唐 川，周 飛

（成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，成都610059）

0 引言

巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析一直是巖土工程領(lǐng)域重要的研究課題，并在工程實(shí)踐中占據(jù)相當(dāng)重要的地位。由于巖質(zhì)邊坡的巖體具有一定的結(jié)構(gòu)特征，不同類型的結(jié)構(gòu)面及其空間的分布狀況將決定巖質(zhì)邊坡的破壞模式[1]，因此在對巖質(zhì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析之前必須弄清楚巖質(zhì)邊坡中巖體的結(jié)構(gòu)特征。在中國西部山區(qū)，天然或人類工程活動等形成了大量的巖質(zhì)邊坡，其破壞程度往往對周圍地區(qū)人民的生命和財產(chǎn)造成嚴(yán)重的威脅。

目前國內(nèi)外對巖質(zhì)邊坡的分析研究主要采用現(xiàn)場調(diào)查、模型試驗、數(shù)值模擬和理論分析等方法。連鎮(zhèn)營等[2]采用強(qiáng)度折減有限元法對開挖邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，其結(jié)構(gòu)表明當(dāng)折減系數(shù)達(dá)到某一數(shù)值時，邊坡內(nèi)一定幅值的廣義剪應(yīng)變自坡底向坡頂貫通，認(rèn)為邊坡破壞，定義此前的折減系數(shù)為安全系數(shù)，和強(qiáng)度指標(biāo)相比，彈性模量、泊松比、剪脹角和側(cè)壓力系數(shù)對邊坡的安全系數(shù)影響不大。陸曉敏等[3]引入彈黏塑性流變模型來分析裂隙巖質(zhì)邊坡的變形及穩(wěn)定性，以塊體元模型來反映裂隙巖體變形的不連續(xù)性，在單元之間引入接觸面單元來模擬巖體中的結(jié)構(gòu)面，在接觸面單元中引入彈黏塑性模型來研究巖體變形的時間效應(yīng)及穩(wěn)定性。雷遠(yuǎn)見等[4]將離散元與強(qiáng)度折減法相結(jié)合，對含多結(jié)構(gòu)面的巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。通過對節(jié)理巖質(zhì)邊坡的UDEC模型中的可變形塊體和節(jié)理單元的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減，使模型不能再達(dá)到平衡狀態(tài)，此時的折減系數(shù)就是邊坡的安全系數(shù)，另外，由對應(yīng)的邊坡塊體的速度矢量可以確定滑動面和邊坡的破壞形態(tài)。鄭惠峰等[5]將塊體單元法與極限分析上限法相結(jié)合提出了巖石邊坡穩(wěn)定的塊體單元極限分析上限法，借助于塊體單元法離散計算區(qū)域，通過塊體系統(tǒng)速度場在結(jié)構(gòu)面上滿足Mohr－Coulomb屈服條件、關(guān)聯(lián)流動法則、速度邊界條件以及塊體系統(tǒng)虛功原理，構(gòu)成求解邊坡強(qiáng)度儲備安全系數(shù)上限解的非線性規(guī)劃模型，模型的求解采用復(fù)合形法。劉立鵬等[6]基于非線性強(qiáng)度準(zhǔn)則——Hoek－Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則，利用slide軟件，選取地質(zhì)力學(xué)指標(biāo)GSI、巖石力學(xué)參數(shù)mi、應(yīng)力擾動系數(shù)D、邊坡高度H及坡角β作為影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素進(jìn)行分析。王林峰等[7]以反傾巖質(zhì)邊坡為研究對象，根據(jù)巖塊結(jié)構(gòu)面的受力模式，構(gòu)建了巖塊結(jié)構(gòu)面的斷裂力學(xué)模型，并基于斷裂力學(xué)建立了各巖塊結(jié)構(gòu)面等效應(yīng)力強(qiáng)度因子的求解方法和穩(wěn)定性判據(jù)。

早期的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析采用材料力學(xué)和簡單的勻質(zhì)彈性、彈塑性理論為基礎(chǔ)的半經(jīng)驗半理論性質(zhì)的研究方法，由于其力學(xué)機(jī)制的粗淺和假設(shè)的不合理，其計算結(jié)果與實(shí)際情況往往差距較大。由于巖質(zhì)邊坡坡體巖體的不連續(xù)性，本文采用了目前應(yīng)用比較廣泛的離散元法對某露天開采礦場的巖質(zhì)邊坡實(shí)例進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。

