基于数值仿真的全强风化岩质边坡失稳机制研究

李大茂，张国辉，袁从华

(1.云南省公路开发投资有限责任公司， 云南 昆明 650200；2.云南小磨高速公路改扩建工程建设指挥部， 云南 景洪666100；3.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室， 湖北 武汉 430071)

基于数值仿真的全强风化岩质边坡失稳机制研究

李大茂1,2，张国辉1,2，袁从华3

(1.云南省公路开发投资有限责任公司， 云南 昆明 650200；2.云南小磨高速公路改扩建工程建设指挥部， 云南 景洪666100；3.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室， 湖北 武汉 430071)

利用数值分析方法来分析边坡的稳定性正逐渐被人们所重视。以某公路边坡工程为例采用考虑地形变化的极限平衡法和考虑变形发展过程的有限元强度折减法相结合的方法对全强风化岩质边坡的失稳机制进行了研究。研究结果表明：边坡的失稳破坏机制表现为典型的牵引破坏，全强风化岩体遇水容易软化，边坡中前部抗滑段饱和时会导致岩体强度极大下降，对于边坡的稳定十分不利，中前部边坡失稳导致滑坡逐渐向上发展，牵引逐级发育，前一级潜在破坏为后一级的发展提供了临空空间。针对这种失稳机制，建议工程措施应重视阻滑段的疏排水，通过工程加固手段阻止第一级破坏发生。

边坡失稳；全强风化岩体；极限平衡法；强度折减法；牵引式滑坡

岩质边坡稳定性分析是岩土工程问题中的重要问题之一，同时岩质边坡的失稳破坏造成了严重的灾情以及巨大的损失[1]。因此，研究边坡失稳的破坏机制是很有必要。目前学者们对于边坡稳定性的分析方法主要采用工程中应用广泛的极限平衡法[2-5]、近年来发展迅速的有限元强度折减法[6-9]以及针对倾倒破坏的非连续变形分析方法[10-11]。更有学者将有限元法和极限平衡法两者相结合，用以对边坡的稳定性进行分析[12-14]。岩土体的破坏形式通常都是剪切破坏，现有边坡稳定分析的方法大部分以岩土体内部是否沿滑动面发生整体摩尔-库仑剪切破坏为判别准则。穆成林等[15]阐述了含软弱夹层顺层边坡失稳破坏过程影响因素,以及边坡开挖后岩体劣化、雨水下渗、滑面力学性状弱化过程,建立了“刚柔相济”的地质-力学量化模型,分析边坡滑移-拉裂的形成机制,系统总结了边坡演化过程。宋东日等[16]研究了牵引式滑坡的力学机制：(1) 坡脚开挖致使阻滑关键块体缺失,应力集中导致剪切应变软化；(2) 地表降水与地下水对岩土体物理力学性能的改造；(3) 滑体变形不协调,导致拉裂缝产生,滑坡后缘得以继续向后扩展。李满意等[17]对类土质边坡失稳机理进行了分析，指出类土质(即全强风化)边坡变形的地质力学机制为渐进后退式蠕滑拉裂，并将失稳机理概括为雨水渗入、边坡恶化、局部失稳、整体失稳四个阶段。

风化程度岩体物理力学特性影响较大，对于全强风化岩体来说，岩体被节理切割变得极为破碎，可能有泥质充填，遇水软化将大幅降低岩体强度。全强风化岩质边坡工程特性及稳定性明显区别于一般的均质土边坡和岩质边坡，目前研究相对较少。本文通过两种方法研究了全强风化岩质边坡在工程开挖条件下失稳破坏机制，分别是考虑地形变化的极限平衡方法和考虑坡体变形过程的有限元强度折减方法，极限平衡法中考虑了边坡失稳过程中地形逐渐发生变化，用动态的观点来分析滑坡的发展过程；有限元强度折减法中可获取坡体的变形发展过程，两种分析方法相结合更有助于分析边坡的失稳破坏机制。本文以某公路边坡工程为例，通过考虑地形变化的极限平衡方法和有限元强度折减方法进行了分析，揭示了全强风化岩质边坡的失稳破坏机制。

