重力作用下顺层岩质边坡破坏机理数值模拟研究

2020-05-30闫佐菲曾令强

矿产与地质 2020年1期

闫佐菲，曾令强

(1.长安大学地质工程与测绘学院，陕西西安 710064；2.北京市地质基础工程公司，北京 101500)

0 引言

岩体中的结构面(如层面和节理等)是降低岩体强度和大变形的主要因素，尤其对于顺层岩质边坡来说，结构面对其稳定性的影响不容忽视。顺层边坡是指岩层走向和倾向和边坡坡面一致的边坡。实际工程中，常将走向与岩层走向夹角小于20°、层面倾向与边坡倾向接近的边坡视为顺层边坡[1-3]。顺坡结构面的存在及其特征对于边坡的变形和破坏方式及规模具有决定性的控制作用。无论从位移、拉应力区还是屈服区的分布特点来看，顺坡结构面在很大程度上削弱了岩体的稳定性[4]。

近年来国内诸多学者和专家通过工程实践、数值计算分析、模型试验等方法，对于顺层边坡破坏模式、岩移机理等的研究已经取得了一些成果，但这些经验有很大的局限性[5-6]。在工程领域的土质边坡设计分析和稳定性评价中，一般依据各向同性介质理论，采用极限应力法确定近似圆弧滑面作为边坡稳定性计算和设计参数选择的依据。但对于顺层岩质边坡，破坏模式由顺层结构面控制，由于结构面的复杂性，用简单的极限平衡法来分析稳定性显然是不适合的[4]。

综上，本次研究采用UDEC离散元数值分析软件，对研究区域的一个典型顺层岩质边坡的破坏进行数值模拟[7-11]。UDEC最初是为节理岩石边坡的稳定性分析开发的[12-15]，对于块体不连续公式和运动方程则采用显式时间步的求解方法，便于块状岩体边坡的渐进破坏分析和大变形运动研究。UDEC程序包括离散元与边界元的耦合，除可以进行节理岩体的力学分析，还可以模拟节理岩体的热传导以及流水、石油等在节理中流动等问题，是节理岩体分析的有效工具。

1 研究区域岩质边坡地质概况

研究区不稳定斜坡位于石景山区金顶街道模式口西里47号楼南侧，距离居民楼7～10 m，斜坡整体呈东西走向，坡面倾向北，宽度约20 m，长度约220 m，斜坡高度为8～16 m，平均高度约10 m，坡度50°～65°(图1、图2)。坡底前下方修建有高5～6 m的重力式钢筋混凝土挡墙，距离不稳定斜坡约52 m。坡脚为模式口西里小区的7号楼和45号楼，有大量人员居住。经2012年7月21日暴雨后，斜坡有3处局部崩塌。经调查，坡体上方汇水面积达20 000 m2，雨季坡顶汇聚的大量雨水冲刷坡体，局部仍存在失稳的可能。受威胁人数约200人，潜在经济损失约3000万元人民币。根据《北京市地质灾害治理项目实施技术指南(试行)》的分级标准，该不稳定斜坡的地质灾害防治工程等级为Ⅱ级。

图1 典型顺层岩质边坡现场照片

图2 典型不稳定斜坡工程地质剖面

1.1 地形地貌

模式口西里47号楼南侧不稳定斜坡所在区域属丘陵地貌，不稳定斜坡所在的丘坡，坡顶高程190 m，坡脚高程95～110 m，相对高程为80～95 m，山坡平均坡度20°～30°，局部有40°～90°的陡坡。

1.2 地层岩性

根据工程地质勘查报告，不稳定斜坡地层岩性为第四系全新统崩积块石、人工填土、残坡积层以及下部层状板岩。

块石分布于居民区附近的坡腰平台处；素填土分布于不稳定斜坡坡腰的平台处和坡脚的平地处，根据钻探和物探揭露，厚度为1～8 m；黏质粉土主要分布在坡顶，厚度为0～8 m；板岩在坡面大部分区域均有出露，强风化层平均厚度为1～2 m，岩体破碎，中等风化层，节理发育，岩体较破碎—破碎。

1.3 地质构造

研究区域未发现大的构造现象，岩层产状基本稳定(42°∠40°)。斜坡坡体发育两组节理面，产状分别为NW60°～80° / SE68°～75°和SW15°～40° / NW55°～70°。前者为一组走向与坡体走向近垂直的陡倾结构面，后者为一组走向与坡体走向平行的倾斜坡内或坡外的中—陡倾结构面。节理间距1.0～5 m，延展性好，且局部发育有X型节理。

1943年11月，毛泽东总结了一年来生产运动的经验，认为1942年高级干部会议的方针是正确的。他说：“高级干部会议方针的主要点，就是把群众组织起来，把一切老百姓的力量、一切部队机关学校的力量、一切男女老少的全劳动力半劳动力，只要是可能的，就要毫无例外地动员起来，组织起来，成为一只劳动大军。”［4］928他指出，把群众组织起来，这是一种方针。与此相反的方针是，不注意把广大群众组织起来，而只注意组织财政机关、供给机关、贸易机关的一小部分人；不把经济工作看做是一个广大的运动，一个广大的战线，而只看做用以补救财政不足的临时手段。这是一种错误的方针。

