毋遠召 馬文禮 魏占璽 董順德

摘 要：為增強邊坡在惡劣條件下的穩(wěn)定性，針對降雨及滲流條件下的層狀砂質(zhì)板巖邊坡進行研究，采用邊坡模型試驗和有限元模擬方法，研究了邊坡的變形破壞形態(tài)和位移變化情況。結(jié)果表明，邊坡的變形破壞是一個持續(xù)發(fā)展的過程。主要從坡體中部開始，形成一個D字狀的位移曲線，隨著降雨時間的增加，最終坡體完全被破壞;當(dāng)降雨強度分別為600 mm/d和800 mm/d時，邊坡中部出現(xiàn)塌落，其降雨時間分別為16 800 s和13 300 s，說明了強降雨對邊坡失穩(wěn)有被更大的加速作用;通過對邊坡模型試驗和有限元模擬試驗的結(jié)果對比表明，層狀砂質(zhì)板巖邊坡破壞形態(tài)和位移變化趨勢基本保持一致，驗證了模型試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性。研究結(jié)果為降雨及滲流條件下層狀砂質(zhì)板巖邊坡變形破壞機理提供了實驗依據(jù)和數(shù)值模擬參考，可為類似砂質(zhì)板巖邊坡滲流問題研究提供借鑒。

關(guān)鍵詞：巖土力學(xué);降雨;邊坡;穩(wěn)定性;有限元模擬

中圖分類號：P642?文獻標(biāo)識碼：A

doi： 10.7535/hbgykj.2020yx04004

文章編號：1008-1534（2020）04-0230-07

Abstract：In order to enhance the stability of side slopes in harsh conditions， the research on layered sandy slate slopes under rainfall and seepage conditions was carried on， and the slope model test and finite element simulation method were used to study the deformation failure form and displacement change of the slope. The results show that the deformation and failure is a continuous development process. It mainly starts from the middle of the slope and forms a D-shaped displacement curve. With the increase of rainfall time， the slope is completely destroyed. When the rainfall intensity is 600 mm/d and 800 mm/d， the rainfall time required for the collapse in the middle of the slope is 16 800 s and 13 300 s respectively， which shows that the continuous rainfall has a greater acceleration effect on the slope instability. The comparative analysis of the slope model test and the finite element simulation shows that the failure pattern and displacement change trend of the layered sandy slate slope are basically consistent， which also verifies the accuracy and effectiveness of the model test monitoring data. The research results not only provide experimental basis and numerical simulation foundation for the deformation failure mechanism of underlying sandy slate slope under the condition of rainfall and seepage， but also provide reliable reference for similar research on seepage problems of sandy slate slope.

Keywords：geotechnical mechanics; rainfall; side slope; stability; finite element simulation

在公路、隧道、鐵路城建等基建項目的建設(shè)過程中會遇到各種各樣的地質(zhì)條件[1]。

為了保證道路及建設(shè)工程的安全性，需要對各種惡劣條件下的邊坡性能進行研究。在持續(xù)降雨的條件下，邊坡會出現(xiàn)失穩(wěn)的現(xiàn)象，輕則影響工程的質(zhì)量和施工進度，重則導(dǎo)致人員的傷亡[2-3]。

針對邊坡的變形破壞有很多研究[4-6]。楊世平等[7]結(jié)合歷史資料，利用數(shù)值模擬的方法研究了水庫右岸趾板邊坡的變形機理;何忠明等[8]結(jié)合非飽和抗剪強度理論，分析了強降雨條件下邊坡的安全系數(shù);劉杰等[9]基于有限元計算理論對影響邊坡降雨入滲深度的因素進行了分析。孫萍等[10]模擬降雨系統(tǒng)，研究了不同降雨條件下天然黃土邊坡的變形破壞模式;王磊等[11]針對均質(zhì)黃土邊坡開展了人工降雨現(xiàn)場試驗，探究了邊坡變形開裂的特征;AMINI等[12]針對巖石邊坡的傾覆失效進行了研究，并建立了具有撓曲傾覆失穩(wěn)潛力的巖石邊坡理論模型;PARK等[13]通過單軸壓縮試驗對巖石的微觀結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬分析，并驗證了巖石的力學(xué)性能;LI等[14]研究了運動學(xué)在滑坡之間相互作用的影響機理。

