基于UDEC下溶洞控制危巖體變形過(guò)程

冷洋洋 徐 凱

(1.貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，貴州 貴陽(yáng) 550018； 2.陜西萬(wàn)科項(xiàng)目管理咨詢有限公司，陜西 西安 710068)

·巖土工程·地基基礎(chǔ)·

基于UDEC下溶洞控制危巖體變形過(guò)程

冷洋洋1徐 凱2

(1.貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，貴州 貴陽(yáng) 550018； 2.陜西萬(wàn)科項(xiàng)目管理咨詢有限公司，陜西 西安 710068)

利用UDEC分別對(duì)降雨前及降雨后的危巖體進(jìn)行模擬，顯示指出巖體沿溶洞節(jié)理方向發(fā)生變形；因陡傾裂隙與溶洞貫通，導(dǎo)致力學(xué)性能迅速降低，巖體沿著溶洞節(jié)理產(chǎn)生了下滑；在降雨條件下，危巖體將處于不穩(wěn)定狀態(tài)，沿軟弱面發(fā)生剪切破壞。

UDEC，溶洞，危巖體，裂隙，剪切破壞

0 引言

UDEC(Universal Distinct Element Code)是一款利用顯式解題方案為巖土工程提供精確有效分析的工具，顯式解題方案為不穩(wěn)定物理過(guò)程提供穩(wěn)定解，并可以模擬對(duì)象的破壞過(guò)程，該軟件特別適合于模擬節(jié)理巖石系統(tǒng)或者不連續(xù)塊體集合體系在靜力或動(dòng)力荷載條件下的響應(yīng)。在對(duì)魚(yú)洞河崩塌發(fā)生后崖頂?shù)臍埩粑r體進(jìn)行數(shù)值模擬分析時(shí)，選用離散元的方法。

1 概況

基巖地層包括下二疊段茅口組(P1m)、棲霞組(P1q)、梁山組(P1l)和上泥盆統(tǒng)堯梭組(D3y)。第四系土層包括殘積層、崩積層和古滑坡堆積層。

堯梭組(D3y)：由白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖及灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r組成，為淺海臺(tái)地相。本區(qū)內(nèi)厚度約152 m。

梁山組(P1l)：以灰黑色薄層狀泥頁(yè)巖夾煤層為主，夾有石英砂巖和鋁土巖。煤層厚0.7 m。本組地層厚約13 m。

棲霞組(P1q)：整合于茅口組與梁山組之間，為深灰色含燧石結(jié)核灰?guī)r夾灰黑色泥灰?guī)r、頁(yè)巖和鈣質(zhì)頁(yè)巖，厚90 m～141 m。

茅口組(P1m)：整合于棲霞組之上，平行不整合于龍?zhí)督M之下，一般由深灰、灰、淺灰色白云質(zhì)斑塊灰?guī)r、灰?guī)r及深灰色含燧石結(jié)核灰?guī)r組成，夾少量白云巖地層。本組為開(kāi)闊臺(tái)地沉積，區(qū)域上厚度變化大，為70 m～771 m，本區(qū)厚約100 m。

本次調(diào)查填圖時(shí)，對(duì)茅口組和棲霞組未進(jìn)行單獨(dú)劃分。

溶洞控制魚(yú)洞河危巖體代表剖面圖見(jiàn)圖1。

2 魚(yú)洞河危巖體數(shù)值模擬

2.1 模型建立

模型的建立主要是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查結(jié)果，以危巖體2剖面為例，結(jié)合相關(guān)資料建立的概化模型(見(jiàn)圖2)，具體如下：

1)模型的計(jì)算范圍。

結(jié)合地質(zhì)剖面圖，本文選取模型計(jì)算范圍水平最大距離為292 m，垂直最大距離為227 m。

2)本構(gòu)模型的選取。

離散元法把巖體看成是由巖石塊體和切割巖體的結(jié)構(gòu)面兩種材料組合的(馬慶松，2009)，這兩種材料分別有不同的本構(gòu)模型，在分析計(jì)算時(shí)，對(duì)于巖石塊體本構(gòu)模型選取各向同性的彈性模型，結(jié)構(gòu)面的本構(gòu)模型為摩爾—庫(kù)侖模型。

