致分為兩類：緩傾順層巖質(zhì)邊坡和陡傾順層巖質(zhì)邊坡[1]。并總結(jié)了影響順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的相關(guān)因素，得出了順層巖質(zhì)邊坡的破壞模式以及相關(guān)的計(jì)算力學(xué)模型[1-12]。

綜合前人研究，可以得出緩傾和陡傾順層巖質(zhì)邊坡的破壞模式和力學(xué)機(jī)制各有不同，特別是對(duì)于陡傾順層巖質(zhì)邊坡存在著一種特殊的破壞模式——潰屈型破壞[13]。實(shí)際工程運(yùn)用中，由于運(yùn)用規(guī)范推薦的傳統(tǒng)剛體極限平衡分析這類陡傾順層巖質(zhì)邊坡得到的穩(wěn)定性結(jié)果都比較好[14]，故這種潛在的特殊破壞模式往往被人們所忽略。

筆者首先對(duì)巖質(zhì)邊坡潰屈型破壞的力學(xué)原理進(jìn)行探討，然后結(jié)合一典型陡傾順層巖質(zhì)開挖邊坡實(shí)例，運(yùn)用離散元法模擬非連續(xù)介質(zhì)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[15]，得出巖質(zhì)邊坡發(fā)生此破壞模式的變形、應(yīng)力特征以及具體破壞過程。

1 力學(xué)原理

巖質(zhì)邊坡發(fā)生潰屈型破壞力學(xué)模型如圖1[13]。

圖1 潰屈型破壞力學(xué)模型Fig. 1 Mechanical model of yield failure

設(shè)坡面AD與層面BC完全平行，那么能夠使斜坡保持穩(wěn)定的最大邊坡高度Hmax，可按照如下步驟計(jì)算：首先假設(shè)一個(gè)潛在破壞體ABCD的龐大自重使其坡腳的巖體處于塑性狀態(tài)，該塑性區(qū)域近似用直角三角形ABE表示，塑性區(qū)上部的巖體EBCD仍處于彈性狀態(tài)，并假定其自重為G。

潛在破壞體ABCD自重G：

(1)

陡傾結(jié)構(gòu)面BC上的抗滑力τ：

(2)

下滑力：

T=G·sinα

(3)

則作用在塑性區(qū)頂面上的有效壓應(yīng)力為最大主應(yīng)力σ1：

(4)

由于與最大主應(yīng)力σ1垂直的最小主應(yīng)力σ3作用方向?yàn)榕R空面，則：

σ3=0

(5)

當(dāng)塑性區(qū)應(yīng)力滿足屈服條件時(shí)巖體破壞，即

(6)

將σ1、σ3代入式(6)，簡(jiǎn)化整理后得

(7)

式中：a為失穩(wěn)巖體的水平寬度；r為巖體重度；C、φ為結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度；C′、φ′為巖體抗剪強(qiáng)度；α為結(jié)構(gòu)面傾角。

從順層邊坡潰屈型破壞力學(xué)原理的推導(dǎo)過程可以得出，巖質(zhì)邊坡發(fā)生此模式破壞必須滿足3個(gè)條件：存在外傾結(jié)構(gòu)面；結(jié)構(gòu)面傾角較陡，大于或等于坡角；坡腳巖體強(qiáng)度較差。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況及參數(shù)取值

2.1.1 工程概況

該邊坡工程位于重慶市南岸區(qū)某房地產(chǎn)開發(fā)項(xiàng)目場(chǎng)地內(nèi)，為一人工開挖而形成的陡傾順層巖質(zhì)邊坡，組成該邊坡的主要巖性為侏羅系中統(tǒng)新田溝組頁(yè)巖，坡腳部分夾部分砂巖，層面陡傾坡外，層面產(chǎn)狀為291°∠71°，頁(yè)巖層面光滑，節(jié)理裂隙發(fā)育，主要發(fā)育一組緩傾坡內(nèi)的裂隙，其產(chǎn)狀為128°∠28°，該邊坡坡腳處頁(yè)巖呈薄層～片狀，巖體質(zhì)量差。設(shè)計(jì)時(shí)該邊坡采用錨桿擋墻進(jìn)行支護(hù)，并設(shè)5階放坡，坡中上部放坡坡率為1∶0.5，坡腳處放坡坡率為1∶0.333，每階邊坡高約8 m，每階設(shè)置寬2 m的馬道。施工時(shí)，按照逆作法施工的原則，進(jìn)行邊開挖邊支護(hù)，當(dāng)邊坡開挖接近最后一階時(shí)(高約35 m)，邊坡發(fā)生了垮塌。邊坡現(xiàn)場(chǎng)概貌和邊坡的典型剖面如圖2、圖3。