降雨對于邊坡有很大影響，大部分滑坡現(xiàn)象的產(chǎn)生緣于長時間降雨。針對工程實際中降雨條件下的層狀砂質(zhì)板巖邊坡的模型試驗尚未有文獻報道。筆者結(jié)合邊坡模型和有限元模擬軟件，分析降雨及滲流條件下層狀砂質(zhì)板巖邊坡的變形破壞模式，以期能夠為提高邊坡的穩(wěn)定性能提供解決方案。

1?邊坡穩(wěn)定性分析

以層狀砂質(zhì)板巖邊坡為分析對象，在降雨和滲流條件下，巖體會承受以下集中力的作用：流體對邊坡裂隙壁的拉力T、流體的阻力F、裂隙內(nèi)的靜水壓力V、邊坡坡體上的靜水壓力U以及邊坡的自重G[15-16]。邊坡的受力分析如圖1所示。

在降雨和滲流條件下，此時流體對邊坡裂隙的推力T增加，同時黏聚力c減小，使得邊坡容易失穩(wěn)[17]。

2?邊坡模型試驗設(shè)計

選擇邊坡模型試驗其材料需要滿足以下幾個方面的要求：1）模型的物理力學(xué)性能需要與邊坡的巖石結(jié)構(gòu)相似;2）試驗過程中需要保持模型的性能穩(wěn)定，不能被空氣中的溫度和濕度影響其力學(xué)性能;3）模型制作簡單，成本低，材料易得[18-19]。

筆者選擇某高速公路其中一段層狀砂質(zhì)板巖邊坡作為研究對象，其原狀巖土的物理性能如表1所示。

為了能夠簡單、準(zhǔn)確的模擬高速路層狀砂質(zhì)板巖邊坡的性質(zhì)，邊坡模型試驗簡化后的物理力學(xué)性能如表2所示。

為了能夠更好地了解降雨及滲流條件下邊坡的變形破壞情況，設(shè)置人工降雨模擬系統(tǒng)。降雨采用人工控制調(diào)節(jié)模式，降雨的有效面積為1.5 m×2.5 m，雨量的高度設(shè)置為3 m，持續(xù)時間可以手動控制，降雨的強度根據(jù)當(dāng)?shù)赝杲涤炅窟M行模擬。降雨系統(tǒng)的主要框架如圖2所示。

此降雨系統(tǒng)主要由供水系統(tǒng)、降雨管路和控水閥門組成，人工模擬降雨的情況。模型箱上部的降雨噴頭如圖3所示。

本研究的邊坡模型砌筑過程如下：1）選擇合適的模型箱，鋪設(shè)一定角度的墊層;2）待墊層養(yǎng)護達到一定的強度后，選擇合適的砌筑方式砌筑邊坡;3）養(yǎng)護邊坡模型，直至其達到一定的強度，再在對應(yīng)的位置進行打孔、安裝。邊坡模型的成型過程如圖4所示。

3?邊坡模型監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

本研究模擬邊坡坡面傾角25°的層狀砂質(zhì)板巖邊坡的破壞情況，采用層鋪法砌筑邊坡模型，在邊坡的上、中、下部鋪設(shè)相應(yīng)的位移傳感監(jiān)測系統(tǒng)。邊坡模型試驗前需要對降雨系統(tǒng)進行檢測，確認邊坡模型能正常工作，監(jiān)測模擬降雨強度分別為600，?800 mm/d?時的數(shù)據(jù)的變化情況。

邊坡坡面傾角25°層狀砂質(zhì)板巖邊坡在降雨強度為600 mm/d時的邊坡模型水平、豎向位移圖如圖5和圖6所示。

從圖5和圖6可以看出。

1）在降雨初期，邊坡模型的水平和豎向位移沒有變化，說明降雨初期邊坡處于穩(wěn)定的狀態(tài)。隨著降雨時間的逐漸增加，邊坡的含水率也逐漸增加。當(dāng)坡體某一區(qū)域的含水率達到飽和狀態(tài)時，則在滲流的作用下邊坡會出現(xiàn)明顯的位移。

