陳權(quán)川，朱愛軍，2，殷 博，涂芳瑞，袁千城

(1.貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴陽建筑勘察設(shè)計有限公司，貴州 貴陽 550009；3.貴州省建筑設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

緩傾順向巖坡指巖層傾向與坡面傾向一致或近于一致且?guī)r層傾角在15°左右的層狀邊坡。此類邊坡在降雨、地震等各種不利因素作用下易發(fā)生滾石、滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，尤其是含軟弱夾層時，由于軟弱夾層的強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于周圍巖層，表現(xiàn)為邊坡失穩(wěn)破壞的控制性滑移面[1]。緩傾順向軟弱夾層巖體邊坡廣泛分布于我國西南地區(qū)，誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害相對較多，專家學(xué)者對此非常關(guān)注。龔文惠等[2]等運用彈塑性理論探討了結(jié)構(gòu)面強度、巖層厚度、巖層傾角對順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定的敏感性；李安洪等[3]總結(jié)并討論了順層巖質(zhì)邊坡常見的滑移-拉裂、滑移-彎曲2種破壞模式的穩(wěn)定性分析方法；韋達(dá)[4]運用地質(zhì)力學(xué)理論探討順層巖質(zhì)邊坡的破壞機(jī)理，并根據(jù)深梁理論揭示出巖層變形與縱向開挖長度的相關(guān)性；王學(xué)伍等[5]采用有限差分軟件FLAC3D探討了地震作用下含軟弱夾層的順傾巖質(zhì)邊坡加速度放大效應(yīng)和軟弱夾層區(qū)域加速度放大系數(shù)的變化規(guī)律；范剛等[6]基于大型振動臺模型試驗和傳遞函數(shù)理論，探討了含軟弱夾層順層巖質(zhì)邊坡的絕對傳遞函數(shù)和相對傳遞函數(shù)計算邊坡動力特性參數(shù)的準(zhǔn)確性，并對利用傳遞函數(shù)估算邊坡頻域動力響應(yīng)的可行性進(jìn)行了研究；宋子嶺等[7]綜合極限平衡法和強度折減法，對開挖70°的含多層軟弱夾層邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性研究表明，極限平衡法計算的穩(wěn)定系數(shù)較有限差分強度折減法大；程偉等[8]運用FLAC3D軟件分析了巖體邊坡應(yīng)力和變形在分部開挖過程中的發(fā)展規(guī)律，對邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了評價；范昊天等[9]采用離散元軟件PFC2D詳細(xì)分析了含軟弱夾層巖質(zhì)邊坡滑動的演化過程和破壞機(jī)理。

為較好地分析含緩傾順向軟弱夾層巖體邊坡穩(wěn)定性和破壞機(jī)理，本文依托貴州仁懷某巖體邊坡，結(jié)合勘察資料，采用FLAC3D中的應(yīng)變軟化模型(軟弱夾層)和摩爾-庫侖模型(軟弱夾層周圍巖體)對垂直開挖后的巖體邊坡變形過程進(jìn)行研究，并結(jié)合極限平衡法討論了軟弱夾層抗剪強度對此類邊坡穩(wěn)定的敏感性，可為該類邊坡的穩(wěn)定性分析和支護(hù)治理提供參考。

1 基本原理

1.1 強度折減法

強度折減法的原理指對邊坡巖土體的抗剪強度參數(shù)(粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ)逐步進(jìn)行折減，以折減后獲得的粘聚力c′與內(nèi)摩擦值φ′帶入求解，不斷增加折減系數(shù)，反復(fù)計算，當(dāng)邊坡從穩(wěn)定狀態(tài)到失穩(wěn)破壞致使塑性區(qū)貫通時，認(rèn)為模型完成收斂，邊坡處于臨界破壞狀態(tài)，此時邊坡巖土體的實際抗剪強度值與折減完成后的抗剪強度的比值即為邊坡的安全系數(shù)Fs。公式如下[10]

(1)