圖2 邊坡垮塌概貌Fig. 2 General picture of slope collapse

圖3 典型剖面Fig. 3 Typical profile

2.1.2 巖體參數(shù)取值

據(jù)該項(xiàng)目的勘察報(bào)告室內(nèi)試驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，巖體參數(shù)取值如表1。

表1 邊坡巖體參數(shù)取值Table 1 Calculated parameters of slope rock

2.2 理論計(jì)算

根據(jù)前面所述順層邊坡潰屈型破壞力學(xué)原理，將失穩(wěn)巖體水平寬度a=5.0 m，巖體重度r=24.64 kN/m3，結(jié)構(gòu)面黏聚力C=25 kPa，結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角φ=12°，巖體黏聚力C′=170 kPa，巖體內(nèi)摩擦角φ′=30°，邊坡坡角71°代入式(7)可以定量計(jì)算出邊坡極限高度為35.17 m，由計(jì)算結(jié)果可知，順層邊坡產(chǎn)生“潰屈型”破壞的邊坡極限高度約35 m。據(jù)勘察資料(如圖1、圖3)，滑塌塊體頂面與底面(剪出口)最大高差36.45 m，邊坡開挖高度大于計(jì)算得出的極限高度，邊坡產(chǎn)生潰屈型破壞，說明計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況基本一致。

2.3 邊坡離散元數(shù)值分析

2.3.1 計(jì)算模型與參數(shù)

離散單元法是模擬離散介質(zhì)大變形和運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的有力工具，特別適用于節(jié)理巖體的數(shù)值模擬。本次計(jì)算運(yùn)用離散元軟件UDEC建立邊坡的二維計(jì)算模型，計(jì)算過程中采用分階段開挖，以確定分析每個(gè)開挖階段變形情況以及破壞模式。離散元計(jì)算模型如圖4。

圖4 計(jì)算模型Fig. 4 Calculation model

根據(jù)表1巖體參數(shù)確定本次離散元分析計(jì)算參數(shù)，具體如表2。

表2 計(jì)算參數(shù)Table 2 Calculated parameters

其中頁(yè)巖的法向模量K和切向模量G取值依據(jù)原勘察報(bào)告巖體的彈性模量E=1 187 MPa和泊松比υ=0.31由式(8)、式(9)換算而來：

(8)

(9)

2.3.2 計(jì)算結(jié)果分析

1) 開挖邊坡位移矢量結(jié)果

開挖邊坡位移矢量結(jié)果見圖5。從圖5可以看出，邊坡隨著開挖的不斷深入，其變形位移量逐漸增大，但邊坡的總體位移量很小，當(dāng)?shù)?階開挖完成后，總體變形位移最大值為8.356 mm，同時(shí)從前4個(gè)階段開挖后的位移矢量箭頭方向可以看出，其變形方向主要是指向開挖后的臨空面的法向方向，說明其變形主要原因是由于邊坡開挖后巖體的卸荷回彈引起的。故邊坡在前4個(gè)階的開挖工況下，邊坡變形以卸荷回彈為主，邊坡未發(fā)生明顯變形破壞現(xiàn)象，邊坡穩(wěn)定性較好。邊坡經(jīng)過第5階開挖后，邊坡發(fā)生了明顯的變形破壞現(xiàn)象，在第5階開挖后，邊坡的最大位移量為1.507 m，最大位移主要發(fā)生在邊坡坡腳部位的巖體，邊坡已垮塌。邊坡中上部位移矢量圖的方向基本與邊坡陡傾層面平行，說明邊坡的滑動(dòng)方向主要是沿著層面滑動(dòng)，而在坡腳處，位移矢量圖發(fā)生轉(zhuǎn)向，這是由于坡腳巖體發(fā)生了屈服，產(chǎn)生了“潰屈”變形，故其位移方向發(fā)生了轉(zhuǎn)向。

圖5 開挖后位移矢量Fig. 5 Displacement vector after stage excavation

2) 開挖邊坡剪應(yīng)力

開挖邊坡剪應(yīng)力云圖見圖6。從圖6可以看出，邊坡開挖過程中邊坡剪應(yīng)力變化規(guī)律為：從邊坡開挖第1階至邊坡開挖第5階，邊坡開挖后其最大剪應(yīng)力主要集中在坡腳部位，其次隨著開挖的不斷深入，其坡腳剪應(yīng)力逐漸增大，坡腳剪應(yīng)力集中越來越明顯，特別是開挖至第5階時(shí)，坡腳剪應(yīng)力集中加劇，坡腳剪應(yīng)力越來越大，最終導(dǎo)致邊坡坡腳巖體產(chǎn)生了屈服，邊坡坡腳發(fā)生了“潰屈”變形破壞。

