某淺變質風化巖失穩邊坡的滑動機理分析＊

曾格華 歐湘萍 朱云升 蔡文波 魏朝暉

(武漢理工大學交通學院1) 武漢 430063)

(武漢市交通基本建設工程質量監督站2) 武漢 430015) (浙江省交通工程建設集團3) 杭州 310051)

貴州地區地形、地質、地貌十分復雜,溝壑密布,公路建設中形成了大量高陡邊坡,如近年來修建的崇遵、玉凱、清黃、鎮勝等高速公路,都遇到過大量邊坡問題.淺變質巖在貴州變質巖區所帶來的工程地質問題具有一定的共性,出現了大量的因淺變質巖失穩而導致的滑坡問題.

1 工程實例概況及其滑動面的確定

研究選取的淺變質巖典型失穩邊坡南約溝滑坡為該路段路塹開挖導致古滑坡體上部復活,而衍生得一個次級滑坡.邊坡開挖接近第6級平臺時,右側斜坡坡口線以上(高程890～894 m)出現多處張裂縫,邊界裂縫呈不規則弧形,延伸200多米,斜坡呈現明顯的滑坡特征.

滑坡體表層為殘坡積黃色粘土夾碎塊石及碎石土,厚度2～23 m.覆蓋層為滑動變形體,厚度為2～33.6 m,呈黃褐、灰褐色,強風化,巖性為變余雜砂巖,總體產狀170∠40°.滑床為青灰色中風化變余雜砂巖,巖層產狀100∠20°,與邊坡構成橫向坡[1].

對該邊坡進行ANSYS仿真模擬分析,采用基于彈塑性有限元法,將邊坡視為非線性平面應變問題處理.采用ANSYS10.0有限元計算軟件計算.選取主滑面斷面為計算斷面,根據該斷面建立對應的邊坡模型,視邊坡巖體為理想彈塑性材料,采用ANSYS軟件自帶的Drucker-Prager屈服準則,材料參數如表1所列.荷載只考慮巖土體的自重,按Newton-Rophson迭代算法計算[2].

對有限元計算結果進行分析,主滑面斷面塑性變形分布如圖1所示,從圖中可知,塑性變形分布在強風化層與中風化層的接觸面上.

在南約溝邊坡出現滑坡現象后,對滑坡采用測斜儀通過鉆孔測斜對滑坡進行了監測,通過對數據分析來確定破裂面的位置.

鉆孔位移監測采用美國Sinco測斜儀器公司生產的垂直雙向數字式測斜儀[3].在主滑斷面上分布有5個檢測孔,分別為ZK20,ZK21,ZK22, ZK23,ZK24.其中ZK22,ZK23,ZK24孔位移-深度曲線存在如圖2～3所示非常明顯的突變特征.

圖1 邊坡塑性變形分布圖

圖2 鉆孔24相對合位移-深度曲線圖

表2 有效鉆孔對應的滑動面深度

圖3 鉆孔23相對合位移-深度曲線圖

根據上述監控數據所得的對應點滑動面深度,結合之前的塑性區ANSYS分析結果,可以確定主滑斷面如圖4所示的滑動面方位圖.

2 滑坡漸進破壞及滑動過程模擬

按照前述所確定的滑動面方位,將滑動面以上的滑體部分運用有限元軟件COSMOS/M建立模型,提出通過在該模型的滑動面節點上施加法向和切向彈簧單元,在迭代計算過程中對彈簧單元進行剛度的改變來對滑動過程中滑動面上受力情況以及破壞規律進行模擬.COSMOS/M有限元軟件因其計算速度快精度高而在工程分析中得到廣泛選用.

圖4 主滑斷面滑動面方位圖

初始計算時,滑動面的切向和法向均采用硬彈簧約束,第一次計算結束后,摩擦力(切向力)達到最大值的切向彈簧用軟彈簧代替,其余切向彈簧用次軟彈簧代替,并檢驗滑動面單元屬于上述3種情況中的哪一種.

首先檢驗切向彈簧力是否滿足Mohr-Coulomb破壞準則,即

或

其次,開始進行迭代計算時,沿滑動面方向對節點施加切向力.

若是固定型,則沿切向彈簧方向施加有限元計算得到的切向力,若是滑動型,則沿切向彈簧方向施加最大切向力剩余力將在迭代運算時逐步釋放并由其他彈簧承擔,直至達到最后的平衡狀態.

