竖向节理分布特征对岩质边坡稳定性影响的数值模拟研究

2022-11-24刘洪波李水江叶永康谢运鹏

广东土木与建筑 2022年10期

刘洪波，李水江，叶永康，谢运鹏

（1、广州环投增城环保能源有限公司广州 511335；2、广州环保投资有限公司广州 510330；3、广东工业大学土木与交通工程学院广州 510006）

0 引言

节理是影响岩土稳定性的重要因素之一，不同节理布置对边坡稳定性会有较大的影响。在我国南部山区，竖向节理亦有发育，竖向节理的存在是导致边坡失稳的重要危险性因素。因此，研究岩质边坡中节理的存在对边坡稳定性的影响至关重要。节理岩体边坡稳定性分析方法主要有传统极限平衡分析法，如Bishop 法［1］、Sarma 法［2］等。基于斜条块的Sarma 法是公认的计算具有节理切割的岩体边坡稳定性的有效方法，但公式较为繁琐，推导过程非常复杂。随着计算机技术的快速发展，数值分析方法开始被广泛地应用于岩土力学的边坡稳定分析之中。基于有限元与离散元理论的数值分析法，有强度折减法［3］、重力增加法［4］、塑性极限法［5］、等效连续模型法［6］等。这些方法之中，强度折减法求解的安全系数则是基于应力-应变分析的近似解，计算结果与严格的极限平衡方法求解的计算结果较为接近。其余方法由于获取参数较为困难且工程类比经验尚不多，目前在边坡岩体稳定性分析中的应用还较为狭窄。

国内外一些学者对岩体边坡的稳定性分析进行了相关研究。郑颖人等人［7］将强度折减法引入有限元计算，进行岩体边坡的稳定性分析，为岩质边坡问题的研究开辟了新的路径。蒋明镜等人［8］进行了节理岩质边坡的离散元数值模拟以及环境劣化因素对非贯通节理岩体强度的影响。边坡岩体结构模型的建立很大程度上将影响其数值模拟计算［9］。陈永明等人［10］建立贯穿的平行节理模型，但没有考虑到岩桥以及节理接触关系对岩体强度的影响；李源亮等人［11］用Beacher 模型对岩质节理边坡进行建模，解决的实际边坡节理离散的问题，但不能准确反映各组节理模拟程度与分布类型。MENG 等人［12］提出的离散单元法（DEM）以牛顿第二定律为理论依据，各块体或颗粒根据受力状态运动，可相互分离独立运动，能反映岩块间的接触、分离和倾倒等大位移问题，适用于节理岩质边坡的稳定性分析。NISHIMURA 等人［13］利用离散元商业软件PFC2D 模拟分析了完全均质岩质边坡的滑动机理；JIANG 等人［14］提出一种新的微观接触模型并利用离散元法分析了两组节理岩质边坡的破坏机理。

但目前国内外对竖向节理分布特征岩质边坡的研究还有一定的局限性，在实际工程中，竖向节理边坡影响因素更为复杂，而对岩质边坡竖向节理间距布置的稳定性分析的文章较少，亟需更为细致的模型来合理地评价其稳定性。本文采用有限元方法，通过采用有限元软件Midas 建立模型，并考虑不同节理间距分布工况，对岩质边坡稳定性变化规律进行了分析，以期研究结果可为类似工程提供参考和借鉴。

1 工程概况

某工程岩质边坡施工现场广泛分布有竖向节理特征，现场施工情况如图1 所示。岩质边坡场地内人工填土层较为广泛分布，中风化的岩石岩芯较完整，强风化岩有较为明显的风化差异，遇水易软化、崩解。本文建立模型选取的岩质边坡是拟建项目中西南侧的一坡。区内气象灾害有热带气旋、暴雨和强对流等；台风登陆时暴潮、暴雨往往会接踵而至，易引起水患，建（构）筑物应注意夏季的排涝、通风降温工作。

图1 施工现场Fig.1 Site Construction

2 岩质边坡数值模拟计算分析

2.1 有限元强度折减法

稳定性是指边坡抵抗将地球物质推下边坡的力的能力。有限元强度折减法（SRM）法用于计算边坡在事故点或失稳点的安全系数。利用强度折减系数Fs来降低粘聚力c和内摩擦角φ值，用折减后的虚拟抗剪强度指标的c′和φ′值，取代原来的粘聚力c和内摩擦角φ值，解析分析直至计算出失稳条件。通过强度折减，使系统达到不稳定状态时，有限元计算将不收敛，此时的折减系数就是安全系数。如果使有限元法保持足够的计算精度，那么有限元法较传统的方法具有如下优点：①能够对具有复杂地貌、地质的边坡进行计算；②考虑了土体的非线性弹塑性本构关系，以及变形对应力的影响；③能够模拟土坡的失稳过程及其滑移面形状。滑移面大致在水平位移突变的地方及塑性变形发展严重的部位，呈条带状。安全系数计算具体公式如下：