1 工程概況

該露天開采礦坑邊坡的坡角整體介于40°～45°之間，長約550m、寬約500m、高約270m的固定高陡邊坡，坡底高程1 180.0m，坡頂高程1 460.0m（如圖1所示）。研究區(qū)巖性單一（如圖2所示），主要由基性深層侵入巖石輝長巖組成，巖體較破碎，節(jié)理發(fā)育。通過對研究區(qū)域坡體的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行DIPS軟件統(tǒng)計分析，得出該邊坡的2組主要優(yōu)勢節(jié)理，其產(chǎn)狀：233°∠59°、60°∠80°（如圖3所示）。邊坡坡腳位置可見巖石裂隙水滲出，邊坡地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，貫穿于邊坡的軟弱結(jié)構(gòu)面有斷層、泥化夾層等。根據(jù)設(shè)計采場最終露天底為1 030.0m，該礦坑邊坡最終將形成高達(dá)430.0m的人工邊坡。因此為了工程邊坡開挖安全，有必要對其開挖后斜坡體穩(wěn)定性進(jìn)行評價。

圖1 礦坑邊坡全貌

圖2 工程地質(zhì)剖面圖

圖3 結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計云圖

2 模型的建立

由于不同類型的結(jié)構(gòu)面及其空間的分布狀況將決定巖質(zhì)邊坡的破壞模式，因此必須對邊坡巖性、結(jié)構(gòu)面以及物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查研究。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，選取典型的地質(zhì)剖面圖，建立二維離散元模型（如圖4所示）。

該二維離散元模型選取了2組優(yōu)勢節(jié)理，其產(chǎn)狀：233°∠59°、60°∠80°，由于考慮邊坡表面卸荷回彈以及風(fēng)化的影響，深部巖體的完整性比淺表層的巖體完整性好，所以接近坡表的那一部分巖體節(jié)理間距為5m，坡體深處的巖體節(jié)理間距為15m，淺表層的巖體塊體劃分比深部巖體塊體劃分密集。坡體內(nèi)貫穿2條斷層，斷層帶內(nèi)的節(jié)理為隨機(jī)節(jié)理，斷層帶內(nèi)節(jié)理形成的塊體更為密集；考慮地下水滲流的影響，模型左邊界水位高度為開挖底線至底邊界距離的30m，右邊界的水位高度為384m，初始應(yīng)力為自重應(yīng)力場。由于巖體的破壞主要受結(jié)構(gòu)面的控制，假定巖體的破壞只沿著結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，因此巖體中的巖石塊體選擇各向同性的彈性模型，巖體中的結(jié)構(gòu)面選擇廣為使用的莫爾－庫倫模型；模型左右兩側(cè)邊界約束水平x方向的位移，底部邊界約束豎直y方向的位移，開挖面為自由面；計算工況為邊坡開挖工況，未開挖前坡底高程為1 195m，開挖后坡底高程為1 150m，開挖深度45m。

圖4 二維離散元計算模型

根據(jù)巖石常規(guī)三軸試驗，換算求得巖石塊體和結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù)（見表1）。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 天然狀態(tài)下應(yīng)力狀態(tài)及變形特征

邊坡在天然狀態(tài)下，只在自重應(yīng)力場的作用下達(dá)到平衡狀態(tài)時，二維離散元數(shù)值模擬結(jié)果如圖5所示。

表1 巖石塊體和結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù)

圖5 天然狀態(tài)下的主應(yīng)力矢量

從主應(yīng)力矢量圖5可知，斜坡體在天然狀態(tài)下的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分布符合一般斜坡體主應(yīng)力分布特征，即總體上從上到下最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力逐漸增大，且離地表越深處最大主應(yīng)力方向為豎直方向，最小主應(yīng)力為水平方向。在靠近坡面附近，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力的方向發(fā)生明顯的偏轉(zhuǎn)，主要表現(xiàn)為越靠近坡表處最大主應(yīng)力與坡面平行，最小主應(yīng)力與坡面垂直。同時，在越靠近坡表處，最小主應(yīng)力由開始的壓應(yīng)力轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力，這說明斜坡體在形成斜坡的過程中斜坡表面處的巖體發(fā)生了卸荷回彈。此外由于斷層帶內(nèi)的塊體劃分比其他地方多，故主應(yīng)力矢量也相應(yīng)密集。