1.4 水文地质条件

勘查区地下水类型主要为第四系土层孔隙水和基岩裂隙水。第四系土层孔隙水分布在低洼处的第四系全新统崩积层(Qhcol)、残坡积层(Qheld)土层中，斜坡勘查区内仅在雨季在第四系土层中存在上层滞水。基岩裂隙水赋存于场地内的下侏罗统南大岭组(J1n)板岩裂隙中，但该类型地下水埋深大，勘查期间勘探深度内未揭露。

1.5 工程特性

该边坡坡脚经人工开挖形成高度20 m、水平长度50～60 m、坡角50°～60°的开挖面，开挖面倾向与岩层倾向基本相同。开挖面高度大且陡，使坡体中岩石层面暴露于开挖面内，为以后边坡的滑塌破坏埋下了隐患。

2 数值模拟及分析

2.1 计算模型和计算参数

采用UDEC软件对模型边坡进行数值模拟。模型前部为斜坡坡脚平整场地，后部为斜坡坡顶，数值边坡几何尺寸为边坡原型尺寸(其斜坡坡角概化为40°，临空面概化为58°)；岩土体力学参数相应采用原型边坡中参数，本构模型则采用“摩尔-库伦”屈服条件和“Coulomb Slip”接触面模型，数值边坡底部和左右方向均设置约束。数值边坡模型及其位移监测点布置见图3。模型边坡结构面分为层面和节理面，节理概化为2 m等间距分布，且与层面互相垂直。监测点间距设为5 m，共设置9个监测点，分为三层等间距设置。模型边坡结构面及其布置的计算网格见图4。

图3 数值边坡模型及其位移监测点布置

图4 数值计算网格划分

本文采用的边坡地形数据及材料参数均取自野外调查测量和室内试验，岩体材料参数见表1。

2.2 边坡位移分析

坡体监测点位移时程曲线(图5)显示坡体位移具有两个特点：同一层面的3个位移监测点具有P1>P2>P3、P4>P5>P6、P7>P8>P9的规律，说明坡体位移变形具有从表层向深层递减的特征。

模型位移过程显示坡脚处首先出现蠕变变形，蠕变区域逐渐向整个坡面扩展，同时向坡体后部和坡体深部发展。蠕变变形导致坡体岩石块体的松动及应力松弛，最终诱发坡体的“滑移-拉裂”式破坏。无论是坡体的蠕变变形还是滑动位移，其变形位移均具有“前部大，后部小，表层大，深部小”的特征。

表1 岩体和结构面物理力学参数

图5 各个监测点水平位移时程曲线Fig.5 Horizontal displacement time curve diagram of the monitoring points

2.3 边坡应力分析

为适应坡体的位移变形，坡体内部最大主应力、最小主应力等发生调整以达到新的平衡。坡体最大主应力云图(图6a)显示，斜坡体浅表层处于与层面平行的受压状态。坡体的最小主应力云图(图6b)显示，斜坡体浅表层处于与坡面垂直的受压状态。这样，斜坡的运动趋势表现为坡体浅表层沿着与坡面平行的方向蠕变甚至滑移。

图7为边坡由初始平衡状态(图7a)及最后稳定时(图7b)的剪应力分布云图。由于坡体内部应力尚未调整完成，坡体内剪应力分布不均匀。坡脚附近出现剪应力集中现象，剪应力大小为0.10 MPa～0.15 MPa，表明坡脚处岩体对上部滑体的滑动起到抗滑作用。滑体内剪应力分布具有一定规律，坡体前部的剪应力显著大于坡体后部的剪应力，临空面内剪应力大小为0.05 MPa～0.15 MPa(负值)，而滑体后部的剪应力大小为0.05 MPa～0.10 MPa(正值)，造成边坡变形由坡体前部向后部逐渐发展。坡体下部和滑体内部的剪应力分布比较均匀，坡脚附近的剪应力集中条带沿临空面底部岩层发展至坡体上部，强弱风化接触面附近剪应力可达0.30 Mpa。此现象表明，坡体将会有上部滑体沿着强弱风化接触面向临空面变形破坏的趋势。

2.4 破坏运动过程

采用UDEC中的刚体模型，模拟坡体由初始小变形到大规模滑移的整个破坏过程，UDEC能够模拟坡体滑动过程中块体的平移、转动和抛起等运动形式，较真实地还原坡体的滑动破坏过程。模拟之前，为了能够更好地观察坡体的渐进破坏过程，岩石块体只设置密度参数，数值与原始边坡数值相同(2700 kg/m3)，节理面和层面设置参照室内物理模型边坡实验结构面参数(表1)。