順層巖質邊坡潰屈型破壞探討*

張登項，唐 川，唐秋元

(中煤科工集團重慶設計研究院有限公司 巖土工程院，重慶 400042)

0 引 言

順層巖質邊坡是指巖層層面的傾向與邊坡坡向一致的邊坡，隨著人類工程活動的影響，工程開挖而形成的順層巖質邊坡的穩定性問題也越來越突出，這也引起了人們對順層巖質邊坡破壞模式與機制的研究。許多學者通過對大量順層巖質邊坡進行研究，將這類邊坡按巖層傾角的大小大致分為兩類：緩傾順層巖質邊坡和陡傾順層巖質邊坡[1]。并總結了影響順層巖質邊坡穩定性的相關因素，得出了順層巖質邊坡的破壞模式以及相關的計算力學模型[1-12]。

綜合前人研究，可以得出緩傾和陡傾順層巖質邊坡的破壞模式和力學機制各有不同，特別是對于陡傾順層巖質邊坡存在著一種特殊的破壞模式——潰屈型破壞[13]。實際工程運用中，由于運用規范推薦的傳統剛體極限平衡分析這類陡傾順層巖質邊坡得到的穩定性結果都比較好[14]，故這種潛在的特殊破壞模式往往被人們所忽略。

筆者首先對巖質邊坡潰屈型破壞的力學原理進行探討，然后結合一典型陡傾順層巖質開挖邊坡實例，運用離散元法模擬非連續介質獨特的優勢[15]，得出巖質邊坡發生此破壞模式的變形、應力特征以及具體破壞過程。

1 力學原理

巖質邊坡發生潰屈型破壞力學模型如圖1[13]。

圖1 潰屈型破壞力學模型Fig. 1 Mechanical model of yield failure

設坡面AD與層面BC完全平行，那么能夠使斜坡保持穩定的最大邊坡高度Hmax，可按照如下步驟計算：首先假設一個潛在破壞體ABCD的龐大自重使其坡腳的巖體處于塑性狀態，該塑性區域近似用直角三角形ABE表示，塑性區上部的巖體EBCD仍處于彈性狀態，并假定其自重為G。

潛在破壞體ABCD自重G：

(1)

陡傾結構面BC上的抗滑力τ：

(2)

下滑力：

T=G·sinα

(3)

則作用在塑性區頂面上的有效壓應力為最大主應力σ1：

(4)

由于與最大主應力σ1垂直的最小主應力σ3作用方向為臨空面，則：

σ3=0

(5)

當塑性區應力滿足屈服條件時巖體破壞，即

(6)

將σ1、σ3代入式(6)，簡化整理后得

(7)

式中：a為失穩巖體的水平寬度；r為巖體重度；C、φ為結構面的抗剪強度；C′、φ′為巖體抗剪強度；α為結構面傾角。

從順層邊坡潰屈型破壞力學原理的推導過程可以得出，巖質邊坡發生此模式破壞必須滿足3個條件：存在外傾結構面；結構面傾角較陡，大于或等于坡角；坡腳巖體強度較差。

2 工程實例

2.1 工程概況及參數取值

2.1.1 工程概況

該邊坡工程位于重慶市南岸區某房地產開發項目場地內，為一人工開挖而形成的陡傾順層巖質邊坡，組成該邊坡的主要巖性為侏羅系中統新田溝組頁巖，坡腳部分夾部分砂巖，層面陡傾坡外，層面產狀為291°∠71°，頁巖層面光滑，節理裂隙發育，主要發育一組緩傾坡內的裂隙，其產狀為128°∠28°，該邊坡坡腳處頁巖呈薄層～片狀，巖體質量差。設計時該邊坡采用錨桿擋墻進行支護，并設5階放坡，坡中上部放坡坡率為1∶0.5，坡腳處放坡坡率為1∶0.333，每階邊坡高約8 m，每階設置寬2 m的馬道。施工時，按照逆作法施工的原則，進行邊開挖邊支護，當邊坡開挖接近最后一階時(高約35 m)，邊坡發生了垮塌。邊坡現場概貌和邊坡的典型剖面如圖2、圖3。

圖2 邊坡垮塌概貌Fig. 2 General picture of slope collapse

圖3 典型剖面Fig. 3 Typical profile

2.1.2 巖體參數取值

據該項目的勘察報告室內試驗，同時結合現場實際情況，巖體參數取值如表1。

表1 邊坡巖體參數取值Table 1 Calculated parameters of slope rock

2.2 理論計算

根據前面所述順層邊坡潰屈型破壞力學原理，將失穩巖體水平寬度a=5.0 m，巖體重度r=24.64 kN/m3，結構面黏聚力C=25 kPa，結構面內摩擦角φ=12°，巖體黏聚力C′=170 kPa，巖體內摩擦角φ′=30°，邊坡坡角71°代入式(7)可以定量計算出邊坡極限高度為35.17 m，由計算結果可知，順層邊坡產生“潰屈型”破壞的邊坡極限高度約35 m。據勘察資料(如圖1、圖3)，滑塌塊體頂面與底面(剪出口)最大高差36.45 m，邊坡開挖高度大于計算得出的極限高度，邊坡產生潰屈型破壞，說明計算結果與實際情況基本一致。

2.3 邊坡離散元數值分析

2.3.1 計算模型與參數

離散單元法是模擬離散介質大變形和運動趨勢的有力工具，特別適用于節理巖體的數值模擬。本次計算運用離散元軟件UDEC建立邊坡的二維計算模型，計算過程中采用分階段開挖，以確定分析每個開挖階段變形情況以及破壞模式。離散元計算模型如圖4。

