離散元法在貴陽某層狀巖質邊坡穩定性分析中的應用

譚玉強　段富凱　田何林

(1.貴州交通巖土工程有限責任公司　貴陽　550018；　2.貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司　貴陽　550018)

離散元法在貴陽某層狀巖質邊坡穩定性分析中的應用

譚玉強1,2段富凱2田何林1,2

(1.貴州交通巖土工程有限責任公司貴陽550018；2.貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司貴陽550018)

摘要以實際工程為背景，介紹了貴陽某層狀巖質邊坡的特點，分析了邊坡的破壞機理及破壞模式，采用二維離散元法對該邊坡進行了穩定性分析，指出了在前緣臨空情況下，邊坡容易發生滑移-拉裂破壞。模擬計算結果與理論分析相符，說明用離散元法分析層狀巖質邊坡的穩定性是可行的。

關鍵詞層狀巖質邊坡離散元法變形機理破壞模式

1工程概況

(1) 邊坡概況。貴陽市烏當區云錦莊至開陽公路其邊坡自然坡度約32°，φ=18°，邊坡沿主滑方向長約100m，寬約150m，滑體厚度約13.50m，滑體面積約1.35×104m2，體積約1.3×105m3，邊坡地形陡，邊界裂縫明顯，平面上呈圈椅狀。

(2) 邊坡的巖土構成。根據地質調繪及鉆探結果，自上而下分述如下：

①碎石土覆蓋層。褐、褐黃色，碎石成分為砂質泥巖，一般粒徑為50～100mm，最大粒徑可達150mm，含少量植物根系，結構稍密，場區均有分布，揭露厚度為0～10.80m。

②基巖。為寒武系下統明心寺組(∈1m)薄層狀砂質泥巖，根據風化程度分為：a)全風化層。灰白、土黃、灰黃色，泥質結構，薄層狀，巖質極軟，節理、風化裂隙極發育，巖體破碎，呈碎裂結構，巖芯呈土狀、砂狀，厚度為1.10～10.80m，場區均有分布；b)強風化層。灰、灰白、淺灰色，泥質結構，薄層狀，巖質軟，節理、風化裂隙極發育，巖體破碎，呈散體結構，巖芯呈砂狀、塊狀，厚度為0～8.40m，場區均有分布；c)弱風化層。灰、深灰色，泥質結構、薄層狀，巖質較硬，構造節理較發育，巖體較完整～完整，巖心以柱狀為主、少許塊狀，該層埋藏較深。

處理后復核土層的內摩擦角和粘聚力計算路基的整體穩定性，采用簡化Bishop法分析計算得路基整體穩定性系數為1.324，路基整體穩定。由此可見，經過處理后的軟基大大提高了其物理力學參數，增強了路基的整體穩定性。

2.32種方法的對比分析

以處理40m長計算，各工程對比見表1。

表1　相關材料需求量對比

通過以上2種方法的處理分析后，可見采用抗滑樁處理時可節約路基填筑材料方量，水泥及砂石量均較CFG樁處理時要少，根據相關工程造價估算抗滑樁較CFG樁節約約40%。在一定程度上節約了路基填筑成本及土地。從另一個角度來考慮，填石路基按1∶1.1～1∶1.3的整體穩定性較1∶1.5～1∶2時要差得多，整體穩定性則是CFG樁較理想。

3結論

(1) 對于存在淺埋軟土夾層的路基，其穩定性受軟土夾層影響，且以通過軟土夾層底面的滑動面安全系數最小，實際工程中應以此作為工程穩定性的控制因素。

(2) 通過收坡避讓軟基雖然節省了土石方量，但在實際工程中應根據前后土石方需求控制，達到經濟合理利用廢方。

(3) 根據軟基處理寬度可綜合考慮2種方法的優缺點及其適用性，在處理軟基較寬時，考慮抗滑樁比較經濟；而軟件寬度較小時則選擇CFG樁較為穩定合理。

參考文獻

[1]趙明華,劉煜,曹文貴.軟土路基沉降發展規律及其預測[J].中南大學學報,2004,35(2):157-161.

[2]何廣訥,肖專文,肖道一,等.軟土夾層地基上土堤的穩定性分析[J].沈陽建筑工程學院學報,1993, (9):118-125.

[3]段姣嬌.公路工程軟土路基施工技術[J].現代公路,2012(23):150-151.

[4]莫海鴻,楊小平.基礎工程[M].北京:中國建筑工業出版社, 2008.

2理論分析

(1) 邊坡現狀。邊坡范圍內地面裂縫明顯，主要集中在邊坡后緣，多為拉張裂縫，裂縫走向與滑動方向近于垂直，其中最大裂縫寬度達20cm，垂直位移0.15～0.20cm，長約67m；南側裂縫多呈羽狀排列，與滑動方向斜交，自北東向南西消失；滑區中下部裂縫較少，多呈弧狀；坡腳處出現一條弧形裂縫，當前部荷載去除之后，該邊坡將可能產生滑動破壞，且該邊坡屬于緩傾層狀巖質邊坡。

(2) 變形機理。該邊坡符合前面所討論的緩傾坡的破壞機理。該邊坡目前處于蠕變過程，當坡前荷載去除之后，在自重作用下，邊坡巖體將沿下伏軟弱面向坡前臨空方向產生滑移-拉裂破壞。

(3) 破壞模式。該邊坡將會發生階梯狀的平面滑動破壞。

(4) 判別依據。依據文獻[1]滑移-拉裂的判別公式進行判別。

(1)

(2)

(3)

