軟硬互層順向巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)變形的離散元模擬

付釗龍

(龍門縣水利水電勘測設(shè)計(jì)室,廣東 惠州 516800)

1 概述

巖體的軟硬互層結(jié)構(gòu)是由于其沉積歷史的差異性所形成的。在自然中，這種結(jié)構(gòu)的邊坡非常常見，黃達(dá)等[1]通過調(diào)查中國西部山區(qū)的巖體結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，具軟硬互層結(jié)構(gòu)的邊坡占調(diào)查樣本總體的50%以上。針對該類邊坡結(jié)構(gòu)的特殊性，許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究。黃達(dá)等[1]結(jié)合離心模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬技術(shù)，研究了單一層狀反傾巖質(zhì)邊坡同軟硬互層狀反傾巖質(zhì)邊坡彎曲傾倒破壞的差異性；李龍起等[2]通過離散元方法和模型試驗(yàn)，對軟硬互層順向坡的動力破壞模式進(jìn)行了深入探討，發(fā)現(xiàn)其坡體內(nèi)部裂隙發(fā)育主要受拉張作用影響；鄧天鑫等[3]利用離散元軟件UDEC分析了陡傾外軟硬互層斜坡的動力失穩(wěn)機(jī)理，得出了在坡體下部巖體彎曲處和坡頂處，動力響應(yīng)加速度放大系數(shù)增大最為明顯的結(jié)論；黃文洪等[4]對結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查和數(shù)值模擬方法含軟弱破碎帶高邊坡的定性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，邊坡變形模式受軟弱帶和順層緩傾結(jié)構(gòu)面共同控制。

上述研究主要集中于對邊坡動力響應(yīng)的研究，然而該類邊坡受其巖質(zhì)差異性與層間軟弱結(jié)構(gòu)面的影響，在降雨、人類活動等因素導(dǎo)致的重力增加下，也很容易導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，從而發(fā)展為大規(guī)模的地質(zhì)災(zāi)害，影響人類生活生產(chǎn)安全。在該類邊坡中，高巖層傾角的順層邊坡穩(wěn)定性較差，因此，有必要對軟硬互層順向巖質(zhì)邊坡的變形失穩(wěn)機(jī)制進(jìn)行深入研究。典型的軟硬互層巖體結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 典型的軟硬互層巖體結(jié)構(gòu)示意[8]

近年來，離散元法成為了解大位移和非線性的問題的有力工具，在模擬巖石破裂[5-6]、邊坡大變形[2-3]等方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。目前已開發(fā)了許多離散元軟件，常用的軟件有UDEC(Universal Distinct Element Code)和PFC(Particle Flow Code)等。但在UDEC軟件中，裂隙只能沿著已有節(jié)理擴(kuò)展[7]，一定程度上限制了邊坡失穩(wěn)過程的模擬。而PFC軟件是基于牛頓第二定律與力-位移準(zhǔn)則下進(jìn)行的數(shù)值計(jì)算，能很好地表征坡體滑移的運(yùn)動過程，因此，本文采用PFC對軟硬互層順向巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)變形進(jìn)行模擬分析。

2 離散元數(shù)值模型的建立

2.1 工程地質(zhì)模型的構(gòu)建

本文數(shù)值模擬模型的原型為軟硬互層巖體[8]，該地層屬于須家河組(∈1)，具備典型的軟硬互層巖性結(jié)構(gòu)，巖層基本物理力學(xué)參數(shù)見表1所示。

表1 滑坡巖體基本物理力學(xué)參數(shù)[8]

由于軟硬互層順向巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)破壞模式，與邊坡的地形地貌、地層巖性、坡體構(gòu)造以及巖層的傾角、厚度和層面強(qiáng)度強(qiáng)度密切相關(guān)。針對上述變量，對實(shí)際復(fù)雜邊坡體進(jìn)行了合理概化，建立的工程地質(zhì)模型如圖2所示。

模型采用底部和兩側(cè)固定，坡頂與坡面臨空的邊界條件。根據(jù)參考文獻(xiàn)[9-10]，高巖層傾角(α>50°)的邊坡的穩(wěn)定性較差，為此，本文將巖層傾角α和坡角θ均設(shè)為60°，使模擬具備一定典型性；軟硬巖層等厚，且層厚設(shè)置為2 m。另外，為了探究巖質(zhì)差異性對邊坡失穩(wěn)破壞的影響，本文分別建立了硬層裸露和軟層裸露兩種模型進(jìn)行對照分析。然后，在邊坡坡頂前緣、坡腳及兩者之間的軟硬巖層交界處設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，以監(jiān)測邊坡失穩(wěn)的位移變化情況。

