基于Midas的公路順層巖質(zhì)邊坡破壞機理研究

李相松

（蘇交科集團股份有限公司， 江蘇 南京 211112）

0 引言

在交通強國戰(zhàn)略支撐下，我國公路工程建設(shè)規(guī)模不斷擴大，邊坡穩(wěn)定性是影響公路施工和運營的重要技術(shù)問題，邊坡失穩(wěn)事故帶來的危害是巨大的，公路巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性尤其是順層巖質(zhì)邊坡的破壞機理成為該工程領(lǐng)域的熱點、難點問題。

順層巖質(zhì)邊坡是指巖層走向、傾向和邊坡坡面一致的邊坡，其巖體結(jié)構(gòu)面是降低邊坡強度的重要因素，導(dǎo)致邊坡發(fā)生位移破壞，順坡結(jié)構(gòu)面的存在及其特征對于邊坡的變形和破壞方式及規(guī)模具有決定性的控制作用。從位移、拉應(yīng)力區(qū)分布特點和屈服區(qū)分布特征來看，順層巖質(zhì)邊坡的順坡結(jié)構(gòu)對巖體穩(wěn)定性影響較大，很大程度增加了坡體破壞的風(fēng)險。本文基于Midas GTS有限元分析軟件，對某公路順層巖質(zhì)邊坡進行數(shù)值模擬研究，通過現(xiàn)場勘察、室內(nèi)試驗等技術(shù)手段獲取其坡形尺寸、地層結(jié)構(gòu)、材料參數(shù)，運用Midas GTS有限元數(shù)值模擬軟件對邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)進行建模，并采用有限元法計算分析該邊坡的穩(wěn)定性及破壞機理。

1 工程概況

該公路順層巖質(zhì)邊坡為東西走向，邊坡巖層走向、傾向和邊坡坡面一致，是典型的順層巖質(zhì)邊坡。邊坡長度約200米，坡高約10～15米，寬度約25米，坡度約40°～55°（如圖1）。根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)勘察成果，該巖質(zhì)邊坡地層巖性結(jié)構(gòu)主要由人工填土、崩塌石塊、殘坡積層（Qheld）和板巖組成，其中，填土與崩塌石塊厚度約0～3米；板巖出露區(qū)域較多，板巖強風(fēng)化層厚約 1～2米，巖體破碎；板巖中風(fēng)化層節(jié)理較發(fā)育，巖體較破碎。

該邊坡區(qū)域內(nèi)未發(fā)現(xiàn)較大的構(gòu)造現(xiàn)象，巖體發(fā)育有多組節(jié)理面，節(jié)理面的延展性較好，且局部發(fā)育有X型節(jié)理，巖體內(nèi)節(jié)理間距1～5米。

根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)勘察成果，在鉆探勘察深度中未揭露地下水，但存在孔隙水和基巖裂隙水，基巖裂隙水賦存于坡體板巖裂隙中。同時，受公路工程建設(shè)影響，坡腳存在人工開挖，坡體巖層暴露，為巖質(zhì)邊坡不穩(wěn)定性埋下安全隱患。

通過野外現(xiàn)場勘察、室內(nèi)試驗等技術(shù)手段，獲取該巖質(zhì)邊坡材料參數(shù)（見表1），為后續(xù)邊坡數(shù)值模擬分析提供必要地層材料參數(shù)。

圖1 巖質(zhì)邊坡示意圖

1 結(jié)構(gòu)面和巖體物理力學(xué)參數(shù)

介質(zhì) 粘聚力（MPa）內(nèi)摩擦角（°）體積模量（GPa）剪切模量（GPa）天然密度（Kg/m3）法相剛度（GPa/m）切向剛度（GPa/m）巖層面 0.283 25.9 / / / 10 1節(jié)理面 0.027 16.14 / / / 10 1中風(fēng)化板巖 4.79 32.87 15.67 2.69 2700 / /未風(fēng)化板巖 5.51 50.2 15.23 7.85 2700 / /

2 數(shù)值模擬與計算分析

2.1 計算模型

運用Midas GTS有限元分析軟件對邊坡進行數(shù)值模擬，Midas GTS是一款基于有限元分析算法和巖土結(jié)構(gòu)專業(yè)性特點，將二者有機結(jié)合而開發(fā)的巖土體分析軟件，具有專業(yè)性強、快速建模、準(zhǔn)確分析、結(jié)果直觀的特點，廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域。

