蓉遵高速仁怀—赤水段大石沟边坡破坏机理模拟研究

2019-03-21杨根兰史文兵向喜琼姬同旭姜思源王小明

资源环境与工程 2019年1期

董岩, 杨根兰*, 史文兵, 向喜琼, 姬同旭, 姜思源, 王小明

(1.贵州大学资源与环境工程学院贵州省喀斯特环境与地质灾害防治重点实验室,贵州贵阳 550025; 2.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司,贵州贵阳 550000)

西南地区是国内红层分布最多、也最具典型的丹霞地貌区,其中贵州地区的红层主要分布在赤水一带,尤为突出的即为丹霞地貌,主要由砂岩、泥质粉砂岩与泥岩的互层构成,产状近水平。层状结构岩体构成的边坡在自然界中最为常见,这类变形体要发展到失稳破坏一般要经历很长时间[1]。前人利用模拟手段对软硬相间结构的边坡已有一定程度的研究,冯文凯[2]、车彦良[3]等利用底摩擦物理模拟试验对缓倾层状边坡的破坏机理进行模拟研究;宋亚芬等[4]以宜巴高速公路沿途彭家湾软硬互层边坡为依托,采用模型箱物理室内试验深入探讨水对软硬互层边坡稳定性的影响。

四川盆地的红层,是由湖泊或盆地的沉积物沉积形成,其物质构成的颗粒大小具有从边缘向内部逐渐变小的趋势。盆中地区的红层可溶性物质多,颗粒以细粒为主,抗风化能力弱;而盆地边缘地带如赤水、习水地区的红层沉积物主要为洪积物,沉积颗粒粗大,水分少,可溶解物质少。赤水地区的红层较盆中地区的红层抗风化能力强一些,所以,应根据不同红层地区的沉积环境、岩体特性的差异,对不同地区的红层进行系统的研究。

本文以仁怀—赤水段高速路边大石沟边坡为例,采用底摩擦模型试验和颗粒流数值模拟相结合的方法,对贵州典型的近水平软硬相间红层边坡的变形破坏做深入的研究,为赤水丹霞地区红层边坡破坏机理及其工程性质提供科学依据。

1 工程地质条件

图1 危岩体与凹岩腔发育部位Fig.1 Development of perilous rock and concave cavity

根据室内土工试验及周边地区(元厚、旺隆地区)工程经验,确定原岩的力学参数(见表1)。

2 底摩擦物理模拟试验

2.1 试验原理

采用底摩擦试验对工程斜坡进行分析起始于上世纪70年代。它可以直接观测和记录研究对象的变形、破坏演变过程,通过实验应力分析获得研究对象的变形演变过程中各阶段的应力分布状态和由于变形与局部破坏导致的应力重分布情况,故今年来有较大发展。

表1 原岩力学参数表Table 1 Mechanical parameters of original rock

物理模拟试验基于相似原理,在研究对象和模拟试验之间建立相似关系,确保模型试验中出现的现象与原型相似[2,5-8]。模拟模型与研究对象之间相似,需要在几何条件、受力条件和摩擦系数方面满足一定的相似关系。

式中:l为几何尺寸;γ为材料的容重;f为摩擦系数;下标“p”,“m”分别代表原型和模型。上述相似系数由σR=γRlR及R=1确定[9],σ为应力。

底摩擦模型试验需要满足上述相似条件,利用摩擦力来模拟边坡在实际工况下受到的重力场。根据圣维南原理(Saint-Venant’s Principle),当模型足够薄时,模型受到的摩擦力均匀作用在整个厚度,可以用摩擦力模拟原型物体在天然状态下所受的重力[6](图2)。

图2 底摩擦模型试验原理示意图Fig.2 Schematic diagram of bottom friction model test principle

底摩擦试验采用贵州大学资源与环境工程学院的DMC-1000变频调速底摩擦模型试验仪(图3)。

2.2 模型制作

由于斜坡体结构比较复杂,节理裂隙比较发育,因此在建立模型时对大石沟边坡进行了简化处理,主要区分软弱泥岩与坚硬砂岩的差异,并以人工开挖模型的方式模拟边坡的风化卸荷过程。对大石沟边坡选取其Ⅰ-Ⅰ′剖面进行底摩擦试验(图4),大石沟边坡岩层产状近水平,坡度较陡,原始边坡总高度大约为30 m,宽大约为29 m,砂岩与泥岩的互层共分为13层。本次试验取几何相似系数为43,模型高度为69.8 cm,模型宽度为68.0 cm,厚度为1 cm,以保证模型足够薄,使得模型所受摩擦力能替代天然状态下所受的重力,重度相似系数取0.88,摩擦系数为1。

