蓉遵高速仁懷—赤水段大石溝邊坡破壞機理模擬研究

董 巖, 楊根蘭*, 史文兵, 向喜瓊, 姬同旭, 姜思源, 王小明

(1.貴州大學 資源與環境工程學院 貴州省喀斯特環境與地質災害防治重點實驗室,貴州 貴陽 550025; 2.貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司,貴州 貴陽 550000)

西南地區是國內紅層分布最多、也最具典型的丹霞地貌區,其中貴州地區的紅層主要分布在赤水一帶,尤為突出的即為丹霞地貌,主要由砂巖、泥質粉砂巖與泥巖的互層構成,產狀近水平。層狀結構巖體構成的邊坡在自然界中最為常見,這類變形體要發展到失穩破壞一般要經歷很長時間[1]。前人利用模擬手段對軟硬相間結構的邊坡已有一定程度的研究,馮文凱[2]、車彥良[3]等利用底摩擦物理模擬試驗對緩傾層狀邊坡的破壞機理進行模擬研究;宋亞芬等[4]以宜巴高速公路沿途彭家灣軟硬互層邊坡為依托,采用模型箱物理室內試驗深入探討水對軟硬互層邊坡穩定性的影響。

四川盆地的紅層,是由湖泊或盆地的沉積物沉積形成,其物質構成的顆粒大小具有從邊緣向內部逐漸變小的趨勢。盆中地區的紅層可溶性物質多,顆粒以細粒為主,抗風化能力弱;而盆地邊緣地帶如赤水、習水地區的紅層沉積物主要為洪積物,沉積顆粒粗大,水分少,可溶解物質少。赤水地區的紅層較盆中地區的紅層抗風化能力強一些,所以,應根據不同紅層地區的沉積環境、巖體特性的差異,對不同地區的紅層進行系統的研究。

本文以仁懷—赤水段高速路邊大石溝邊坡為例,采用底摩擦模型試驗和顆粒流數值模擬相結合的方法,對貴州典型的近水平軟硬相間紅層邊坡的變形破壞做深入的研究,為赤水丹霞地區紅層邊坡破壞機理及其工程性質提供科學依據。

1 工程地質條件

圖1 危巖體與凹巖腔發育部位Fig.1 Development of perilous rock and concave cavity

根據室內土工試驗及周邊地區(元厚、旺隆地區)工程經驗,確定原巖的力學參數(見表1)。

2 底摩擦物理模擬試驗

2.1 試驗原理

采用底摩擦試驗對工程斜坡進行分析起始于上世紀70年代。它可以直接觀測和記錄研究對象的變形、破壞演變過程,通過實驗應力分析獲得研究對象的變形演變過程中各階段的應力分布狀態和由于變形與局部破壞導致的應力重分布情況,故今年來有較大發展。

表1 原巖力學參數表Table 1 Mechanical parameters of original rock

物理模擬試驗基于相似原理,在研究對象和模擬試驗之間建立相似關系,確保模型試驗中出現的現象與原型相似[2,5-8]。模擬模型與研究對象之間相似,需要在幾何條件、受力條件和摩擦系數方面滿足一定的相似關系。

式中:l為幾何尺寸;γ為材料的容重;f為摩擦系數;下標“p”,“m”分別代表原型和模型。上述相似系數由σR=γRlR及R=1確定[9],σ為應力。

底摩擦模型試驗需要滿足上述相似條件,利用摩擦力來模擬邊坡在實際工況下受到的重力場。根據圣維南原理(Saint-Venant’s Principle),當模型足夠薄時,模型受到的摩擦力均勻作用在整個厚度,可以用摩擦力模擬原型物體在天然狀態下所受的重力[6](圖2)。

圖2 底摩擦模型試驗原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of bottom friction model test principle