式中：Fs为强度折减系数；c′为折减之后的粘聚力；φ′为折减之后的内摩擦角；τ′为折减之后的抗剪强度。

2.2 模型建立相关参数

在进行数值模拟分析建模过程中，材料所采取的相关参数取值如表1所示。

2.3 数值模拟稳定性分析

建立的模型为简化三维模型，设定边界的约束条件、自重荷载、节理属性等分析条件，输入表1 中的材料参数和建立属性，划分网格，如图2所示。

表1 模型相关参数Tab.1 Model Related Parameters

图2 岩质边坡模型网格划分Fig.2 Grid Division of Rock Slope Model

坡面坡度为1∶1.00，基于Midas-GTS 岩土有限元软件研究，对此岩质边坡划分为2 m、4 m、6 m、8 m 节理间距布置。各坡坡号已在图2 标明，各模拟节理间距布置如图3所示，模拟软件建模和输入相关参数，然后选用摩尔-库伦强度准则，采用强度折减法（SRM）对其粘聚力和内摩擦角不断进行折减计算，利用此原理分析岩质边坡的稳定性，进行模拟岩质边坡的边界条件和受力情况，以此来判断边坡的稳定性，选用的工程项目岩体质量较好，在天然应力状态下，计算出安全稳定系数为1.95，未开挖时岩质边坡基本稳定，坡体无大滑动产生。下文中的边坡稳定安全系数均是在边坡开挖后未支护状态下计算得出，如下所示：

⑴如图3 所示，节理2 m 间距布置时，安全系数为1.200。最大塑性区有效应变为7.7×10-1，滑裂面从④号坡处向坡顶延伸，坡面整体变形较大，坡体处于不稳定状态，节理分布对边坡稳定有显著影响。

图3 节理2 m间距布置网格塑性区有效应力及有效应变分布Fig.3 Effective Force and Effective Strain Distribution in the Plastic Zone of the Joint 2 m Spacing Arrangement Grid

⑵如图4 所示，节理4 m 间距布置时，安全系数为1.225。最大塑性区有效应变为2.0×10-1，滑裂面从④号坡处向坡顶延伸。坡面整体变形相较于2 m节理间距布置时有明显下降，坡体仍处于不稳定状态。

图4 节理4 m间距布置网格塑性区有效应力及有效应变分布Fig.4 Effective Force and Effective Strain Distribution in the Plastic Zone of the Joint 4 m Spacing Arrangement Grid

⑶如图5所示，节理6 m间距布置时，安全系数为1.302。最大塑性区有效应变为26.1，滑裂面从②号坡处向坡顶延伸。此时，潜在滑裂面从④号坡整体上移至②号坡，说明当节理间距达到6 m时，下层岩质边坡已达到稳定状态，节理的分布对岩质边坡稳定性已无明显影响，坡体滑裂面变形虽然较大，但都发生于上部浅层边坡，土层为松散的人工填土或素填土，岩质边坡主体部分已无明显应变变形，坡体处于稳定状态。

⑷如图6 所示，节理8 m 间距布置时，安全系数为1.350。最大塑性区有效应变为26.4，滑裂面从②号坡处向坡顶延伸。从图5⒝及图6⒝可以看出，主体岩质边坡基本不发生变形，这也进一步说明竖向节理分布特征的发育对于岩质边坡的稳定性来说是一个不利因素，在竖向节理广泛分布的岩质边坡中，大变形通常会出现在竖向节理发育处，对岩质边坡来说，竖向节理可看成一软弱夹层，对岩体整体安全稳定性产生不利影响。此时坡体情况同6 m 间距布置时，处于稳定状态。

图5 节理6 m间距布置网格塑性区有效应力及有效应变分布Fig.5 Effective Force and Effective Strain Distribution in the Plastic Zone of the Joint 6 m Spacing Arrangement Grid

图6 节理8 m间距布置网格塑性区有效应力及有效应变分布Fig.6 Effective Force and Effective Strain Distribution in the Plastic Zone of the Joint 8 m Spacing Arrangement Grid

不同节理间距布置时，岩质边坡各个工况的安全系数如图7所示。

由图7可知，竖向节理的存在会影响边坡稳定，表现出明显的规律性，其中2 m 节理间距布置时安全系数最小，为1.2。随着节理布置间距的增大，安全系数呈线性递增，10 m 节理间距布置时安全系数达到最大，为1.350。这是因为对于岩质边坡来说，节理属于影响其稳定性的不利因素，节理过多发育将影响岩体的不稳定性。特别在本文中对于竖向节理分布特征，竖向节理分布越密集，岩体越有可能产生拉剪破坏。