某变形体特征及形成机理研究

苗佳，张洪，陈娟



某变形体特征及形成机理研究

苗佳，张洪，陈娟

（四川省核工业地质局二八三大队，四川达州 635000）

变形体位于贵州省铜仁市凉水井镇，斜坡属于典型的软弱基座型缓倾坡内斜坡。基于斜坡工程地质条件及斜坡基本特征，定性分析了斜坡整体变形破坏模式。通过Geostudio2007数值模拟软件，研究斜坡整体变形破坏特征及模式，结果表明：暴雨与天然状态下，因下部泥页岩的塑性变形导致上部灰岩拉裂，斜坡整体失稳模式为塑流—拉裂；暴雨状态下，水对下部泥页岩的软化作用和裂隙充水静水压力及动水压力，加快了岩体破坏，推进斜坡破坏进程。

变形体；形成机理；研究；凉水井镇

该变形体位于黔东铜仁市凉水井镇北侧后山，斜坡存在产生整体失稳及崩塌的可能性，对其下方公路及民房具有极大威胁。研究区斜坡属于典型的软弱基座型缓倾坡内斜坡，这属于西部山区较为常见的一种斜坡类型（张倬元等，1994；黄润秋等，2005；黄润秋，2007）。研究该变形体的特征及形成机理，可为变形体的进一步形成、稳定性的评价、失稳破坏之后影响区范围的预估及防治措施的制定提供理论分析基础，也可为相同类型变形体发育条件、预警识别及变形体的形成过程研究提供参考依据。

1 研究区地质环境条件概述

1.1 自然地理

研究区属中亚热带季风性思润气候区[6]，年平均气温17.3℃，雨量充沛，年平均降雨量1 148.46mm，最丰年降水量1 672.9mm（1967年）。1998年7月22日，最大日降水量为237mm。

图1 危岩体位置示意图

1.2 研究区工程地质条件

区内出露地层有第四系堆积体（Q4）、二叠系下统栖霞组（P1q）、志留系下统秀山组（S1x）和奥陶系下统桐梓组（O1t）[7-8]。第四系（Q4）主要为残坡积碎石土，粘土夹碎石土等，为松散岩组，广泛分布在变形体下方斜坡和沟谷中。二叠系下统栖霞组（P1q）主要为灰色、灰黑色、灰黄色石灰岩夹燧石团块，底部为粘土岩，局部夹0.8m厚煤层；灰岩属硬质岩组，产状20°~60°∠9°~25°。志留系下统秀山组（S1x）主要为黄色、黄绿色泥岩，局部夹黄灰色中厚层状粉砂岩及粉砂质页岩；岩质软，强烈风化，岩体破碎，岩层产状30°～40°∠16°～30°。奥陶系下统桐梓组上部为浅灰色中厚层状白云质灰岩及含灰质白云岩，下部为灰色薄层状生物碎屑灰岩夹钙质页岩，分布在研究区南东和北西边缘。

研究区位于思南压扭性断裂带，断裂带走向北东，斜贯测区东西。发育有大致平行的两条断裂，倾向北西，倾角45°~76°，破碎带宽30~100m，受构造影响，破碎带附近岩体较破碎，地形较缓（约 30°）。区内地下水类型主要有：松散岩类孔隙水、基岩裂隙水、碳酸盐岩岩溶水[9]。其中以基岩裂隙水为主，次之为碳酸盐岩岩溶水，松散岩类孔隙水在区内零星分布，主要分布在崩坡积物及第四系粘土中。