1 基于数值仿真的边坡失稳机制研究方法

1.1 考虑变形发展过程的有限元强度折减方法

有限元强度折减法的基本原理是将坡体强度参数(黏聚力和内摩擦角)的值同时除以一个折减系数，得到一组新的强度参数，将折减后的强度参数值代入有限元计算，可得到边坡内部的变形情况。反复折减坡体强度参数，可得到随着坡体强度逐渐弱化情况下边坡内部的变形发展过程。当抗剪强度参数降低到计算不收敛时，说明边坡达到极限状态，此时边坡体出现大幅度变形和塑性滑移，根据弹塑性有限元分析结果搜索得到滑动破坏面，滑坡破坏时对应的强度折减系数即为边坡强度储备安全系数。

1.2 考虑地形变化的极限平衡方法

有限元方法能够考虑变形协调，通过折减强度参数可获取边坡渐进破坏过程不同，极限平衡分析方法通过对土体剪切破坏时的状态进行静力平衡分析求得问题的解。极限平衡方法中，边坡岩土体沿某一潜在滑动面发生刚性滑动，不考虑变形协调，通过条块的受力分析计算边坡稳定性安全系数。

在考虑地形变化的极限平衡方法中，做出如下简化假定：对当前边坡搜索最不利滑面，得到该滑面的安全系数，即假设岩土体沿此滑面滑出，这是最不利的滑坡情况，将滑面之上的岩土体移除，然后对改变后的坡形再进行一次极限平衡计算，搜索得到另一个滑面，然后再移除，多次循环，最终可得到边坡的失稳过程。这一计算过程虽然和考虑变形的有限元强度折减法不同，但都可以获取边坡渐进破坏发展的过程。

2 算例分析

2.1 边坡工程概况

某高速公路K96+540—K96+800边坡，公路在边坡中部通过，滑面在公路基础下30 m。滑坡体主要为残坡积体、全强风化破碎片岩。根据调查的后缘裂缝实测，滑坡后缘裂缝已延伸至1 928 m高程，高出设计高程约70 m。现场调查也显示，在拟建公路上缘已产生滑裂缝，下缘有多处挤压外鼓变形，路基下沉变形明显，说明该滑坡体还在缓慢变形。

位于K96+540—K96+800段的白济讯滑坡在边坡体的中前部，线路通过地段切坡完成后，在抗滑桩+锚索结构施工过程中，坡面和路基均发现有裂缝和较大沉降变形，说明滑坡一直处在变形之中。根据实测资料，坡体前缘到后缘的水平距离为320 m，坡体高差约140 m，地表平均坡度为24°，是一个较大规模的滑坡体，见图1(a)。图1(b)展示了该滑坡的典型工程地质剖面。

图1 滑坡地形及地质剖面图

滑坡体的物质组成主要为松散残积坡体土层、全强风化破碎片岩，滑床为中风化、微风化的板岩、砂岩、泥岩。通过地质勘察和反分析综合确定不同状态岩土体强度参数见表1。

表1 岩土层强度参数

2.2 基于强度折减法的边坡变形发展过程

边坡失稳由前缘开始扩展，逐渐发展到一个较大的范围，是典型的牵引式滑坡，其破坏是一个渐进累积破坏过程。在大气降雨入渗作用下，在滑带附近，土体的含水率逐渐增加，滑带岩土强度参数逐渐衰减，这个衰减过程的最大程度，取决于滑带土的饱和度，最大下降到饱水状态强度参数。其中由于地形条件和地下水的淋滤路径，前缘一般相对于别的位置更容易先期达到饱水状态，而滑坡的中前部一般为抗滑段，该段滑面参数的降低对于坡体稳定往往影响很大。分别考虑坡体不同部位的岩土体处于不同的软化阶段，即一部分坡体处于饱和抗剪强度，另外的坡体处于正常含水率时的抗剪强度，并分别考虑饱和抗剪强度坡体和正常含水率时的抗剪强度坡体占有不同比例，模拟降雨入渗后坡体的饱和情况。

计算中假设坡体自前部往中后部逐步饱和，相应的岩土强度参数调整成饱水状态强度参数，将整个边坡划分为5个区域(见图2)，40%饱和对应前两个区域为饱水状态强度参数，其余区域对应自然强度参数；60%饱和对应前三个区域为饱水状态强度参数，其余区域对应自然强度参数；100%饱和即全部5个区域均采用饱水状态强度参数。