1.2 應(yīng)變軟化模型理論

該模型是在摩爾-庫侖模型的基礎(chǔ)上形成的，屈服函數(shù)、勢函數(shù)、塑性流動規(guī)律和應(yīng)力修正與摩爾-庫侖模型一致，且具有非關(guān)聯(lián)剪切和關(guān)聯(lián)拉伸流動規(guī)律。不同之處在于，材料進(jìn)入塑性屈服后，內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、膨脹角和拉伸強度均可發(fā)生軟化，可定義為非線性階段函數(shù)，而在摩爾-庫侖模型中，這些性質(zhì)被認(rèn)為是不變的。在彈性階段應(yīng)變僅由彈性應(yīng)變ee組成，即e=ee；在屈服點之后，總應(yīng)變?yōu)閺椥詰?yīng)變ee和塑性應(yīng)變ep兩者之和，即e=ee+ep[11]。應(yīng)變軟化模型見圖1。

圖1 應(yīng)變軟化模型

2 模擬方案

2.1 工程背景

研究邊坡的天然地形坡度為10°～23°，局部伴有陡坎發(fā)育，場區(qū)地層結(jié)構(gòu)簡單且地下水位較深，無不良地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育，含有強～中風(fēng)化石英砂巖和紅粘土組成的軟弱夾層。其中，強風(fēng)化巖層較薄且風(fēng)化程度較高，中風(fēng)化巖層較破碎且較堅硬，軟弱夾層力學(xué)性質(zhì)較差。巖層傾向與邊坡坡面近于一致，屬于緩傾型順向坡。

2.2 模型建立

以工程典型剖面為原型建立FLAC3D模型。為獲得較為準(zhǔn)確的計算精度，邊坡的模型以實際工程為背景，結(jié)合學(xué)術(shù)界廣泛認(rèn)可的模型尺寸加以確定[10]。由于擬建邊坡所含軟弱夾層較多，為便于研究，減少計算量，提高效率，建模時僅選取1條軟弱夾層重點研究。邊坡模型尺寸見圖2。模型采用六面體網(wǎng)格與楔形體網(wǎng)格均勻劃分，因主要考慮軟弱夾層對邊坡穩(wěn)定性的影響，為提高數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，對軟弱夾層區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行了加密。邊坡網(wǎng)格模型見圖3。

圖2 簡化邊坡剖面(單位：m)

圖3 邊坡模型網(wǎng)格劃分

2.3 有限元模型及其力學(xué)參數(shù)選取

基本假定：作用在含軟弱夾層邊坡上的外部荷載主要來源于研究區(qū)巖層的自重；分析過程不考慮構(gòu)造應(yīng)力帶來的影響；巖體與軟弱夾層巖性為各向同性且均勻的材料；含軟弱夾層巖質(zhì)邊坡中軟弱夾層與節(jié)理面密切接觸，不發(fā)生脫離與滑動。

含軟弱夾層的緩傾順向巖體邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞時，破壞過程具有漸進(jìn)性，軟弱夾層往往具有應(yīng)變軟化效應(yīng)。因此，對軟弱夾層區(qū)域賦予強度參數(shù)隨時步發(fā)生變化的應(yīng)變軟化模型，周圍巖體采用摩爾-庫侖模型。經(jīng)地質(zhì)演化分析可知，軟弱夾層是坡體覆蓋層紅粘土經(jīng)過雨水沖刷、入滲等各種地質(zhì)作用發(fā)育而成，其粘聚力與內(nèi)摩擦角會隨等效塑性應(yīng)變的不斷增加逐漸降低至殘余強度值，結(jié)合勘察報告以及GB/T 50218—2014《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》可得研究模型的計算參數(shù)，具體見表1。

表1 力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值分析

3.1 邊坡開挖完成后的穩(wěn)定性研究

為保證邊坡開挖后獲得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效，對邊坡開挖前初始應(yīng)力狀態(tài)下的各方向上的位移及速度清零。為分析邊坡開挖后的變形特征，沿邊坡開挖臨空面至坡頂在軟弱夾層上等間距設(shè)置了5個監(jiān)測點，在數(shù)值模擬過程中監(jiān)測其各項變形特征，利用數(shù)據(jù)處理軟件將其整理成圖，從而獲得邊坡開挖后的真實變形破壞過程。監(jiān)測點布置見圖4。

圖4 邊坡監(jiān)測點示意(單位：m)