该区地震基本烈度为Ⅵ度，基本地震加速度值0.05g。

2 斜坡基本特征

2.1 坡体结构特征

斜坡岩性相对较单一，从上到下主要由两部分组成，上部为二叠系下统栖霞组（P1q）灰岩，下部为志留系下统秀山组（S1x）泥页岩，岩层缓倾坡内，为典型的软弱基座型逆向坡。上部灰岩弱风化呈灰色、灰黑色，呈整体块状结构，属硬质岩组，产状为35°∠9°~25°，厚度150m左右；下部泥页岩呈强风化黄绿、黄灰、蓝灰色，局部夹薄至中厚层状粉砂岩，富水性弱，属软质岩组，节理发育，岩体破碎呈碎裂-散体结构，地层产状为30°∠16°～30°，厚度大于150m；地表零星分布有第四系残坡积粘土和崩坡积碎石土，厚度一般小于8m。斜坡为典型的软弱基座型缓倾坡内斜坡，上部灰岩为硬质岩形成陡崖，坡度一般大于70°；下部以泥页岩为主，岩质软，形成缓坡，坡度一般小于30°。

表1 裂缝特征表

陡崖下方地形较复杂，植被较为发育, 发育若干条小冲沟。局部崩塌地带有大量碎石堆积，主要为粒径5~25cm的棱角状碎石，含有数块巨大崩落块石，块径为1~10m。斜坡岩体结构复杂，除层面外，岩体中优势发育三组结构面，分别为：①陡倾结构面，产状：EW/S∠70°；②与临空面近平行的结构面，产状：50°∠81°；③与层面近平行的结构面，产状：20°∠20°。三组结构面相互组合，切割岩体，可作为岩体破坏的边界，陡崖部位发育大量崩塌后的凹岩腔。

2.2 斜坡变形破坏特征该斜坡已有的变形破坏类型可分为裂缝、崩塌及危岩体。

1）裂缝，斜坡山顶裂缝较为发育，主要为一组与斜坡走向近平行的宽大裂缝，这些裂缝可形成岩体大规模变形破坏的后缘边界。裂缝特征见表1。

2）崩塌，崩塌主要发生在陡崖部位，陡崖以下斜坡部位常有滚石，在斜坡上有大量崩塌碎石堆积体，同时陡崖部位可见许多新鲜凹岩腔，由三组结构面切割而成，三组结构面产状分别为50°/直立、EW∠70°、70°∠20°，大量凹岩腔促使陡崖岩体结构进一步恶化，造成变形体失稳破坏。

3）危岩体，受裂缝及结构面控制，该斜坡山顶部位发育三处明显的危岩体，分别编号为WY1、WY2、WY3，如图1所示。

图2 有限元计算模型

3 斜坡整体变形破坏模式定性分析

斜坡上部为硬质岩（栖霞组石灰岩），下部为较厚软岩（泥质页岩为主），岩层缓倾坡内，总体表现为具有巨厚层状软弱基座缓倾坡内斜坡。下部泥页岩受重力作用，发生压缩塑性变形，同时差异风化作用在泥岩部位形成凹岩腔或造成泥岩风化深度增大，导致坡顶产生拉应力，形成与临空面方向近平行的拉裂缝，斜坡整体变形破坏模式表现为塑流—拉裂[10-11]。塑流—拉裂式变形进一步可能发展为滑坡或崩塌：坡顶宽大裂缝发展到一定深度时会产生塑流—拉裂—剪断式滑坡；同时受斜坡变形影响，坡肩部位存在拉应力集中，加之灰岩中沿卸荷裂隙溶蚀发育，沿陡倾外裂隙产生拉裂，会在崖顶部位形成危岩体，进而发展成为崩塌，斜坡存在有三处具有一定规模的危岩体。

4 斜坡整体变形破坏模式数值模拟研究

4.1 计算模型建立

根据该斜坡形态特征和物质组成，同时考虑其结构特征和边界特征，该斜坡的地质环境及其工程条件较为复杂。综合考虑斜坡岩性组合、坡体结构特征等斜坡实际工程地质条件，假定斜坡岩土体应力、应变之间的本构关系为弹塑性，岩土体的破坏服从摩尔－库仑准则，建立了如图2所示的计算模型[12-13]。模型中，上部灰岩风化较弱，只考虑卸荷对其影响，分为弱卸荷带与新鲜岩体；下部泥页岩风化严重，结合工程岩组特性推测，划分为全风化、强风化和弱风化三个带[14-15]。