图2 边坡饱和区域划分

有限元计算采用Rocscience Phase2软件，采用弹塑性模型，摩尔-库仑强度准则，采用强度折减方法计算边坡安全系数，参考文献资料，以计算不收敛作为边坡失稳标准。

分为3个幅段(分别为40%饱和、60%饱和、100%饱和)自下而上逐步弱化的计算工况，所得剪切应变云图揭示边坡变形特征如图3所示，不同阶段的强度折减安全系数如表2所示。

图3 边坡变形渐进过程表2 滑面不同比例饱和强度对边坡整体稳定性的影响

从图2可知，随着坡体的逐步饱和，在60%坡体饱和时，剪切应变云图揭示的变形规模和勘察获取的滑动面位置基本相同，在往上滑动面变浅，滑体变薄，这可以说是次一级连续滑动造成的。从表2可知，原本稳定的坡体，在中前部抗滑段达到饱和后，土体自身的抗滑能力极大地削弱，使得坡体不稳定。中后部的饱水进一步地削弱了其抗滑能力，但不起控制作用。这充分说明了抗滑段疏排水措施的重要性。只要能保证抗滑段的性质不发生弱化，阻止第一级破坏的产生，再采取一定的工程加固措施，则坡体能保持稳定。

2.3 基于考虑地形变化的极限平衡法的边坡破坏发展过程

现场调查发现边坡发育多条拉裂缝，这一特征和牵引式滑动模式相符合。作为这种破坏发展过程的一种最不利情况，采用考虑地形变化的极限平衡法进行分析，分别考虑滑面不同部位的岩土体处于不同的软化阶段，即一部分滑面处于饱和抗剪强度，另外的滑面处于正常含水率时的抗剪强度，并分别考虑饱和抗剪强度滑面和正常含水率时的抗剪强度滑面占有不同比例，模拟降雨入渗后坡体的饱和情况。

因为边坡岩土体中没有控制性的结构面，实际破坏揭示的滑面近似于圆弧，因此极限平衡分析方法选择严格满足力和力矩平衡的Morgenstern-Price法，采用自动搜索滑面的方式获取最不利滑动面。

从图4中可以观察到滑动面在空间演化过程，安全系数计算结果见表3。对比图3和图4，可以发现两者滑面规律相似，分布范围大致相同。这展示了边坡的牵引滑动过程，和有限元强度折减方法得到的滑面发展过程类似。随着滑体滑出、地形发生变化，由于前缘阻滑段逐渐滑出，并且岩土体饱和范围逐渐增加，边坡的安全系数逐渐下降，边坡的滑动范围逐渐向后扩展，当这些潜在滑体全部滑出后，边坡又达到一个新的平衡状态。

图4 牵引式滑动破坏机制表3 滑面不同比例饱和对边坡整体稳定性的影响

虽然两种分析方法不同，但安全系数的计算上也有一定的可比性。对比表2和表3可以发现，初始条件下(40%饱和)，极限平衡法的安全系数略大于有限元强度折减法；随着岩土体饱和范围的增加(60%饱和)，边坡安全系数下降，极限平衡法的安全系数较有限元强度折减法低，主要是相对于强度折减法，阻滑段滑出的滑体使得边坡抗滑能力降低；随着岩土体进一步饱和(100%饱和)，边坡安全系数下降，极限平衡法的安全系数较有限元强度折减法降低较多，主要是相对于强度折减法，阻滑段滑出的滑体使得后部坡体临空，使得边坡稳定性较大程度下降。

3 结 论

本文通过两种方法研究了全强风化岩质边坡在工程开挖条件下失稳破坏机制，分别是考虑地形变化的极限平衡方法和考虑坡体变形过程的有限元强度折减方法，极限平衡法中考虑了边坡失稳过程中地形逐渐发生变化，获得滑坡发展过程；有限元强度折减法获取了坡体的变形发展过程，两种分析方法相结合更有助于分析边坡的失稳破坏机制。以某公路边坡为例，通过两种方法的组合分析，揭示了边坡的牵引式滑动破坏机制，建议工程处治措施应重视抗滑段疏排水，防止第一级破坏，可避免破坏范围扩大，减少工程损失。

[1] 龚匡周,王 浩,方雪晶,等.复杂岩质边坡的破坏类型及稳定性分析[J].中国地质灾害与防治学报,2012,23(1):22-27.