3)初始應(yīng)力場(chǎng)。

模型的初始應(yīng)力場(chǎng)為自重應(yīng)力場(chǎng)，重力加速度為10 m/sec2。

4)邊界條件。

分析計(jì)算時(shí)，分別對(duì)模型左右邊界作X方向的位移約束，底邊界作豎直Y方向的位移約束。

5)主要巖性及節(jié)理組合。

模型上部為二疊系下統(tǒng)棲霞組中厚層石灰?guī)r，下部為梁山組薄層泥頁(yè)巖含煤層及堯梭組灰?guī)r?；?guī)r內(nèi)結(jié)構(gòu)面主要有緩傾坡內(nèi)層面和陡傾坡外近平行于崖面的豎直節(jié)理；煤層的結(jié)構(gòu)面為隨機(jī)節(jié)理；危巖后緣的落水洞處理為一條裂隙。

6)計(jì)算工況。

分別模擬危巖體在天然工況和降雨工況下的穩(wěn)定性。天然工況下采用天然狀態(tài)的物理力學(xué)參數(shù)，降雨工況下采用飽水狀態(tài)的物理力學(xué)參數(shù)。

2.2 參數(shù)的選取

參數(shù)選取思路大致如下：首先，研究巖土體參數(shù)弱化的相關(guān)成果(周翠英等，2005)，分析對(duì)應(yīng)巖體及類似性質(zhì)的巖體在水作用下以及遭受不同破壞情況下的參數(shù)弱化情況。其次，由于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查工作所取得的地層巖性力學(xué)指標(biāo)并不完整，故本文借鑒已有的基于離散元法模擬危巖體變形問(wèn)題的研究成果，進(jìn)行參數(shù)選取；同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘查工作取樣獲得的室內(nèi)巖石力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，結(jié)合試算經(jīng)驗(yàn)和監(jiān)測(cè)成果分析，綜合選取計(jì)算參數(shù)，考慮不同作用對(duì)不同地層影響程度不同，折減相應(yīng)不同，例如，粘土巖受風(fēng)化作用和水的軟化作用比其他巖體都強(qiáng)烈(冷洋洋等，2014)，折減程度相應(yīng)增加。

具體參數(shù)選取見(jiàn)表1，表2。

表1 巖體物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)

2.3 危巖體變形數(shù)值模擬分析

本次分析通過(guò)對(duì)危巖體天然狀態(tài)及降雨?duì)顟B(tài)下的應(yīng)力場(chǎng)，位移場(chǎng)的情況進(jìn)行模擬，從而判斷危巖體的穩(wěn)定性并對(duì)危巖失穩(wěn)破壞做出有效的預(yù)測(cè)(王高峰等，2012)。

2.3.1 最大不平衡力特征

圖3為系統(tǒng)在天然和降雨工況下系統(tǒng)最大不平衡力計(jì)算過(guò)程曲線?？梢钥闯?，在天然工況下(見(jiàn)圖3a))，隨著迭代時(shí)步的進(jìn)行，系統(tǒng)最大不平衡力逐漸衰減(封凡忠等，2010)，且趨近于零，曲線收斂，這說(shuō)明系統(tǒng)在天然狀態(tài)下，模型經(jīng)過(guò)自身應(yīng)力應(yīng)變的調(diào)整，系統(tǒng)能夠達(dá)到自我穩(wěn)定的狀態(tài)(楊國(guó)俊等，2012)；在降雨工況下(見(jiàn)圖3b))，可以看出系統(tǒng)的最大不平衡力，跳躍性很大，系統(tǒng)的最大不平衡力隨著時(shí)步的進(jìn)行并不趨于零，曲線不收斂，這說(shuō)明系統(tǒng)在降雨工況處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。