2）當(dāng)降雨時間達到一定時長時，邊坡會出現(xiàn)滲流現(xiàn)象。此時邊坡的位移會進一步增加，中部的水平、豎向位移出現(xiàn)得更快，最終形成一個D字狀的位移曲線。

3）隨著降雨時間的繼續(xù)增加，邊坡大范圍地出現(xiàn)含水率飽和的現(xiàn)象，此時的邊坡位移變化情況繼續(xù)增加。當(dāng)降雨時間為16 800 s時，邊坡中部位移最大，此時坡體中部的標(biāo)志牌滑落，邊坡破壞。

4）整個降雨過程中，邊坡的下部位移基本保持不變。當(dāng)邊坡中部破壞后，隨著降雨的持續(xù)，上部的邊坡也慢慢的塌落，最終整體邊坡垮塌。

邊坡坡面傾角為25°層狀砂質(zhì)板巖邊坡在降雨強度為800 mm/d時的位移變形情況如圖7和圖8所示。

從圖7和圖8可以看出。

1）在降雨初期邊坡模型的水平和豎向位移基本沒有變化，說明降雨初期邊坡處于穩(wěn)定的狀態(tài)，與降雨強度600 mm/d時邊坡的變化情況基本一致。隨著降雨時間的逐漸增加，邊坡的含水率也逐漸增加。當(dāng)坡體某一區(qū)域的含水率達到飽和狀態(tài)時，在滲流的作用下邊坡會出現(xiàn)明顯的位移。

2）隨著降雨時間的持續(xù)增加，邊坡中部開始出現(xiàn)滑動的現(xiàn)象。當(dāng)降雨時間達到13 300 s時，邊坡中部的豎向位移突然大幅度的增加，坡體破壞，中部標(biāo)志牌也脫落。

對比邊坡模型分別在600，800 mm/d降水強度下其水平、豎向位移情況可以發(fā)現(xiàn)：邊坡的變形破壞是一個逐漸發(fā)展的過程。隨著降雨時間的增加，邊坡內(nèi)部的土體慢慢達到飽和狀態(tài)。坡體水平方向的位移變化相對較緩，當(dāng)降雨時間持續(xù)到一定的時長后，邊坡中部出現(xiàn)破壞，其豎向位移快速增加，最終使得整個邊坡變形破壞。對比600，?800 mm/d?降水強度對邊坡的影響可以看出：降水強度越大，邊坡模型變形破壞所需要的時間越短，邊坡越容易破壞。

4?降雨誘發(fā)邊坡變形破壞有限元模擬研究

為了能夠驗證層狀砂質(zhì)板巖邊坡模型在降雨條件下的監(jiān)測試驗結(jié)果，筆者結(jié)合有限元模擬方法分析降雨強度為800 mm/d時邊坡的變形破壞模式。對比試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果，研究降雨及滲流條件下邊坡的破壞機理。

4.1?有限元模型建立

層狀砂質(zhì)板巖邊坡中主要成分的巖土性質(zhì)在物理性能上類似于混凝土，在模擬邊坡變形破壞過程中，筆者采用ANSYS軟件中solid164單元模擬邊坡的巖體。在有限元分析中，網(wǎng)格劃分得越密集，其模擬的結(jié)果越準(zhǔn)確，但是這對計算機的計算性能提出了很高的要求。

筆者將巖體的網(wǎng)格劃分為0.5 m[20]。通過?LS-DYNA?進行建模并導(dǎo)出k文件，根據(jù)模型的特征對相關(guān)的參數(shù)進行修改。取坡頂、坡腳和坡中的相應(yīng)位置作為監(jiān)測點，分析坡體在降雨及滲流作用下的位移變化情況。在實際模擬邊坡變形破壞的過程中，忽略邊坡坡面上的位移，邊坡與模型框架之間水平向和側(cè)向分別取2個和1個約束。模擬的邊坡模型約束及網(wǎng)格劃分情況如圖9所示。