圖4 計算模型Fig. 4 Calculation model

根據表1巖體參數確定本次離散元分析計算參數，具體如表2。

表2 計算參數Table 2 Calculated parameters

其中頁巖的法向模量K和切向模量G取值依據原勘察報告巖體的彈性模量E=1 187 MPa和泊松比υ=0.31由式(8)、式(9)換算而來：

(8)

(9)

2.3.2 計算結果分析

1) 開挖邊坡位移矢量結果

開挖邊坡位移矢量結果見圖5。從圖5可以看出，邊坡隨著開挖的不斷深入，其變形位移量逐漸增大，但邊坡的總體位移量很小，當第4階開挖完成后，總體變形位移最大值為8.356 mm，同時從前4個階段開挖后的位移矢量箭頭方向可以看出，其變形方向主要是指向開挖后的臨空面的法向方向，說明其變形主要原因是由于邊坡開挖后巖體的卸荷回彈引起的。故邊坡在前4個階的開挖工況下，邊坡變形以卸荷回彈為主，邊坡未發生明顯變形破壞現象，邊坡穩定性較好。邊坡經過第5階開挖后，邊坡發生了明顯的變形破壞現象，在第5階開挖后，邊坡的最大位移量為1.507 m，最大位移主要發生在邊坡坡腳部位的巖體，邊坡已垮塌。邊坡中上部位移矢量圖的方向基本與邊坡陡傾層面平行，說明邊坡的滑動方向主要是沿著層面滑動，而在坡腳處，位移矢量圖發生轉向，這是由于坡腳巖體發生了屈服，產生了“潰屈”變形，故其位移方向發生了轉向。

圖5 開挖后位移矢量Fig. 5 Displacement vector after stage excavation

2) 開挖邊坡剪應力

開挖邊坡剪應力云圖見圖6。從圖6可以看出，邊坡開挖過程中邊坡剪應力變化規律為：從邊坡開挖第1階至邊坡開挖第5階，邊坡開挖后其最大剪應力主要集中在坡腳部位，其次隨著開挖的不斷深入，其坡腳剪應力逐漸增大，坡腳剪應力集中越來越明顯，特別是開挖至第5階時，坡腳剪應力集中加劇，坡腳剪應力越來越大，最終導致邊坡坡腳巖體產生了屈服，邊坡坡腳發生了“潰屈”變形破壞。

圖6 開挖后剪應力云圖Fig. 6 Shear stress contour after stage excavation

3) 變形破壞過程

為了進一步展現邊坡在第5階開挖完成后的變形破壞特征，分別給出了第5階開挖完成后不同時步邊坡的變形破壞情況，如圖7。從圖7中可以看出，邊坡開挖至第5階后，首先是坡腳巖體開始發生屈服，即坡腳巖體開始發生了“潰屈”變形跡象，隨著計算時步的進行，邊坡這種變形破壞跡象越來越明顯，破腳巖體的嚴重變形為邊坡中后部的巖體提供了沿著陡傾結構面滑動的空間，最后邊坡發生了垮塌。

圖7 邊坡垮塌全過程 Fig. 7 Process of slope collapse

結合理論分析，邊坡開挖到第4階時，雖然開挖坡腳剪應力集中越來越明顯，剪應力越來越大，但是剪應力并沒有達到使得坡腳巖體發生屈服的“潰屈”變形，也就是邊坡沒有達到邊坡發生潰屈型破壞的極限高度，邊坡巖體特別是坡腳巖體處于彈性狀態，邊坡的變形主要以開挖的卸荷回彈為主，變形方向指向臨空面的方向。邊坡開挖至第5階坡底時(開挖深度約36.45 m)，繼續增大的剪應力超過了坡腳巖體的抗剪強度，也就是邊坡高度達到了極限高度，坡腳巖體處于屈服狀態，坡腳巖體首先發生了屈服破壞而產生了較大的位移變形，從而為邊坡中上部巖體提供了沿著陡傾坡外的結構面產生下滑的空間，邊坡發生了垮塌，模擬結果與現場實際情況(圖8)基本一致。

圖8 現場邊坡坡腳巖體概況Fig. 8 General picture of rock mass at slope foot

3 結 論

筆者首先對順層巖質邊坡潰屈型破壞模型的力學原理進行了探討，然后結合陡傾順層巖質邊坡的實際工程實例，對邊坡的最大極限高度進行了定量的計算，最后通過離散元數值模擬，得出了陡傾順層巖質邊坡發生潰屈破壞的變形破壞過程和變形特征。具體結論如下：

1) 通過陡傾順層巖質邊坡產生潰屈型破壞的力學原理進行探討，可以得出巖質邊坡發生此模式破壞必須滿足3個條件：存在外傾結構面；結構面傾角較陡，大于或等于坡角；坡腳巖體強度較差。

2) 結合典型的實際工程實例，運用潰屈型破壞理論計算公式定量計算出了邊坡開挖的最大極限高度，計算結果與現場實際情況基本一致。

3) 通過離散元的數值分析，得出了邊坡在開挖過程中變形及應力特征，再現了邊坡發生潰屈型破壞的具體過程，即：當邊坡開挖后，坡腳剪應力集中越來越明顯，剪應力越來越大，在邊坡未達到邊坡發生潰屈型破壞的極限高度時，邊坡巖體特別是坡腳巖體處于彈性狀態，邊坡的變形主要以開挖的卸荷回彈為主，變形方向指向臨空面的方向。當邊坡高度達到了極限高度，坡腳剪應力增大，使得坡腳巖體處于屈服狀態，坡腳巖體首先發生了屈服破壞而產生了較大的位移變形，從而為邊坡中上部巖體提供了沿著陡傾坡外的結構面產生下滑的空間，邊坡發生了垮塌，理論分析、數值模擬與工程實例之間得到了很好的驗證。

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