圖6 開挖后剪應(yīng)力云圖Fig. 6 Shear stress contour after stage excavation

3) 變形破壞過程

為了進(jìn)一步展現(xiàn)邊坡在第5階開挖完成后的變形破壞特征，分別給出了第5階開挖完成后不同時(shí)步邊坡的變形破壞情況，如圖7。從圖7中可以看出，邊坡開挖至第5階后，首先是坡腳巖體開始發(fā)生屈服，即坡腳巖體開始發(fā)生了“潰屈”變形跡象，隨著計(jì)算時(shí)步的進(jìn)行，邊坡這種變形破壞跡象越來越明顯，破腳巖體的嚴(yán)重變形為邊坡中后部的巖體提供了沿著陡傾結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)的空間，最后邊坡發(fā)生了垮塌。

圖7 邊坡垮塌全過程 Fig. 7 Process of slope collapse

結(jié)合理論分析，邊坡開挖到第4階時(shí)，雖然開挖坡腳剪應(yīng)力集中越來越明顯，剪應(yīng)力越來越大，但是剪應(yīng)力并沒有達(dá)到使得坡腳巖體發(fā)生屈服的“潰屈”變形，也就是邊坡沒有達(dá)到邊坡發(fā)生潰屈型破壞的極限高度，邊坡巖體特別是坡腳巖體處于彈性狀態(tài)，邊坡的變形主要以開挖的卸荷回彈為主，變形方向指向臨空面的方向。邊坡開挖至第5階坡底時(shí)(開挖深度約36.45 m)，繼續(xù)增大的剪應(yīng)力超過了坡腳巖體的抗剪強(qiáng)度，也就是邊坡高度達(dá)到了極限高度，坡腳巖體處于屈服狀態(tài)，坡腳巖體首先發(fā)生了屈服破壞而產(chǎn)生了較大的位移變形，從而為邊坡中上部巖體提供了沿著陡傾坡外的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生下滑的空間，邊坡發(fā)生了垮塌，模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況(圖8)基本一致。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)邊坡坡腳巖體概況Fig. 8 General picture of rock mass at slope foot

3 結(jié) 論

筆者首先對(duì)順層巖質(zhì)邊坡潰屈型破壞模型的力學(xué)原理進(jìn)行了探討，然后結(jié)合陡傾順層巖質(zhì)邊坡的實(shí)際工程實(shí)例，對(duì)邊坡的最大極限高度進(jìn)行了定量的計(jì)算，最后通過離散元數(shù)值模擬，得出了陡傾順層巖質(zhì)邊坡發(fā)生潰屈破壞的變形破壞過程和變形特征。具體結(jié)論如下：

1) 通過陡傾順層巖質(zhì)邊坡產(chǎn)生潰屈型破壞的力學(xué)原理進(jìn)行探討，可以得出巖質(zhì)邊坡發(fā)生此模式破壞必須滿足3個(gè)條件：存在外傾結(jié)構(gòu)面；結(jié)構(gòu)面傾角較陡，大于或等于坡角；坡腳巖體強(qiáng)度較差。

2) 結(jié)合典型的實(shí)際工程實(shí)例，運(yùn)用潰屈型破壞理論計(jì)算公式定量計(jì)算出了邊坡開挖的最大極限高度，計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況基本一致。

3) 通過離散元的數(shù)值分析，得出了邊坡在開挖過程中變形及應(yīng)力特征，再現(xiàn)了邊坡發(fā)生潰屈型破壞的具體過程，即：當(dāng)邊坡開挖后，坡腳剪應(yīng)力集中越來越明顯，剪應(yīng)力越來越大，在邊坡未達(dá)到邊坡發(fā)生潰屈型破壞的極限高度時(shí)，邊坡巖體特別是坡腳巖體處于彈性狀態(tài)，邊坡的變形主要以開挖的卸荷回彈為主，變形方向指向臨空面的方向。當(dāng)邊坡高度達(dá)到了極限高度，坡腳剪應(yīng)力增大，使得坡腳巖體處于屈服狀態(tài)，坡腳巖體首先發(fā)生了屈服破壞而產(chǎn)生了較大的位移變形，從而為邊坡中上部巖體提供了沿著陡傾坡外的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生下滑的空間，邊坡發(fā)生了垮塌，理論分析、數(shù)值模擬與工程實(shí)例之間得到了很好的驗(yàn)證。

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