X方向位移云圖見圖5。從圖5可知，邊坡后緣處的位移僅有毫米級，而前緣值較大且最大可達(dá)2 m，在距臨空面不遠(yuǎn)處產(chǎn)生了顯著的位移突變。隨著時效變形的不斷積累，坡體將在位移突變處產(chǎn)生拉裂縫，最終在該處被拉斷并沿軟弱面發(fā)生滑移，屬于滑移-拉裂破壞模式。

圖5 X方向位移云圖

剪應(yīng)變增加速率云圖見圖6。從圖6可知，邊坡開挖后，剪應(yīng)變增加速率在軟弱夾層區(qū)域出現(xiàn)集中，邊坡破壞時并沒有全部貫通，而在邊坡后緣停止發(fā)展。分析原因為：后緣軟弱夾層上部巖體較少，雖然軟弱夾層本身抗剪強度較低，但足以抵抗其上部巖體產(chǎn)生的下滑力。

由于研究對象的節(jié)點數(shù)和單元數(shù)較多，為提高效率，采用人工折減法計算。采用折減系數(shù)Fs=0.50、0.52對邊坡原始強度參數(shù)進(jìn)行折減。折減到0.50時，體系處于平衡狀態(tài)；折減到0.52時，體系處于不平衡狀態(tài)，說明邊坡安全系數(shù)介于0.50～0.52之間，故取中間值0.51再次進(jìn)行折減計算。邊坡X方向速度歷時見圖7。從圖7可以看出，折減系數(shù)取0.51時，X方向的速度趨近于0，說明邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。而折減系數(shù)取Fs=0.52時，X方向的速度突然迅速上升。由此可判斷，此邊坡的安全系數(shù)為0.51。

圖6 剪應(yīng)變增加速率云圖

圖7 X方向速度歷時

X方向位移等值線云圖見圖8。從圖8可知，邊坡開挖卸荷后，坡體后緣會產(chǎn)生較大的位移差，位移差的存在誘發(fā)產(chǎn)生了拉張裂縫，隨著時間的不斷推移，裂縫逐漸發(fā)展至貫通，進(jìn)而導(dǎo)致滑體與母巖脫離，最終沿著軟弱夾層向臨空面滑動。剪應(yīng)力歷時見圖9。從圖9可知，軟弱夾層的剪應(yīng)力峰值效應(yīng)在滑面上隨著滑體的蠕滑從邊坡前緣向后緣不斷傳遞，達(dá)到峰值強度后進(jìn)入殘余強度階段，表明邊坡的破壞具有時效性，從臨空面至邊坡后緣不斷發(fā)展，總體表現(xiàn)為滑移-拉裂破壞。

圖8 X方向位移等值線云圖

圖9 剪應(yīng)力歷時

3.2 邊坡漸進(jìn)破壞分析

開挖N步時的剪應(yīng)變增加速率云圖見圖10。開挖N步時X方向位移云圖見圖11。從圖10、11可知，邊坡開挖第1 000步時，在軟弱夾層出露處有輕微的剪應(yīng)變集中，此時臨空面處軟弱結(jié)構(gòu)面上部滑體由于受剪而產(chǎn)生剪切位移。隨著時間的推移，剪應(yīng)變集中區(qū)不斷向邊坡后緣推進(jìn)，且位移不斷向后緣擴(kuò)展，當(dāng)達(dá)到25 684步時，軟弱夾層剪應(yīng)變集中區(qū)在滑面貫通，滑體變形從臨空面逐步向坡頂發(fā)展，直至發(fā)生失穩(wěn)破壞，表現(xiàn)為牽引式滑坡。

圖10 開挖N步時的剪應(yīng)變增加速率云圖

圖11 開挖N步時X方向位移云圖

綜上所述，緩傾順向軟弱夾層巖體邊坡開挖卸荷后表現(xiàn)出明顯的漸進(jìn)破壞性。由于軟弱夾層的強度參數(shù)明顯低于周圍巖體，其抗剪能力不足以抵抗上部巖體的下滑力，開挖卸荷后臨空巖體失去下部巖體支擋，破壞率先在軟弱夾層出露處發(fā)生。這種破壞是一個循序漸進(jìn)的過程，并不是一蹴而就的，是從坡前緩慢向后緣逐步發(fā)展的結(jié)果。