底摩擦試驗采用貴州大學資源與環境工程學院的DMC-1000變頻調速底摩擦模型試驗儀(圖3)。

2.2 模型制作

由于斜坡體結構比較復雜,節理裂隙比較發育,因此在建立模型時對大石溝邊坡進行了簡化處理,主要區分軟弱泥巖與堅硬砂巖的差異,并以人工開挖模型的方式模擬邊坡的風化卸荷過程。對大石溝邊坡選取其Ⅰ-Ⅰ′剖面進行底摩擦試驗(圖4),大石溝邊坡巖層產狀近水平,坡度較陡,原始邊坡總高度大約為30 m,寬大約為29 m,砂巖與泥巖的互層共分為13層。本次試驗取幾何相似系數為43,模型高度為69.8 cm,模型寬度為68.0 cm,厚度為1 cm,以保證模型足夠薄,使得模型所受摩擦力能替代天然狀態下所受的重力,重度相似系數取0.88,摩擦系數為1。

在選擇模型材料時主要考慮的是模型材料與原巖的內摩擦角相近,用正交設計確定試驗材料的配比。模型材料選擇密度為2.159 g/cm3、配比為68∶20∶12的重晶石粉、膨潤土和石蠟油制成的相似材料來模擬泥巖。選擇密度為2.193 g/cm3、配比為58∶31∶11的重晶石粉、石英砂和石蠟油制成的相似材料來模擬砂巖。

圖4 大石溝邊坡Ⅰ-Ⅰ′剖面圖Fig.4 Ⅰ-Ⅰ′ profile of Dashigou slope1.侏羅系中統上亞組;2.泥巖;3.砂巖;4.剖面線。

2.3 底摩擦試驗結果分析

由于泥巖與砂巖的抗風化能力不同,使得泥巖處易形成凹巖腔,凹巖腔形成一個局部臨空面,從而造成砂巖形成危巖體,在重力的持續作用下將產生拉裂縫。隨著時間的推移,拉裂縫繼續擴展、貫通巖層,產生變形破壞。因此,對于該組實驗采取人工開挖的方式模擬泥巖的風化作用,對砂巖部位和泥巖部位分別采取不開挖、每小時開挖1 cm的方式進行底摩擦試驗,觀察其變形破壞的過程與形式(圖5)。

圖5 底摩擦模擬試驗模型變形破壞過程Fig.5 Deformation and destructive process of simulation test model of bottom fiction

(1) 當底摩擦儀轉動1 h后,以人工開挖1 cm的方式模擬風化作用,可以觀察到在模型的左下側由于局部臨空出現細微的裂縫,裂隙、層面均處于壓密階段,邊坡基本處于穩定狀態。

(2) 在試驗進行3 h,人工掏蝕2 cm,此時模型整體處于擠壓階段,這時可以明顯地看到在第11層出現滑移—壓致拉裂縫,并隨后發生傾倒性掉塊,同時也可以觀察到在第3層有細小的掉塊。

(3) 在試驗進行6 h,人工掏蝕5 cm,邊坡整體處于裂隙擴展階段,這時第8層的凹巖腔已經風化得很深,產生了一個臨空面,位于臨空面上的砂巖同樣也產生了滑移—壓致拉裂縫,隨后坡表處發生傾倒性掉塊。

(4) 當試驗進行到8 h,人工掏蝕7 cm,在第3層的砂巖出現了橫向和豎向的拉裂縫,隨后裂隙繼續向上擴展,與巖體中原本就有的微小裂隙貫通至第2層,當凹巖腔發育到一定的情況時,第2層的泥巖與第3層的砂巖同時沿著裂隙掉落下來,同時在坡頂出現卸荷裂隙,當試驗進行到大約8.5 h時,坡頂的卸荷裂隙與第2、3層因卸荷產生的裂隙貫通,發生掉塊。邊坡整體上處于裂隙的擴展貫通及坡表傾倒破壞階段。

隨后巖體的變形破壞均以同樣的演化方式進行。

3 數值分析

為了更進一步地了解開挖過程中邊坡內部的裂隙發育過程及邊坡的變形破壞特征,采用二維顆粒流數值模擬方法對上述剖面進行模擬分析。數值模擬采用顆粒流模擬軟件PFC2D,顆粒流程序軟件與底摩擦試驗非常相似,它們都不能夠直接采用原巖力學參數設定邊坡各巖層的物理力學參數,而是需要通過數值試驗得到基于接觸模型的細觀參數來設定各巖層的物理力學參數,以保證數值模擬所得到的結果與原型所發生的結果相似。