由工程概況可知：L=100m，b=150m，φ=18°，α=32°。

計算可得：A=0.55，B=33.7°，β0=38.4°。

又由工程概況可知β=36°，故該滑動破壞是可能的。

3數值模擬計算

采用2d-block離散元數值模擬軟件對該邊坡的變形失穩機理及破壞模式進行模擬計算。

(1) 離散元法基本原理。離散單元法是將研究區域劃分成單元，各單元因受節理等不連續面控制，一個單元與其鄰近單元可以接觸，也可以分開，單元之間相互作用的力可以根據力和位移的關系求出，個別單元的運動則完全根據該單元所受的不平衡力和不平衡力矩的大小按牛頓運動定律確定[2]。

物理方程：力和位移間的相互關系。離散單元法采用了力-位移關系，并且認為這個關系是可逆的。2塊體相互作用的力與接觸塊體之間的疊合量有關(見圖1)，假定塊體間的法向力Fn正比于它們之間法向“疊合”un，即

Fn=knun

(4)

式中：kn為法向剛度系數。

“疊合”是計算時假設的一個量，將其乘上一個比例系數作為法向力。對于確定的法向力，可以增大kn的值、減少un的值，而使二者的乘積等于相同的法向力。

圖1　疊合量與作用力之間的關系

塊體所受的剪切力與塊體運動和加載的歷史途徑有關，所以宜用增量的形式來表達。設2塊體之間的相對位移為Δus，則

(5)

式中：kn為節理的剪切剛度系數。

(2) 模擬參數取值見表1。

表1　模擬參數取值表

(3) 數值模擬計算成果及分析。數值模擬計算成果見圖2～圖5。

圖2平均主應力圖圖3形心速度圖

圖4塊體位移圖圖5破壞效果圖

數值模擬成果分析。

(1) 由圖2可見，當前部荷載去除之后，坡體平均主應力發生了明顯的變化，前緣應力釋放，中部及后部應力均做了調整，沿層面向坡腳移動。

(3) 由圖3可見，當前部荷載去除之后，坡體產生了形心速度，前緣形心速度較大，中部及后部受前部塊體的影響，加速度較小，但加速度方向均沿層面指向坡腳。

(3) 由圖4可見，當前部荷載去除之后，坡體上的塊體產生了明顯位移，前部和后部位移較大，中部受前部塊體的影響，位移較小，但位移方向均沿層面指向坡腳。

(4) 由圖5可見，當前部荷載去除之后，坡體上的塊體由于前緣臨空，前部塊體產生滑移，中部及后部發生了明顯的拉裂破壞。

綜上，當坡前荷載去除之后，邊坡巖體將沿下伏軟弱面向坡前臨空方向滑移，并使滑移體拉裂解體。軟弱面向臨空方向傾角大于巖層的內摩擦角，一旦該面被揭露，上部坡面巖體臨空，破壞了原坡體的平衡條件，導致上覆巖土體失去支撐，造成前緣產生明顯的滑移，后部產生拉裂，坡體由前部向后部逐步解體的滑移-拉裂破壞，破壞模式為平面滑動，且滑面為折線形[3]。結果與前述的理論分析一致。

4結論

(1) 本文采用離散元法，利用2d-block軟件對貴陽某層狀巖質邊坡進行了穩定性分析。將塊體平均主應力、形心速度、塊體位移發生明顯變化作為失穩判據，由對應邊坡塊體的破壞效果圖確定滑面及破壞形式。根據模擬計算結果對比分析表明，應用該方法對層狀巖質邊坡進行穩定性分析是一個有效的方法。

(2) 當邊坡的結構面參數較低，且巖性較好時，可以將其視為剛體來選取計算參數進行模擬計算，該方法計算效率高，結果可靠[4]。

(3) 采用二維2d-block離散元數值模擬軟件分析層狀巖質邊坡的穩定性，可以看到邊坡破壞過程中的塊體平均主應力、形心速度、塊體位移及破壞效果，對有效、快速、直觀地判斷層狀巖質邊坡破壞機理及破壞模式具有很好的指導意義。

[1]張倬元,王士天,王蘭生.工程地質分析原理[M].2版.北京:地質出版社,1994.

[2]黃潤秋.中國西南地殼淺表層動力學過程與工程環境效應研究[M].成都:四川大學出版社,2002.

[3]譚玉強.層狀巖質邊坡穩定性評價理論與支護設計方法研究[D].貴陽:貴州大學,2009．

[4]寧宇.應用離散元強度折減對復雜邊坡進行穩定性分析[J].巖土力學,2007，28(S):569-574.

收稿日期：2014-09-10

ResearchonSlopeStabilityAnalysisofALayeredRock
SlopeinGuiyangUsingDistinctElementMethod

Tan Yuqiang1,2， Duan Fukai2，TianHelin1,2

(1.GuizhouTransportationofGeotechnicalEngineeringCo.,Ltd.,Guiyang550018,China;

2.GuizhouTransportationPlanningSurvey&DesignAcademeCo.,Ltd.,Guiyang550018,China)

Abstract：Based on the background of practical engineering, characteristics of some layered rocky slope in Guiyang are introduced. The deformation mechanism and destruction are analyzed in theory to the slope.The method of 2D discrete element is applied to the slope stability analysis．It is pointed out that the slope is easy to cause sliding-tensile failure under the condition of the front opening. The simulation results are in conformity with theoretical analysis. It shows that element method is feasible for the analysis of layered rock slope stability. This method is a rational and efficient stability analysis method and is worth using in similar projects．

Key words:layered rock slope; distinct element method; deformation mechanism; destruction pattern

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.021