3.3 強度參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的敏感性分析

采用控制變量法分別改變軟弱夾層的粘聚力、內(nèi)摩擦角，研究其中1個參數(shù)時，保持另1個參數(shù)值恒定。根據(jù)紅粘土粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ常見值進(jìn)行適當(dāng)極端擴(kuò)寬，采用線性差值獲得相應(yīng)變量值。安全系數(shù)變化見圖12。從圖12可知，采用極限平衡法比FLAC3D軟件強度折減法的計算結(jié)果更保守且敏感性更低，邊坡穩(wěn)定性隨抗剪強度的增大而增大；極限平衡法計算的安全系數(shù)與FLAC3D計算趨勢是一致的，安全系數(shù)隨內(nèi)摩擦角的變化更加顯著?？梢缘贸觯?dāng)邊坡的高度和軟弱夾層的幾何參數(shù)(傾角、厚度、位置等)一定時，軟弱夾層力學(xué)參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的敏感強弱為：內(nèi)摩擦角φ>粘聚力c。

在軟弱夾層內(nèi)取一微元體進(jìn)行受力分析。微元

圖12 安全系數(shù)變化

體在垂直紙面方向上所受法向正應(yīng)力為σ2，則最大、最小主應(yīng)力σ1、σ3必在平行于紙面所在平面內(nèi)。以軟弱夾層傾向方向為x軸，垂直軟弱夾層方向為y軸建立直角坐標(biāo)系。令σ3與x軸夾角為β，由彈塑性理論可知微元體的剪切破壞面為m-n面。根據(jù)前人研究可知，剪應(yīng)力τ所在平面與最大主應(yīng)力σ1作用面的夾角為45°+φ/2。由幾何關(guān)系可知，剪應(yīng)力τ所在平面與y軸夾角為45°+φ/2+β。將剪應(yīng)力τ沿坐標(biāo)軸分解為τx和τy，則軟弱夾層上部潛在滑移體產(chǎn)生的下滑力由軟弱夾層的∑τx為其提供抗滑力。微元體受力分析見圖13。公式為

τ=c+tanφ=τsin(45°-φ/2+β)
=c+σtanφ)sin(45°-φ/2+β)

(2)

圖13 微元體受力分析

當(dāng)φ保持不變時，τx隨粘聚力c的增大而增大。當(dāng)c保持不變且φ在19°～27°時，由三角函數(shù)性質(zhì)可知，σtanφ的影響遠(yuǎn)大于sin(45°-φ/2+β)，故τx也隨內(nèi)摩擦角φ的增大而增大。安全系數(shù)隨抗剪強度變化的趨勢符合預(yù)期且與前人研究成果相一致，進(jìn)一步驗證了上述觀點。

4 結(jié) 語

本文基于有限差分FLAC3D軟件，對緩傾順向軟弱夾層巖體邊坡開挖卸荷后的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，主要結(jié)論如下：

(1)含緩傾順向軟弱夾層巖體邊坡的失穩(wěn)破壞并不是一蹴而就的，而是一個時效變形過程，具有明顯的漸進(jìn)性。邊坡經(jīng)開挖卸荷后，坡體在軟弱夾層出露處率先發(fā)生剪切屈服，不斷發(fā)生蠕滑變形，并逐漸向后緣擴(kuò)展，最后在坡體后緣處產(chǎn)生拉張裂縫并沿軟弱夾層發(fā)生滑移-拉裂破壞。

(2)在軟弱夾層常見強度參數(shù)范圍內(nèi)，極限平衡法計算得出的安全系數(shù)略大于1，邊坡處于穩(wěn)定和欠穩(wěn)定狀態(tài)，而在數(shù)值計算得出的安全系數(shù)卻小于1，邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài)。由此可見，傳統(tǒng)極限平衡法對此類邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評價時可能夸大了邊坡的安全性。因此，在對此類邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析時，有必要利用數(shù)值軟件加以驗證。

(3)當(dāng)邊坡的高度和軟弱夾層的幾何參數(shù)(傾角、厚度、位置等)一定時，軟弱夾層力學(xué)參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的敏感強弱為：內(nèi)摩擦角>粘聚力。