由大石溝邊坡Ⅰ-Ⅰ′剖面圖(圖4)建立實體地質模型,在顆粒流數值模擬軟件中選取平行粘結模型,即在顆粒間填充具有膠合性的材料,使得兩個顆粒之間形成接觸。通過使用“wall+import”命令導入dxf建立邊坡外輪廓模型,這樣可以固定出所建立模型的區域,以便在固定區域里面使用“ball+distribute”命令填充生成55 000多顆半徑在0.6～0.996 mm的二維圓盤顆粒,然后利用ball+group進行分組,得出的模型如圖6所示。

初期開挖后,由于卸荷回彈,引起應力的重分布,且應力的重新分布又具有差異性,在坡腳處形成應力集中帶,在力鏈圖(圖7)中可以觀測到產生了大量的壓致拉裂縫,坡腳處巖體局部破壞。

圖7 模型初期開挖后數值模擬結果Fig.7 Numerical simulation after excavation of initial stage

圖8 試驗3 h后數值模擬結果Fig.8 Numerical simulation after 3 hours of experiment

圖9 實驗5 h后數值模擬結果Fig.9 Numerical simulation after 5 hours of experiment

圖6 大石溝邊坡Ⅰ-Ⅰ′剖面圖數值模型Fig.6 Ⅰ-Ⅰ′ profile numerical model of Dashigou slope

試驗進行3 h后,由于模擬開挖形成的凹巖腔,造成上部巖體臨空,產生傾向坡內的局部拉裂隙,在力鏈圖中也可以在泥巖層中見到由于上部巖體重力作用的擠壓產生的很多壓致拉裂縫。巖體向臨空方向彎曲,邊坡后緣產生拉裂縫(圖8)。

試驗進行5 h后,裂隙逐漸擴大,坡頂處的裂縫向下延伸,坡體中的裂縫向周圍延伸,具有貫通的趨勢(圖9)。

隨著開挖繼續進行,試驗進行到6 h,坡體中原有的裂隙擴大并產生了很多新的裂隙,坡體中的裂縫逐漸貫通(圖10)。

圖10 裂隙貫通模型圖Fig.10 Model chart of fracture penetration

圖11 發生傾倒性破壞Fig.11 Dumping failure

當坡體中的巖橋貫通后,形成貫通性裂縫,構成臨空面。很快,裂縫外側的巖體向外發生傾倒性破壞(圖11),其結果如圖12所示。

圖12 傾倒性破壞后的數值模型圖Fig.12 Numerical simulation diagram of dumping failure

從數值模擬中可以看出,邊坡的變形演化過程為:坡腳處應力集中產生壓致拉裂縫→坡緣、坡體中產生拉裂縫→裂隙貫通→發生傾倒性破壞。

4 結論

(1) 在底摩擦試驗中,以人工開挖的方式模擬風化作用,通過觀察模型在試驗過程中的現象,可以發現天然狀態下的模型變形破壞演化過程主要為:裂隙、層面均處于壓密階段→泥巖處產生凹巖腔并且不斷地擴大→砂巖處產生滑移—壓致拉裂縫→砂巖發生傾倒性掉塊(也即產生傾倒性破壞)。

(2) 天然狀態下的數值模擬圖中,邊坡的變形演化過程為:坡腳處應力集中產生壓致拉裂縫→坡緣、坡體中產生拉裂縫→裂隙貫通→發生傾倒性破壞。

(3) 物理模擬試驗由于受材料、人為因素的影響,而數值模擬受標定參數的影響,可能導致二者在變形破壞演化過程中可能不能夠完全一致,但是其破壞的形式還是大體一致的。

(4) 對于結構面較發育的邊坡破壞過程的模擬,離散元顆粒流數值模擬方法對其破壞—分解—運動過程有很好的模擬效果,對于三維可視化的顆粒流動態模擬過程還有待進一步研究。