2.2 細(xì)觀參數(shù)的設(shè)置

由于邊坡模型中存在軟巖、硬巖和層面3種介質(zhì)，因此需要對三者參數(shù)分別進(jìn)行賦值。PFC的模型庫中有多種本構(gòu)模型，為了保證模型的力學(xué)行為的合理性，對不同的介質(zhì)應(yīng)選用不同的本構(gòu)模型：平行粘結(jié)模型(Parallel Bond Contact Model)具有抗拉伸、剪切和力矩效應(yīng)及黏結(jié)破壞——材料宏觀剛度劣化的特點(diǎn)，更適合于模擬巖石破裂過程[7]，因此，對于2種巖石介質(zhì)，選用平行粘結(jié)模型進(jìn)行模擬；而離散裂隙網(wǎng)絡(luò)(Discrete Fracture Network)和光滑節(jié)理接觸模型(Smooth Joint Model)相組合的方式可以有效模擬結(jié)構(gòu)面的界面效應(yīng)[5-7]，因而選用光滑節(jié)理接觸模型表征軟硬巖層交界面。

a 軟層裸露邊坡滑移過程應(yīng)力云圖

a 軟層裸露邊坡滑移過程

a 軟層裸露

a 軟巖單雙軸應(yīng)力—應(yīng)變曲線

在PFC中，顆粒的細(xì)觀參數(shù)可以在軟件中直接賦值，而顆粒集合體所呈現(xiàn)的宏觀性質(zhì)不易得到。本文采用“試錯法”對模型的宏觀性質(zhì)進(jìn)行標(biāo)定，建立宏觀力學(xué)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，在模型中填充顆粒，然后不斷調(diào)整細(xì)觀參數(shù)，直至細(xì)觀參數(shù)與模型宏觀力學(xué)參數(shù)相逼近為止。其中，采用單、雙軸壓縮宏觀力學(xué)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏y試2種的巖石材料的泊松比、彈性模量、粘聚力和內(nèi)摩擦角，采用直接剪切試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏y試層面的粘聚力和內(nèi)摩擦角。

對于軟硬巖層交界面的彈性參數(shù)，由于文獻(xiàn)[8]并未提供，其接觸法向剛度kin和切向剛度kis可以根據(jù)公式法確定：

(1)

(2)

式中:

ΔZmin——巖層的最小厚度;

K和G——分別為相鄰塊體按比例計(jì)算得到的體積模量和剪切模量。

經(jīng)過多次試算與核對最終確定的細(xì)觀參數(shù)見表2所示。

表2 PFC模型細(xì)觀參數(shù)

2.3 細(xì)觀參數(shù)的驗(yàn)證

由表2細(xì)觀參數(shù)確定的宏觀力學(xué)性質(zhì)如圖3所示。

將數(shù)值試驗(yàn)下的宏觀力學(xué)參數(shù)與表1滑坡巖體基本物理力學(xué)參數(shù)的平均值進(jìn)行對比(如表3所示)?？梢?，數(shù)值模型各宏觀力學(xué)參數(shù)與實(shí)際巖體宏觀力學(xué)參數(shù)匹配程度較高，最大誤差不超過10%，驗(yàn)證了數(shù)值模擬參數(shù)的有效性。因此，可認(rèn)為以此模型展開軟硬互層順向巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)變形的模擬也是合理的。

表3 數(shù)值模擬與實(shí)際巖體宏觀力學(xué)參數(shù)對比

3 邊坡失穩(wěn)破壞過程分析

3.1 邊坡數(shù)值模型的構(gòu)建與加載條件

硬層裸露和軟層裸露兩種離散元邊坡模型的構(gòu)建方法一致：首先，根據(jù)圖2在地質(zhì)模型種填充指定粒徑的顆粒，利用solve命令使顆粒達(dá)到平衡狀態(tài)；并刪除頂部墻體，再對坡體進(jìn)行平衡；最后對邊坡內(nèi)3種介質(zhì)的顆粒進(jìn)行分組，再以表2細(xì)觀參數(shù)對不同組分分別賦參，之后再對邊坡內(nèi)應(yīng)力進(jìn)行一次平衡調(diào)整。此時邊坡達(dá)到了初始平衡狀態(tài)。