在本文邊坡數(shù)值模型中，邊坡坡形、地層結(jié)構(gòu)、材料物理力學(xué)參數(shù)均采用相應(yīng)的野外勘察成果與室內(nèi)試驗成果數(shù)據(jù)，在計算模型中將實際邊坡進行概化處理，節(jié)理面概化為等間距分布（間距為 2米），且與層面相互垂直，數(shù)值模型的本構(gòu)模型采用“摩爾-庫倫”模型，且在模型左右及底部均設(shè)置邊界約束，貼合實際工程。在不穩(wěn)定坡體中共設(shè)置9個監(jiān)測點，各監(jiān)測點間距為5米，在巖體中分三層等間距分布，如圖2所示，同時對邊坡模型結(jié)構(gòu)面網(wǎng)格劃分，進行計算。

圖2 模型監(jiān)測點布置圖

2.2 位移分析

邊坡巖土體監(jiān)測點水平位移監(jiān)測點時程曲線如圖3所示，從圖中可以看出，順層巖質(zhì)邊坡坡體位移具有一定的規(guī)律。由圖5（a）、圖5（b）、圖5（c）可知:P1＞P2＞P3、P4＞P5＞P6、P7＞P8＞P9,說明無論在那一巖層坡體均表現(xiàn)出前部位移大于后部位移的特征；由圖5（d）、圖5（e）、圖5（f）可知:P7＞P4＞P1、P8＞P5＞P2、P9＞P6＞P3,說明坡體位移表現(xiàn)出淺層位移大于深層位移的規(guī)律。順層巖質(zhì)邊坡模型的變形破壞首先出現(xiàn)在坡角處，發(fā)生蠕變變形，后變形區(qū)域逐漸向坡體后部、坡體深部擴張，誘發(fā)整個坡體發(fā)生滑移破環(huán)，導(dǎo)致坡體發(fā)生“滑移-拉裂”式破環(huán)。

綜上，順層巖質(zhì)邊坡模型變形破壞表現(xiàn)特征表現(xiàn)為“先蠕變、后滑移”；破壞模式表現(xiàn)為“滑移-拉裂”式。且無論是蠕變變形階段還是滑移變形階段，順層巖質(zhì)坡體變形破壞過程均遵循“前部大、后部小”、“淺層大、深層小”的規(guī)律。

圖3 水平位移時程曲線

2.3 應(yīng)力分析

通過數(shù)值模型計算，坡體初始平衡狀態(tài)剪應(yīng)力云圖、最后穩(wěn)定狀態(tài)剪應(yīng)力云圖分別如圖4、圖5所示。邊坡坡體剪應(yīng)力是分析巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性和破壞機理的重要手段，能夠較為直觀地反應(yīng)出不穩(wěn)定邊坡巖體內(nèi)部力學(xué)分布特征、潛在滑動面位置、變形破壞趨勢等邊坡問題。

圖4 初始平衡狀態(tài)坡體剪應(yīng)力云圖

圖5 最后穩(wěn)定狀態(tài)坡體剪應(yīng)力云圖

由圖可知，在坡體內(nèi)部，初始平衡階段，坡角處呈現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，在重力作用下，變形逐漸向邊坡后部發(fā)展，且在巖層強弱風(fēng)化接觸面剪應(yīng)力分布不均，表現(xiàn)為前部大、后部小的特征，但在滑體內(nèi)部、坡體下部應(yīng)力分布相對均勻。

剪應(yīng)力分布規(guī)律表明，順層巖質(zhì)邊坡變形破壞是從邊坡坡角處開始發(fā)生蠕變，逐漸向坡體內(nèi)部擴張的漸進式破壞過程。同時，剪應(yīng)力分布位置為巖層強弱風(fēng)化接觸面，且有分布不均特征，但在滑體內(nèi)部、坡體下部應(yīng)力分布相對均勻，說明邊坡滑體有沿強弱風(fēng)化巖層接觸面向臨空面變形破壞趨勢。

3 結(jié)論

采用野外現(xiàn)場勘察及室內(nèi)試驗成果，利用Midas GTS有限元數(shù)值模擬軟件，對公路順層巖質(zhì)邊坡進行數(shù)值模擬計算，通過巖體位移和應(yīng)力兩個方面進行分析，得出以下結(jié)論：

1）、順層巖質(zhì)邊坡變形破壞特征表現(xiàn)為“先蠕變、后滑移”，破壞模式表現(xiàn)為“滑移-拉裂”式破壞，且具有“淺層大、深層小”、“前部大、后部小”的規(guī)律。

2）、順層巖質(zhì)邊坡中，坡腳處出現(xiàn)剪應(yīng)力集中，強弱風(fēng)化接觸面處剪應(yīng)力較大，且分布不均，表現(xiàn)為前部剪應(yīng)力大于后部剪應(yīng)力；滑體內(nèi)部、坡體下部剪應(yīng)力較均勻，表明滑體有沿強弱風(fēng)化接觸面變形破壞的趨勢。

3）、坡體滑動面為巖層面，巖體層面強度控制滑移面形態(tài)與坡體性。