表2 岩体物理力学参数表

数值模拟采用Geostudio2007二维有限元软件，有限元单元的划分以正方形单元为主，共划分了2 128个单元，2 192个节点。计算工况采用两种：天然状况和暴雨工况，暴雨工况主要考虑软岩饱水状态对参数进行适当折减。根据《工程岩体分级标准》（GB50218-94），并结合现场工程地质调查成果，斜坡岩体物理力学参数见表2。应力分布特征图单位为KPa，位移分布特征图单位为m。

4.2 数值模拟结果分析

4.2.1 天然状态下应力及变形特征

1）最大主应力分布主要受重力场的影响，在斜坡内基本上均匀分布，但在下部泥页岩强弱风化带接触部位以及浅表层出现了较明显的应力集中现象，但并无拉应力出现，如图3所示。

图3 天然状态下最大主应力分布特征

图4 天然状态下最小主应力分布特征

图5 天然状态总位移分布特征

2）如图4所示，最小主应力在岩体中较为均匀分布，没有出现明显的应力集中现象。但在上部灰岩中出现较大范围的拉应力分布，在左上角出现比较大的拉应力主要是受到模型边界条件的影响，在这里不予分析。其余部分拉应力主要是受上硬下软坡体结构控制，下部泥页岩受到上部灰岩重力的作用，产生一定的压缩塑性变形，从而在上部灰岩中产生拉应力。

3）为分析斜坡的变形趋势，图5给出了总位移分布特征，仅反映变形趋势。天然状态下泥页岩强风化带和全风化带与上部灰岩接触部位变形趋势明显，X方向最大变形发生在该接触部位；Y方向最大变形发生在陡崖顶部；下部软岩浅表层X方向趋势位移量大，上部灰岩崖顶Y方向趋势位移量大，这种变形趋势正好和坡体内拉应力分布特征相符。

综上所述，天然状态下，上部灰岩大范围出现拉应力，但未出现拉应力集中，除去模型边界条件的影响量值小于1 000KPa，拉应力的存在可能造成上部灰岩沿陡倾卸荷裂隙产生拉裂；下部泥页岩有产生压缩塑性挤出的变形趋势；综合坡体内应力部分和变形趋势特征，由于下部泥页岩质软，容易产生压缩塑性变形，且趋势变形量大，使得上部灰岩中产生拉应力，这与定性分析的塑流—拉裂模式相符合。

图6 暴雨状态最大主应力分布特征

图7 暴雨状态下最小主应力分布特征

图8 暴雨状态下X方向位于分布特征

4.2.2 暴雨状态下应力及变形特征

1）最大主应力较天然状态有所增高，受重力控制在斜坡内基本上均匀分布，但在下部泥页岩弱风化与强风化交接处出现明显应力集中，且比天然状态下集中范围更大，仍未出现拉应力，如图6所示。

2）如图7所示，最小主应力较天然状态下无大的应力重分布迹象，没有出现明显的应力集中现象。拉应力分布情况与天然状态下基本相同，只是量值和分布范围有所增大。产生拉应力也因下部软岩受重力作用，发生压缩塑性变形，在上部灰岩中产生拉应力。

3）如图8、9、10所示，暴雨状态下浅表层出现明显变形，下部软岩因遇水软化，降低了其强度同时所受上部荷载加大使得变形更加明显。X方向最大位移量出现在上下软硬岩层接触带部位浅表层，最大值为0.512 8m，已经发生了塑性挤出；Y方向最大位移量出现在崖顶部位，最大值可达0.766 8m；总体位移表现为崖顶位移量最大，下部泥页岩浅表层产生最大塑性变形，使得上部灰岩下挫形成拉裂缝。