圖6 天然狀態(tài)下位移矢量圖

從斜坡體位移矢量圖6可知，斜坡體在天然狀態(tài)下，最大位移為4.377mm，這說明斜坡體在天然狀態(tài)下是穩(wěn)定的，且最大位移發(fā)生在坡腳處方向指向臨空面，這說明斜坡體的最大位移主要是由于卸荷回彈引起的。

3.2 邊坡開挖后的應(yīng)力狀態(tài)及變形特征

從圖7可知，斜坡體在開挖后斜坡體內(nèi)的主應(yīng)力分布規(guī)律仍然符合一般斜坡體的主應(yīng)力分布規(guī)律，即最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力隨著深度的增加而增大，且距地表越深處最大主應(yīng)力方向為豎直方向，最小主應(yīng)力方向為水平方向，靠近坡表處最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的方向發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，越靠近坡表處，最大主應(yīng)力與坡面平行，最小主應(yīng)力與坡表垂直，且靠近坡表處的最小主應(yīng)力由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)化為了拉應(yīng)力。但是圖7與圖5比較，我們可以知道，開挖前與開挖后斜坡體最大壓應(yīng)力與斜坡體表面處的拉應(yīng)力的數(shù)值發(fā)生了明顯的變化，開挖前斜坡體的最大壓應(yīng)力為－10.69MPa，最大拉應(yīng)力為0.510 2 MPa，拉應(yīng)力主要是由于卸荷回彈引起的，開挖后斜坡的最大壓應(yīng)力為－35.5MPa，且集中在坡腳處，是開挖前最大壓應(yīng)力的3倍，開挖后坡腳處的壓應(yīng)力集中比開挖前更為明顯，開挖后斜坡體的拉應(yīng)力為2.168MPa，是開挖前斜坡最大拉應(yīng)力的4倍，這說明開挖后的最大拉應(yīng)力主要是由于斜坡體開挖擾動引起斜坡體表面處的巖體下滑而引起的。

圖7 開挖后的主應(yīng)力矢量

圖8 開挖后的位移矢量圖

從圖8可知開挖后，斜坡體最大位移為1.438m，發(fā)生在斜坡的中上部淺表層巖體，這也正是拉應(yīng)力比較集中的地方，這也說明由于開挖擾動，斜坡體中上部的局部巖塊沿著結(jié)構(gòu)面發(fā)生了滑動掉塊現(xiàn)象，但是斜坡體并沒有由于開挖發(fā)生整體失穩(wěn)的現(xiàn)象。從結(jié)果當(dāng)中可以看出斜坡體內(nèi)的兩條斷層帶并沒有對斜坡的穩(wěn)定性造成多少影響，這主要是由于上部的斷層帶幾乎是接近水平切入斜坡體的，斜坡淺表層的巖體很難沿著此軟弱帶滑出，雖然斷層在斜坡體深部處發(fā)生偏轉(zhuǎn)，傾角變陡，但是距離坡表較遠(yuǎn)，對坡表處的巖體穩(wěn)定性影響甚微。另一條斷層帶雖然傾向坡外，但是由于傾角大于斜坡體的坡角，斷層不能從坡面切出，巖體也不能沿此軟弱帶滑動。

4 結(jié)語

二維離散元法模擬非連續(xù)介質(zhì)的巖質(zhì)高邊坡較好的反映出邊坡在開挖前后坡體內(nèi)的應(yīng)力分布特征及變形特征，通過計算分析，本文主要得到以下結(jié)論：

（1）無論是開挖前還是開挖后，斜坡體內(nèi)的主應(yīng)力分布符合一般斜坡體主應(yīng)力分布。

（2）與開挖前相比，開挖后斜坡體的最大壓應(yīng)力，最大拉應(yīng)力，是開挖前的3～4倍，且坡腳處的壓應(yīng)力集中更為明顯。開挖前的拉應(yīng)力主要是由于坡腳處卸荷回彈引起的，而開挖后的拉應(yīng)力主要是由于開挖擾動斜坡體中上部表面處的巖體沿著結(jié)構(gòu)面下滑引起的。

（3）斜坡體在天然狀態(tài)下是穩(wěn)定的，開挖后斜坡體只是局部淺表層巖體沿著結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生了滑動，斜坡并沒有發(fā)生整體失穩(wěn)現(xiàn)象，這與實(shí)際情況是相符的。

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