基于離散元方法的反傾層狀巖質邊坡變形破壞影響因素研究

杜 宇

(黑龍江省哈爾濱市延壽縣關門山水庫灌區服務中心,黑龍江 延壽 150779)

0 引 言

針對反傾巖質邊坡破壞機理,國內外學者進行了相關研究。Adhikary等[1]對反傾軟硬互層巖質邊坡進行了離心機試驗,得出反傾軟硬互層邊坡變形破壞特征以及相應演化規律,并提出了解決方法。Amini[2]運用理論與試驗相結合的方法,分析邊坡變形破壞特征,揭示了反傾層狀巖質邊坡破壞規律。顧東明等[3]采用離散元方法,對三峽庫區反傾巖質滑坡演化過程進行模擬,結果表明龔家坊滑坡的關鍵控制部位為中部厚層灰巖,坡腳薄層巖體易出現彎曲傾倒變形破壞現象。姚曄等[4]對反傾層狀碎裂結構巖質邊坡開展基底摩擦試驗,分析位移、變形、彎折角等因素對巖質邊坡的影響,揭示了該類邊坡破壞機制及相應空間演化規律。黃少平等[5]采用3DEC軟件以及數理統計系統,對反傾巖質邊坡進行了研究,結果表明當存在3個臨空面時,邊坡變形最大。黃達等[6]對軟硬互層巖質邊坡傾倒模型進行了研究,結果表明軟硬互層巖質邊坡的破壞模式與傳統單一巖層邊坡破壞模式之間存在明顯差異,其破裂面呈弧線形。

上述研究主要集中在對反傾層狀巖質邊坡的破壞機理上,較少對該類邊坡變形破壞影響因素進行研究。因此,本文基于前人研究的基礎上,結合UDEC離散元數值模擬方法,對影響反傾層狀巖質邊坡破壞因素的敏感性進行分析,并得出相應結論,為今后工程建設中處理反傾層狀巖質邊坡失穩問題提供參考與借鑒。

1 工程概況

某反傾層狀巖質邊坡所處地段為中高山深切割地貌,深切割深度0.6～1.3km,地勢險峻,高差大,地形坡度50°～70°。兩岸階地較為發育,以三級階地為主。該邊坡的破壞模式為傾倒崩塌破壞,崩塌體整體呈現喇叭狀,有較為明顯的傾倒彎曲變形體出露。

通過對現場進行勘察發現,該區域地層主要是第四系和上志留統,上覆層以粉質黏土為主,厚度較薄,下覆基巖為上志留統以及薄層或薄層板巖為主,分布連續,產狀為NW280°～330°/SW72°～87°,邊坡板理面以及巖層層理面發育較好。由于該區域存在地表常年性支流,根據預估流量,地表水沖刷作用較強。

2 UDEC基本理論

UDEC是ITASCA公司旗下的一款塊體離散元軟件,可用于非連續介質在動靜荷載作用下時力學響應特征,基于UDEC能更為真實地模擬層狀巖質邊坡的破壞特征以及相應變形規律問題。UDEC離散元軟件中本構模型主要分為7類:彈性模型、D-P塑性模型、M-C塑性模型、應變軟化/硬化模型、堆砌節理模型、雙屈服模型、M-C模型。

本文將邊坡模型進行簡化,通過改變邊坡模型的坡高、巖層傾角等因素,分析巖質邊坡結構變化對邊坡變形破壞特征的影響。將邊坡視為均質層狀邊坡,僅考慮層面結構對反傾巖質邊坡的影響。巖層塊體單元采用Mohe-Coulomb(彈-塑)本構模型,巖體采用摩爾-庫倫本構模型,層理結構面采用連續屈服模型,層理采用庫倫滑移模型。

3 反傾層狀巖質邊坡模型建立

3.1 細觀參數標定

數值模擬的正確性取決于細觀參數的確定,室內力學試驗可直接獲得宏觀力學參數,包括抗壓強度、內摩擦角、黏聚力等。而UDEC離散元數值模擬軟件并未給出細觀力學參數與宏觀力學參數之間的定量關系表達式,因此本文采用試驗結果,通過不斷調試模擬試驗結果,將試樣的應力-應變曲線作為驗證項目,得到其細觀參數。

巖體參數由變形參數、強度參數兩方面組成。由于巖體具有非均質、不連續等方面特點,在巖體力學中,泊松比u的變化幅度不大,遠小于彈性模量E、黏聚力C、內摩擦角φ的變化。因此在計算模型中,將泊松比u當成已知量,將彈性模量E、黏聚力C、內摩擦角φ當成反演參數。

以下將針對彈性模量E、黏聚力C、內摩擦角φ進行參數反演,得到合理參數。通過細觀參數標定得到的細觀參數見表1;應力-應變擬合曲線見圖1。

圖1 應力-應變擬合曲線

表1 材料參數

3.2 三維模型建立

本文以實際邊坡勘察資料為基礎,建立反傾層狀巖質邊坡模型。由于邊坡結構各因素對邊坡的影響,因此在坡表以及邊坡內部均布設監測點位,具體參數如下:邊坡高度100m,坡度60°。監測點位布設見圖2。