為模擬實(shí)際工程種靜載的作用過程，本文采用逐級增加載荷的方式進(jìn)行加載，具體形式討論如下：首先，對模型施加重力加速度(1g)，計(jì)算至自重平衡；之后，間隔2g對邊坡逐級增加重力荷載，直至滑坡完全破壞，每一級加載都分配充足的時間步，以保證穩(wěn)定的模型響應(yīng)。

3.2 邊坡破壞位移曲線分析

選取典型位移監(jiān)測點(diǎn)1、4、7、11對邊坡位移過程進(jìn)行分析，圖4給出了逐級加載下兩種邊坡位移曲線的對比。根據(jù)位移曲線，將邊坡失穩(wěn)變形過程分為4個階段：① 起始蠕變階段，隨重力載荷增加無明顯位移，兩種模型該階段都存在于25g之前；② 穩(wěn)態(tài)變形階段，隨靜載增加邊坡開始發(fā)生滑移，位移曲線斜率近似線性增加，滑移過程較為穩(wěn)定，兩種模型該階段都發(fā)生于重力載荷約為25g～47g；③ 加速蠕變階段，位移曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，此時位移隨重力增加而急劇增大，該階段硬層裸露邊坡發(fā)生于47g～93g，軟層裸露邊坡發(fā)生于47g～79g；④ 穩(wěn)定階段，此時由于邊坡已發(fā)生整體滑移破壞，隨著重力荷載的增加，邊坡位移變化不明顯，滑坡趨于穩(wěn)定，硬層裸露邊坡發(fā)生于93g之后，軟層裸露邊坡發(fā)生于79g之后。

綜上所述，在同樣的加載模式下，2種模型在初始蠕變到穩(wěn)態(tài)變形階段滑移模式相近；但隨著重力載荷的增加，到達(dá)加速蠕變階段時，硬層裸露模型持續(xù)時間明顯比軟層裸露模型長，說明軟層裸露的邊坡在發(fā)生失穩(wěn)破壞時反應(yīng)更為迅速，在實(shí)際市政邊坡工程防治中應(yīng)引起額外關(guān)注。

3.3 邊坡失穩(wěn)過程位移場分析

圖5給出2種邊坡模型失穩(wěn)過程的位移云圖和巖層輪廓變形過程對比。由圖5可見，軟層裸露和硬層裸露邊坡失穩(wěn)模式有一定的差異。

1) 當(dāng)運(yùn)行至初始蠕變階段結(jié)束(25g)時：硬層裸露邊坡整體較穩(wěn)定，無發(fā)生明顯變形；而對于軟層裸露模型，其坡面軟層塊體整體開始產(chǎn)生微小變形，有開始發(fā)生下滑的趨勢。

2) 隨著重力載荷的增加，2種邊坡開始發(fā)生穩(wěn)態(tài)變形。在坡面約中部僅垂直于坡表作延長線，得到邊坡位移偏轉(zhuǎn)面，自坡頂?shù)皆摻缑?，顆粒位移發(fā)生偏轉(zhuǎn)，由豎直向下的位移逐漸轉(zhuǎn)為水平向右的位移；由于模型右側(cè)存在約束，而位移偏轉(zhuǎn)面以下顆粒整體呈水平運(yùn)動狀態(tài)，坡底右側(cè)顆粒逐漸被向上擠出。由于邊坡滑移呈現(xiàn)以上運(yùn)動特征，巖層也從中部開始發(fā)生彎曲變形，且硬層裸露模型彎曲程度大于軟層裸露模型。在該階段的末尾(46g)：軟層裸露模型坡表軟層塊體發(fā)生破碎，并沿其與相鄰硬層交界面發(fā)生下滑；硬層裸露模型在坡腳附近發(fā)生明顯的鼓脹變形，這是由于模型中硬巖強(qiáng)度大于軟巖，在重力載荷下，坡腳附近軟巖首先發(fā)生破壞，進(jìn)而使其側(cè)擴(kuò)變形增大，從而對未破壞的外部硬巖形成向外的推力所造成，該現(xiàn)象與文獻(xiàn)[2]中動力載荷下邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象相吻合，反映出軟硬互層順向邊坡失穩(wěn)典型的非均質(zhì)性。