[2] 曹 雄.二维边坡稳定性分析的通用极限平衡法[J].铁道工程学报,2012(6):28-32，64.

[3] 陈勋辉,陈义涛,黄耀英,等.边坡稳定性分析的三种极限平衡法对比研究[J].人民黄河,2016,38(1):116-119.

[4] 邓东平,李 亮.一般形状边坡下准严格与非严格三维极限平衡法[J].岩土工程学报,2013,35(3):501-511.

[5] 王 旭,刘东升,宋强辉,等.基于极限平衡法的边坡稳定性可靠度分析[J].地下空间与工程学报,2016,12(3):839-844.[6] 孙 聪,李春光,郑 宏，等.基于软化特性的三维边坡强度折减有限元分析[J].岩土力学,2014,35(S1):407-413.[7] 秦 帆,王正中.基于有限元强度折减理论的边坡稳定分析方法探讨与改进[J].水利与建筑工程学报,2012,10(1):43-47.

[8] 陈力华,靳晓光.有限元强度折减法中边坡三种失效判据的适用性研究[J].土木工程学报,2012,45(9):136-146.

[9] 李 宁,许建聪.基于场变量的边坡稳定分析有限元强度折减法[J].岩土力学,2012,33(1):314-318.

[10] 杨建成,邓 琴.岩质边坡倾倒破坏的非连续变形分析[J].水利与建筑工程学报,2016,14(2):118-122.

[11] 严 飞,邓 琴.华丽高速公路华坪岸边坡稳定性的DDA模拟研究[J].水利与建筑工程学报,2016,14(4):107-110.

[12] 杨宏宇,白伟明,邹洪海.极限平衡有限元在边坡稳定性分析中的应用[J].水力发电,2014,40(5):24-26.

[13] 郭子仪,范振华,朱云升,等.边坡稳定性分析中的有限元极限平衡法[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2014,38(1):79-84.

[14] 李红军,邵龙潭.有限元极限平衡法在三维边坡中的应用研究[J].铁道工程学报,2011(5):17-21，26.

[15] 穆成林,裴向军,黄润秋,等.含不连续软弱夹层顺层边坡破坏机制与稳定性分析[J].公路,2016,61(7):50-58.

[16] 宋东日,任伟中,沈 波,等.牵引式滑坡的破坏机制及其加固措施探讨——以某高速公路牵引式滑坡为例[J].岩土力学,2013,34(12):3587-3593.

[17] 李满意,周洪燕,魏燕珍,等.类土质边坡失稳机理分析与稳定性研究[J].长江科学院院报,2016,33(5):111-115.

Numerical Simulation of Failure Mechanism of Fully-highly Weathered Rock Slope

LI Damao1，2, ZHANG Guohui1，2, YUAN Conghua3

(1.YunnanProvinceHighwayInvestmentandDevelopmentCo.,Ltd.,Kunming,Yunnan650200,China;2.YunnanXiaomoExpresswayExtensionProjectConstructionHeadquarters,Jinghong,Yunnan666100,China;3.StateKeyLaboratoryofGeomechanicsandGeotechnicalEngineering,InstituteofRockandSoilMechanics,ChineseAcademyofSciences,Wuhan,Hubei430071,China)

Numerical simulation method for slope stability analysis has been paid more and more attention. In this paper the mechanism of slope instability destruction of fully-highly weathered rock mass was investigated based on limit equilibrium method considering topographic development and strength reduction finite element method considering deformation development. It was found that the strength of fully-highly weathered rock mass can be easily softened by water. Great reduction of strength was caused when the front anti-sliding segment was in saturation, which played a key role in the slope stability. The failure mechanism of retrogressive landslide was appeared in the process of slope instability, and the traction developed upwards step by step, which provided the space for deformation. Therefore the first level damage should be prevented and drainage measures should be highly regarded.

slope instability; fully-highly weathered rock; limit equilibrium method; strength reduction method; retrogressive landslide

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.039

2016-12-09

2017-02-04

云南省交通科技项目(云交科教[2016]163号一(三))，(云交科[2014](A)01)；陆地交通气象灾害防治技术国家工程实验室开放基金项目(NELBP201601)

李大茂(1964—)，男，贵州金沙人，高级工程师，主要从事交通工程管理工作。 E-mail：2298331767@qq.com

TU457

A

1672—1144(2017)02—0205—05