4.2?降雨強度為800 mm/d時邊坡模擬結(jié)果分析

當(dāng)降雨強度為800 mm/d時，分別取邊坡底、坡中、坡頂?shù)臄?shù)值模擬數(shù)據(jù)進行分析。邊坡X方向上的模擬位移結(jié)果如圖10所示，其中A1114，B3392，C6260分別表示的為邊坡的坡頂、坡中、坡底的數(shù)據(jù)?？梢钥闯觯哼吰碌奈灰魄€呈現(xiàn)拋物線的形狀，其中主要是以邊坡中部的變化為主，邊坡下部基本無變化。

模型試驗的水平方向位移曲線如圖11所示。將邊坡模擬試驗結(jié)果與實際的模型位移結(jié)果對比可以發(fā)現(xiàn)：兩者曲線的變化趨勢基本一致，都是邊坡中部變化最為明顯，底部基本無變化。隨著降雨時間的增加，邊坡模型試驗的最終監(jiān)測結(jié)果顯示邊坡出現(xiàn)標(biāo)志牌脫落，邊坡中部開始塌落，直至最終邊坡變形破壞。而邊坡模擬的結(jié)果顯示隨著降雨時間的增加邊坡最終位移不再變化，邊坡徹底破壞。邊坡模型試驗和有限元模擬結(jié)果能夠很好地吻合。

圖12所示為降雨強度為800 mm/d時邊坡試驗與豎直方向的應(yīng)變云圖?？梢钥闯觯哼吰履M的變形形態(tài)與實際邊坡模型的變形形態(tài)基本一致，兩者相似度很高，最終的破壞形態(tài)也基本類似。這也證明了選擇的有限元數(shù)值模擬方法的合理性和有效性。

5?結(jié)?語

筆者以某公路旁的層狀砂質(zhì)板巖邊坡作為研究對象，通過模型試驗和有限元數(shù)值模擬分析了其在降雨及滲流條件下的變形破壞模式，得出如下結(jié)論。

1）持續(xù)降雨條件下，層狀砂質(zhì)板巖邊坡由于水滲流到巖石土體中，土體的黏聚力減小，邊坡容易失穩(wěn)。當(dāng)邊坡開始緩慢地出現(xiàn)位移現(xiàn)象時，證明邊坡已達到失穩(wěn)的臨界狀態(tài)，此時邊坡的滑移面減小，加大了流體對邊坡裂隙的拉力，導(dǎo)致其加速失穩(wěn)，最終出現(xiàn)崩塌現(xiàn)象。

2）通過計算原始邊坡的尺寸，設(shè)計了一套包含降雨系統(tǒng)的縮尺邊坡模型。記錄了邊坡在降雨過程中不同位置的位移變化情況，分析了層狀巖質(zhì)邊坡在降雨及滲流作用下的持續(xù)變形過程。降雨開始時無變化，當(dāng)降雨時間達到一定時長時，邊坡會出現(xiàn)滲流現(xiàn)象。此時邊坡的位移會進一步的增加，其中部的水平、豎向位移出現(xiàn)得更快，形成一個D字狀的位移曲線，直至坡體破壞。

3）邊坡的位移曲線呈拋物線形狀，水平位移的變化幅度相比豎向位移更大，表明邊坡的變形破壞主要以水平位移變化為主。當(dāng)降雨強度為600 mm/d且降雨時間持續(xù)16 800 s時，邊坡中部位移最大，此時坡體中部的標(biāo)志牌滑落，邊坡破壞;當(dāng)降雨強度為800 mm/d且降雨時間持續(xù)13 300 s時，邊坡中部的豎向位移突然大幅度增加，坡體破壞，中部標(biāo)志牌脫落。

4）利用ANSYS有限元模擬的邊坡變形破壞與實際邊坡模型的變形形態(tài)基本一致，最終的破壞形態(tài)基本類似。

模型試驗中的邊坡穩(wěn)定性是基于表現(xiàn)位移進行判斷的，實際工程中邊坡的穩(wěn)定性問題往往始于內(nèi)部，因此，在今后的研究中應(yīng)從表現(xiàn)位移向微觀破壞機理深入研究，以便進一步掌握巖質(zhì)邊坡的變形規(guī)律。

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