在选择模型材料时主要考虑的是模型材料与原岩的内摩擦角相近,用正交设计确定试验材料的配比。模型材料选择密度为2.159 g/cm3、配比为68∶20∶12的重晶石粉、膨润土和石蜡油制成的相似材料来模拟泥岩。选择密度为2.193 g/cm3、配比为58∶31∶11的重晶石粉、石英砂和石蜡油制成的相似材料来模拟砂岩。

图4 大石沟边坡Ⅰ-Ⅰ′剖面图Fig.4 Ⅰ-Ⅰ′ profile of Dashigou slope1.侏罗系中统上亚组;2.泥岩;3.砂岩;4.剖面线。

2.3 底摩擦试验结果分析

由于泥岩与砂岩的抗风化能力不同,使得泥岩处易形成凹岩腔,凹岩腔形成一个局部临空面,从而造成砂岩形成危岩体,在重力的持续作用下将产生拉裂缝。随着时间的推移,拉裂缝继续扩展、贯通岩层,产生变形破坏。因此,对于该组实验采取人工开挖的方式模拟泥岩的风化作用,对砂岩部位和泥岩部位分别采取不开挖、每小时开挖1 cm的方式进行底摩擦试验,观察其变形破坏的过程与形式(图5)。

图5 底摩擦模拟试验模型变形破坏过程Fig.5 Deformation and destructive process of simulation test model of bottom fiction

(1) 当底摩擦仪转动1 h后,以人工开挖1 cm的方式模拟风化作用,可以观察到在模型的左下侧由于局部临空出现细微的裂缝,裂隙、层面均处于压密阶段,边坡基本处于稳定状态。

(2) 在试验进行3 h,人工掏蚀2 cm,此时模型整体处于挤压阶段,这时可以明显地看到在第11层出现滑移—压致拉裂缝,并随后发生倾倒性掉块,同时也可以观察到在第3层有细小的掉块。

(3) 在试验进行6 h,人工掏蚀5 cm,边坡整体处于裂隙扩展阶段,这时第8层的凹岩腔已经风化得很深,产生了一个临空面,位于临空面上的砂岩同样也产生了滑移—压致拉裂缝,随后坡表处发生倾倒性掉块。

(4) 当试验进行到8 h,人工掏蚀7 cm,在第3层的砂岩出现了横向和竖向的拉裂缝,随后裂隙继续向上扩展,与岩体中原本就有的微小裂隙贯通至第2层,当凹岩腔发育到一定的情况时,第2层的泥岩与第3层的砂岩同时沿着裂隙掉落下来,同时在坡顶出现卸荷裂隙,当试验进行到大约8.5 h时,坡顶的卸荷裂隙与第2、3层因卸荷产生的裂隙贯通,发生掉块。边坡整体上处于裂隙的扩展贯通及坡表倾倒破坏阶段。

随后岩体的变形破坏均以同样的演化方式进行。

3 数值分析

为了更进一步地了解开挖过程中边坡内部的裂隙发育过程及边坡的变形破坏特征,采用二维颗粒流数值模拟方法对上述剖面进行模拟分析。数值模拟采用颗粒流模拟软件PFC2D,颗粒流程序软件与底摩擦试验非常相似,它们都不能够直接采用原岩力学参数设定边坡各岩层的物理力学参数,而是需要通过数值试验得到基于接触模型的细观参数来设定各岩层的物理力学参数,以保证数值模拟所得到的结果与原型所发生的结果相似。

由大石沟边坡Ⅰ-Ⅰ′剖面图(图4)建立实体地质模型,在颗粒流数值模拟软件中选取平行粘结模型,即在颗粒间填充具有胶合性的材料,使得两个颗粒之间形成接触。通过使用“wall+import”命令导入dxf建立边坡外轮廓模型,这样可以固定出所建立模型的区域,以便在固定区域里面使用“ball+distribute”命令填充生成55 000多颗半径在0.6～0.996 mm的二维圆盘颗粒,然后利用ball+group进行分组,得出的模型如图6所示。

初期开挖后,由于卸荷回弹,引起应力的重分布,且应力的重新分布又具有差异性,在坡脚处形成应力集中带,在力链图(图7)中可以观测到产生了大量的压致拉裂缝,坡脚处岩体局部破坏。