4）暴雨状态下斜坡塑性破坏区（图11）主要分布在泥页岩浅表层中，也是因受到上部灰岩重力作用产生压缩塑性变形，甚至塑性挤出。

综上所述，在暴雨状态下上部灰岩中出现拉应力，量值较天然状态有所增加，分布范围也有所加大，拉应力的存在将会在岩体中形成沿陡倾卸荷裂隙的拉裂缝；下部泥页岩压缩塑性变形为主，泥页岩受雨水的软化作用，在重力作用下更易发生塑性变形，加之差异分化，下部泥页岩中形成凹腔或沉降量增加，使得上部灰岩沿与坡面近平行的节理变形，形成拉裂缝，与坡顶裂缝错坎特征相吻合[16-17]。

4.2.3 天然状态与暴雨状态结果对比

比较天然状态下与暴雨状态下坡体内的应力分布及变形特征可知，总体上应力分布及变形特征相似，但暴雨状态下上部灰岩中产生拉应力更大，受到雨水的浸泡软化下部泥页岩产生更加明显的变形。裂缝成因及斜坡失稳破坏模式两种工况下是相同的，都因下部泥页岩的塑性变形致使上部灰岩拉裂，呈塑流—拉裂型，但暴雨下考虑水对下部泥页岩的软化作用和裂缝充水静水压力及动水压力，加快了岩体破坏，推进斜坡破坏进程。

图9 暴雨状态下Y方向位于分布特征

图10 暴雨状态下总位移分布特征

图11 暴雨状态下塑性区分布特征

5 结论

基于该斜坡工程地质条件、斜坡基本特征，定性分析了斜坡整体变形破坏模式，遵循地质过程机制分析-量化评价原理，采用二维有限元方法，分析了斜坡变形破坏特征及形成机理，获得如下认识：

1）该斜坡上部灰岩为硬质岩，下部泥页岩为软质岩，属软弱基座型缓倾坡内斜坡。斜坡已有变形破坏类型主要有裂缝、崩塌及危岩体。

2）除缓倾坡内层面外，坡体中发育有三组优势结构面，分别为：①陡倾结构面，产状：EW∠70°；②与临空面近平行的结构面，产状：50°∠81°；③与层面近平行的结构面，产状：20°∠20°。三组结构面相互组合切割岩体，为斜坡失稳提供良好条件。

3）斜坡下部泥页岩受重力作用，发生压缩塑性变形，同时差异风化作用在泥岩部位形成凹岩腔或造成泥岩风化深度增大，导致坡顶产生拉应力，形成与临空面方向近平行的拉裂缝，斜坡整体变形破坏模式表现为塑流—拉裂。

4）数值模拟结果表明：①总体上，天然状态下与暴雨状态下坡体内的应力分布及变形特征相似。②两种工况下，均因下部泥页岩的塑性变形致使上部灰岩拉裂，裂缝成因及斜坡整体失稳破模式为：塑流—拉裂型。③暴雨状态下，水对下部泥页岩的软化作用和裂隙充水静水压力及动水压力，加快了岩体破坏，推进斜坡破坏进程。

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Characteristics and Genetic Mechanism for a Deformable Body

MIAO Jia ZHANG Hong CHEN Juan

(No. 283 Geological Party, Sichuan Bureau of Uranium Geology, Dazhou, Sichuan 635000)

A deformable body at Liangshuijing, Tongren, Guizhou is a typical slope deformable body. The slope is a weak base type flat slope. A slope deformation failure mode based on engineering geological conditions of the slope and by numerical simulation with Geostudio2007 is established. The study indicates thatheavy rain and natural conditions, the slope as a whole has a plastic flow-cracking mode due to plastic deformation of shale in the lower and pull crack of limestone in the upper. The slope deformation and failure speed under heavy rain condition.

deformable body; genetic mechanism; study; Liangshuijing, Tongren

P642

A

1006-0995（2017）02-0292-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2017.02.028

2017-03-21

苗佳（1984—），男，吉林四平人，工程师，主要从事地质灾害与岩土工程方面的研究