2.3.2 主應(yīng)力特征

圖4是邊坡在天然工況和降雨工況下的主應(yīng)力場(chǎng)分布曲線(壓應(yīng)力為“-”，拉應(yīng)力為“+”)，從圖4中可以看出斜坡體在天然狀態(tài)下的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分布符合一般斜坡體主應(yīng)力分布特征，即最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力總體上符合從上到下逐漸增大(張倬元等，1994)，且在遠(yuǎn)離坡面附近最大主應(yīng)力方向呈豎直方向，最小主應(yīng)力呈水平方向；在靠近坡面附近，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力方向發(fā)生明顯的偏轉(zhuǎn)，體現(xiàn)為越接近坡表處最大主應(yīng)力平行于坡面，最小主應(yīng)力垂直于坡面。

同時(shí)從圖4中可以看出，邊坡在坡肩處存在拉應(yīng)力，且在天然工況下邊坡在坡肩位置的拉應(yīng)力區(qū)范圍明顯比降雨工況下的拉應(yīng)力區(qū)范圍大，邊坡在天然工況下的最大拉應(yīng)力為0.608 8 MPa，在降雨工況下最大拉應(yīng)力為0.300 2 MPa，這是由于邊坡在降雨工況下，危巖體發(fā)生了快速下滑，拉應(yīng)力區(qū)得到了消減。

此外由于軟弱夾層的存在，隨機(jī)劃分節(jié)理塊體比其他地方多，故主應(yīng)力矢量也相應(yīng)密集(朱煥春等，2004)。

2.3.3 剪應(yīng)力分布特征

圖5是斜坡在天然和降雨工況下的剪應(yīng)力分布云圖，斜坡在天然工況和降雨工況下其最大剪應(yīng)力區(qū)均發(fā)生在坡腳處，最大剪應(yīng)力值為3 MPa，最大剪應(yīng)力值在兩種工況下沒(méi)有發(fā)生明顯的變化。

2.3.4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移矢量特征

圖6是邊坡在天然工況下和降雨工況下的位移矢量圖，在崖頂設(shè)置了位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，從圖6中可以看出無(wú)論是在天然還是降雨工況下最大位移始終發(fā)生在斜坡坡緣的危巖體上。斜坡在天然工況下的最大位移為0.127 3 mm，且位移方向主要指向臨空方向，說(shuō)明危巖體在天然工況下相對(duì)較穩(wěn)定，其位移很大一部分是由于卸荷坡表面的卸荷回彈，結(jié)構(gòu)面向臨空面張開(kāi)引起的；斜坡在降雨工況下，其危巖體最大位移急劇增加，最大位移為1.643 mm，從圖6中可以看出危巖體的位移方向沿著落水洞節(jié)理產(chǎn)生了下滑，危巖體在降雨工況下，將會(huì)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

3 結(jié)論及建議

危巖體在天然狀態(tài)下穩(wěn)定性處于良好狀態(tài)，但在降雨情況下，坡體的應(yīng)力及位移情況都發(fā)生較大改變。從監(jiān)測(cè)點(diǎn)處可以得知，在降雨情況下，入滲雨水影響巖體力學(xué)參數(shù)發(fā)生改變，后緣落水洞貫通陡傾裂隙，原本受一次震動(dòng)影響后發(fā)生錯(cuò)動(dòng)的巖體受到裂隙張拉影響，重心由內(nèi)傾逐漸轉(zhuǎn)向外傾。從監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移矢量對(duì)比圖中我們可以看到危巖體沿落水洞方向向外滑移，這對(duì)巖溶地區(qū)危巖體破壞模式的判斷有很大的幫助。

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UDEC-based dangerous rock mass deformation process controlled by karst cave

Leng Yangyang1Xu Kai2

(1.GuizhouInstitudeofGeo-environmentMonitoring,Guiyang550018,China;2.ShaanxiVankeProjectManagementConsultingCo.,Ltd,Xi’an710068,China)

Reveal the rock mass deformation along the karst cave joints by simulating before-rain and after-rain rock mass with UDEC. The connection between steep fissure and karst cave leads to a sharp decrease of mechanical property, which further causes the rock mass to slide along karst cave joints. Dangerous rock mass is not stable in rain and shear failure thus occurs along the weak plane.

UDEC, karst cave, dangerous rock, crevice, shear failure

1009-6825(2015)28-0054-03

2015-07-26

冷洋洋(1987- )，男，碩士，工程師

P642.25

A