基于結(jié)構(gòu)面流變特性的重慶市某干線公路順層滑坡數(shù)值模擬研究

趙寶云，陳志平，董倩，王思長(zhǎng)

0 引言

重慶作為山地城市，地形高差起伏，地層以一套陸域河湖相碎屑沉積巖，巖性以泥巖和砂巖的不等厚互層為主，構(gòu)造條件簡(jiǎn)單，主城區(qū)范圍內(nèi)的構(gòu)造斷層少見(jiàn)，巖層均是單斜出現(xiàn)，受干線公路的建設(shè)切割影響，形成了與巖層傾向一致的順向巖質(zhì)滑坡[1]。受到切割影響的滑坡體較軟弱的結(jié)構(gòu)面的臨空，導(dǎo)致滑坡巖體沿結(jié)構(gòu)面的整體滑移和失穩(wěn)，給重慶市干線公路的運(yùn)營(yíng)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。大量工程實(shí)踐表明，此類滑坡并不是在形成之初就發(fā)生滑移，而是具有明顯的時(shí)效特征。因此，開(kāi)展此類滑坡軟弱結(jié)構(gòu)面的流變特性研究具有極其重要的工程意義和理論價(jià)值。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者[2-5]針對(duì)結(jié)構(gòu)面巖體的流變力學(xué)特性進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和理論分析，并提出了各種模擬節(jié)理剪切蠕變特性和長(zhǎng)期強(qiáng)度特征的本構(gòu)模型。然而，上述研究多集中在室內(nèi)試驗(yàn)或理論研究方面，對(duì)具體工程問(wèn)題還有待進(jìn)一步研究。為此，本文在已有研究的基礎(chǔ)上，采用非線性粘彈塑性流變模型對(duì)重慶市某干線公路典型順層滑坡進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，深入分析了結(jié)構(gòu)面流變作用下滑坡體位移、應(yīng)力以及安全系數(shù)等的變化，旨在揭示此類滑坡的結(jié)構(gòu)面蠕變垮塌機(jī)理。

1 流變模型及數(shù)值計(jì)算模型

1.1 非線性粘彈塑性流變模型

考慮到結(jié)構(gòu)面受降雨、風(fēng)化等因素的弱化，本文將粘性元件進(jìn)行了折減，并與塑性元件并聯(lián)組成非線性粘塑性模型，將該非線性粘塑性模型與三元件廣義Kelvin流變模型串聯(lián)，組成如圖1所示巖石非線性粘彈塑性流變模型[6]。該模型也可以看作是修正西原模型的一種。

圖1 非線性粘彈塑性流變模型

模型蠕變方程為：

1.2 數(shù)值計(jì)算模型

本次順層滑坡模擬，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的地質(zhì)地形條件取典型剖面進(jìn)行，模型底部取50m，模型右端高取70m。數(shù)值計(jì)算時(shí)模型右邊界的水平方向約束，前后邊界法向約束和下邊界豎向約束，其余邊界為自由邊界。計(jì)算模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

1.3 本構(gòu)模型及參數(shù)選取

計(jì)算過(guò)程中，軟弱結(jié)構(gòu)面選取上述非線性粘彈塑性流變模型，基巖及滑體均選取Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。其中，非線性粘彈塑性流變模型通過(guò)VC++6.0編譯成FLAC3D可識(shí)別的后綴名為dll的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件[7]。巖體參數(shù)見(jiàn)表1、表2所示。

表1 軟弱結(jié)構(gòu)面非線性流變模型參數(shù)

表2 基巖及滑體力學(xué)參數(shù)

2 滑坡非線性粘彈塑性流變特性分析

圖3 滑坡位移等值線圖

圖4 滑坡最大主應(yīng)力等值線圖

為進(jìn)一步分析結(jié)構(gòu)面流變機(jī)理，本文在圖2中1、2、3位置布置了3個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別為JC1、JC2以及JC3。 圖3為滑坡體位移等值線圖，可以看出位移主要集中在滑體以及結(jié)構(gòu)面部位，其中，滑體頂點(diǎn)位置位移量最大，達(dá)到了9.968cm，說(shuō)明滑體已經(jīng)滑落。

圖4為滑坡體最大主應(yīng)力等值線圖，可以看出沿著結(jié)構(gòu)面在其上部出現(xiàn)了明顯的拉應(yīng)力區(qū)，且拉應(yīng)力最大值達(dá)到了4.8019N。

圖5為各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移時(shí)間關(guān)系曲線，可以看出經(jīng)過(guò)滑移體2.3年緩慢蠕滑后進(jìn)入加速變形階段，僅7天左右滑移體破壞，與某順層滑坡實(shí)際建成后垮塌時(shí)間大致相同。且監(jiān)測(cè)曲線反映了滑移體衰減蠕變、等速蠕變及加速蠕變?nèi)齻€(gè)流變階段。說(shuō)明非線性粘彈塑性流變明顯可很好地反映此類滑坡的破壞過(guò)程。圖6為軟弱結(jié)構(gòu)面剪切應(yīng)變等值線圖，可以看出結(jié)構(gòu)面已經(jīng)貫通，此時(shí)的穩(wěn)定系數(shù)僅為0.65。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)曲線

3 結(jié)論

本文采用非線性粘彈塑性流變模型對(duì)重慶市某干線公路典型順層滑坡進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得到了該滑坡位移、應(yīng)力分布規(guī)律，從而得到了該滑坡結(jié)構(gòu)面滑移破壞規(guī)律。結(jié)果表明，非線性粘彈塑性流變模型可很好地應(yīng)用于順層滑坡的穩(wěn)定性研究中。

圖6 軟弱結(jié)構(gòu)面剪切應(yīng)變等值線圖

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