對于張開型,由于裂紋張開,滑動面不能再承受法向力,理應令法向彈簧剛度為零,考慮到迭代過程中裂紋可能會重新閉合,因而其法向采用軟彈簧代替,而施加的切向力可考慮為零,也可考慮有一定的切向粘聚力[4-7].

上述過程可通過對計算結果的二次后處理分析并結合COSMOS/M命令語言自動完成,實際操作即按上述步驟進行.實際的邊坡失穩情況,往往屬于滑動型的接觸摩擦模型.

對滑體進行5次迭代計算所得的塑性區分布圖(圖中黑色區域)如圖5～11所示,滑動面上受力情況見表3所列.

3 結 論

圖5 主滑面初步計算拉裂區分布圖

圖6 主滑面初步計算塑性區分布圖

圖7 主滑面第一步迭代塑性區分布圖

圖8 主滑面第二步迭代塑性區分布圖

圖9 主滑面第三步迭代塑性區分布圖

圖10 主滑面第四步迭代塑性區分布圖

1)在對邊坡進行削方施工之后,坡體前緣形成臨空面并造成巖體內部應力釋放,坡體自前緣逐步松弛至后緣,在后緣形成數條裂縫.

表3 主滑動計算剖面的潛在滑動面受力表

圖11 主滑面第五步迭代塑性區分布圖

2)根據表3,坡體初步計算安全系數約為1,說明坡體處于臨界平衡狀態,其內部已有剪切塑性區分布.南約溝滑坡為一古滑坡部分復活的次生滑坡,邊坡開挖造成局部應力集中,坡體后緣出現一條明顯裂縫,可以認為南約溝滑坡是邊坡開挖造成.

3)初始計算之后,該斷面的潛在滑動面上分布有一定長度的剪切塑性區.坡體后緣拉裂縫的產生使得該處形成了兩個自由面,裂縫形成之前作用在這兩個面上的拉應力消失,而同時拉裂縫的逐步變寬而使得自由面發生相對位移,根據Griffith能量理論,消失了的拉應力對該位移做負功,坡體內部應變能減小,這部分能量將以對自由面的阻力以及使得滑體產生位移的形式表現出來,這就使得原本穩定的坡體中部逐漸產生滑動并形成剪切塑性區,直接表現為滑動面上塑性區的分布范圍逐步向下在鎖固段擴展.

4)由斷面滑面受力表可以表明,滑動面上的下滑力基本保持不變,抗滑力隨著滑面上塑性區的逐步擴展而逐漸減小,使得坡體安全系數隨之減小.

南約溝滑坡處于斷層破碎影響帶內,強風化層巖石結構松散,風化裂隙發育,巖質較軟,泥化較嚴重,加上附近農業灌溉以及地下水位較高致使抗剪強度降低,而坡體風化層較厚,自身重力較大,這些因素的綜合作用下,致使坡體產生蠕滑,進而產生大位移的滑動.

根據上述的理論分析結合現場破壞跡象,按照成都理工大學王蘭生、張倬元等提出的蠕滑-拉裂、滑移-壓致拉裂、滑移-拉裂、彎曲-拉裂、塑流-拉裂、滑移-彎曲等6種斜坡變形主要模式[8],可以判斷南約溝滑坡主要是以蠕滑-拉裂為主,伴隨有滑移-拉裂,另坡面有彎曲-拉裂模式的滑動.

[1] 貴州省交通規劃勘察設計研究院,三凱高速公路施工階段工程地質勘察報告[R].貴陽：貴州省交通規劃勘察設計研究院,2005.

[2] 賴永標,胡仁喜,黃書珍.ANSYSY10.0土木工程有限元分析典型范例[M].北京：電子工業出版社, 2007.

[3] 譚捍華,羅 強,柳治國.風化巖滑坡滑面判定與綜合整治[J].路基工程,2008(3)：188-189.

[4] 朱典文,唐小兵,謝支鋼.邊坡穩定性分析的數值解研究[J].武漢理工大學學報：交通科學與工程版, 2003,27(6)：856-859.

[5] 朱云升,李洪亮.道路滑坡穩定性分析有限元方法研究[J].公路交通科技,2007(4)：56-61.

[6] 王庚蓀.邊坡的漸進性破壞及穩定性分析[J].巖石力學與工程學報,2001(19)：29-33.

[7] 傅永華,劉世凱.大型工程有限元分析軟件COSMOS/M的開發與應用[J].力學與實踐,1999, 21(1)：78-82.

[8] 李天斌,王蘭生.巖質工程高邊坡穩定性及其控制[M].北京：科學出版社,2008.