3) 然后2種邊坡都進(jìn)入加速蠕變階段，在加速蠕變階段的末尾(硬層裸露79g，軟層裸露93g)：邊坡淺表層巖體整體大規(guī)模下滑，而軟層裸露邊坡表層滑體由于破碎程度較高，呈現(xiàn)出散體沿層面下滑的運(yùn)動模式，而硬層裸露邊坡的滑體由于是由內(nèi)向外的推力所折斷，破碎后為塊體結(jié)構(gòu)，于是表現(xiàn)為塊體崩落的運(yùn)動模式；而斜坡下部和坡體內(nèi)部也開始變形，坡頂發(fā)生明顯沉降；坡內(nèi)巖層均發(fā)生了明顯的彎曲，且硬層裸露邊坡彎曲程度高于軟層裸露邊坡。

4) 最后2種邊坡都進(jìn)入了穩(wěn)定階段，在重力載荷下，邊坡繼續(xù)發(fā)生緩慢地下滑，但由于邊界約束，邊坡位移變化較上一階段不明顯，直至最終趨于穩(wěn)定(125g)。

3.4 邊坡應(yīng)力場分析

邊坡不同階段下的水平應(yīng)力云如圖6所示。

1) 在初始蠕變階段，2種模型坡體應(yīng)力場整體近似，水平壓應(yīng)力主要集中于坡底的前側(cè)位置，而拉應(yīng)力主要集中于坡頂前緣，坡面至坡腳。另外，發(fā)現(xiàn)在軟硬巖層交界面處，存在應(yīng)力突變的現(xiàn)象，并且由坡表淺層沿邊坡深層，該現(xiàn)象逐漸減緩。

2) 隨著加載的進(jìn)行，到穩(wěn)態(tài)變形階段，壓應(yīng)力集中帶從坡底前側(cè)分散至坡踵，而張力帶出現(xiàn)集中，軟層裸露模型張力帶轉(zhuǎn)移至坡頂后緣和坡面位置，而硬層裸露模型張力主要集中于坡頂淺層；軟硬巖層交界面處應(yīng)力得以釋放，層間應(yīng)力突變現(xiàn)象逐漸消失。

3) 在加速蠕變階段，邊坡發(fā)生整體失穩(wěn)，坡底壓應(yīng)力趨于平均，但主要還是集中于坡底前側(cè)，張力帶范圍進(jìn)一步縮小，主要分布于坡表淺層；至穩(wěn)定階段時，由于邊坡運(yùn)動趨勢減緩，邊坡后緣拉應(yīng)力集中現(xiàn)象逐漸消失，邊坡整體應(yīng)力在水平方向上趨于平均，而在豎直方向上呈現(xiàn)出隨深度增加逐漸增大的趨勢。

4 結(jié)語

1) 根據(jù)邊坡位移曲線，軟硬互層順向坡失穩(wěn)過程分為4個階段：起始蠕變階段，穩(wěn)態(tài)變形階段，加速蠕變階段和穩(wěn)定階段；在起始蠕變和穩(wěn)態(tài)變形階段，兩者位移變化趨勢相近，但在加速蠕變階段時，軟層裸露的邊坡位移響應(yīng)相比硬層裸露更為迅速，在實(shí)際工程中應(yīng)當(dāng)引起重視。

2) 在重力作用下，軟硬互層順向坡發(fā)生大規(guī)模前向滑動，坡頂沉降效應(yīng)明顯，巖層發(fā)生了明顯的彎曲變形；另外，軟層和硬層裸露2種邊坡失穩(wěn)模式有明顯差異，軟層裸露邊坡呈現(xiàn)為散體沿結(jié)構(gòu)面滑動的失穩(wěn)模式，而硬層裸露邊坡表現(xiàn)為塊體崩落的模式。

3) 在加載過程中，邊坡內(nèi)水平應(yīng)力發(fā)生了規(guī)律地調(diào)整。初期張力帶從坡體前側(cè)逐漸集中到坡頂后緣和坡面位置；隨著加載的進(jìn)行，張力帶范圍縮小，分散至坡表淺層，拉應(yīng)力集中現(xiàn)象消失；到達(dá)穩(wěn)定階段時，內(nèi)應(yīng)力在水平方向上逐漸平均，而豎直方向上呈現(xiàn)出上小下大的趨勢。