圖2 反傾層狀巖質邊坡模型

4 反傾層狀巖質邊坡的變形破壞特征

4.1 巖層傾角

根據層狀邊坡特性可知,巖層傾角變化會導致層狀邊坡變形破壞特征發生變化,對不同巖層傾角下邊坡進行數值模擬。圖3為坡角60°、坡高100m時最大位移量隨傾角變化圖。

圖3 最大位移量隨傾角變化圖

由圖3可知,邊坡坡腳基本不發生變形,因此JC1位移變形量較小。除JC1以外,其余監測點位的變化規律基本相同,邊坡最大位移量隨巖層傾角的增大而不斷增大,位移量的增大程度隨著邊坡傾角的增大而減小。因此可以推知,巖層傾角對邊坡的變形破壞有顯著影響。

4.2 坡 角

坡角的不同會導致邊坡破壞特征產生顯著差異。在邊坡坡角較緩時,邊坡更穩定,不易破壞;隨著邊坡坡角的不斷增大,邊坡穩定性也隨之降低,邊坡易出現變形破壞跡象。

圖4為巖層傾角60°、坡高100m時最大位移量隨坡角變化圖。

圖4 最大位移量隨坡角變化圖

由圖4可知,邊坡最大位移量隨坡角的增大而不斷增大,位移量的增大程度隨著邊坡坡角的增大而增大。通過圖4還可知,除JC2以外,其余監測點位所監測的位移值顯示邊坡位移變化增幅隨著坡角的增大而增大,表明坡角的增大會導致邊坡變形破壞程度嚴重。

4.3 坡 高

反傾層狀巖質邊坡的坡高不同會對邊坡破壞特征產生顯著影響,對不同坡高情況下邊坡進行數值模擬。圖5為巖層傾角60°、坡角60°時最大位移量隨坡高變化圖。

圖5 最大位移量隨坡高變化圖

由圖5可知,邊坡最大位移量隨坡高的增大而增大,但變形破壞模式基本不變。因此可知,坡高變化對位移量有部分影響,但對邊坡破壞形式的變化基本無影響。表明邊坡坡高的增加對位移量的變化有一定的影響,但對其整體變形破壞模式的影響不大。

5 反傾層狀巖質邊坡結構敏感性分析

5.1 傾角-位移敏感性分析

以傾角65°為基準,考慮巖層傾角變化對邊坡位移變化增量的影響。取45°～85°共9組(每隔5°)傾角進行分析,建立邊坡總位移敏感性關系。圖6為不同巖層傾角下邊坡變形位移敏感分析圖。

圖6 傾角-位移敏感性分析

由圖6可知,巖層傾角的變化對邊坡變形破壞影響顯著。巖層傾角45°時,其位移量最小,并隨著傾角增大而增大;在巖層傾角較大時,邊坡位移量明顯增加,但此時邊坡位移增長幅度略有下降;邊坡位移增量變化在-1.6～0.65的區間內,其最大值為0.65,最小值為-1.6,表明巖層傾角的變化使位移量發生變化顯著。因此,可以推測巖層傾角變化對該類邊坡變形破壞模式影響較大。

5.2 坡角-位移敏感性分析

圖7為不同坡角下邊坡變形位移敏感分析圖。

圖7 坡角-位移敏感分析

由圖7可知,邊坡位移隨坡角的增大而增大。坡角靠近兩側邊界時,邊坡位移量增幅顯著增大,各監測點的變化呈現出相似的變形趨勢,表明坡角的增大導致巖層彎曲程度提高,邊坡幾何形態發生變化,彎曲傾倒變形現象更為明顯。邊坡位移增量變化在-2.9～4.5的區間內,其最大值為4.5,最小值為-2.9,表明坡角的變化使位移量發生變化顯著。因此,可以推測邊坡坡角變化對該類邊坡變形破壞模式影響較大。

5.3 坡高-位移敏感性分析

圖8為不同坡高下邊坡變形位移敏感分析圖。

圖8 不同坡高下邊坡變形位移敏感分析

由圖8可知,邊坡高度的增加會導致邊坡折線深度增加,進而導致邊坡變形位移量增大。當坡高位于50～100m范圍時,其位移變化率為-1.5～1.1。因此可知坡高變化對位移量有部分影響,但對邊坡破壞形式的變化基本無影響。

6 結 論

本文通過對反傾層狀巖質邊坡變形破壞影響因素進行研究,基于離散元UDEC數值模擬方法,建立簡化二維數值模型并布設相應監測點位,得出影響反傾層狀巖質邊坡破壞的基本要素,并對邊坡結構敏感性進行定量分析。結論如下:

1)邊坡變形位移量隨著巖層傾角、坡角、坡高的增大而增大,邊坡結構-最大位移量曲線的變化趨勢基本相同。

2)坡高的增加會導致巖層折斷深度增大,但變形破壞模式基本不變。

3)坡角的增大導致巖層彎曲程度提高,邊坡幾何形態發生變化,彎曲傾倒變形現象更為明顯。

4)巖層傾角、坡角的變化對邊坡變形破壞有顯著影響。