等厚順層巖質邊坡穩定性的模型試驗研究及數值驗證

張 璟，陳文勝，蔣茂林

(1.新疆交通科學研究院 烏魯木齊市 830000； 2.干旱荒漠區公路工程技術交通行業重點實驗室 烏魯木齊市 830000；3.長沙理工大學 土木工程學院 長沙市 410004)

0 引言

新疆天山區域、昆侖山區域面積遼闊，眾多路線穿越深切河谷和峽谷陡坡坡角附近，周圍山勢陡峭，巖性復雜多變，公路路塹深邊坡穩定性差，近些年來，國內外對層狀巖質邊坡穩定性的研究越來越重視，也取得了一些研究成果。

陳從新[1]以相似理論為依據進行了物理模型試驗，研究了順層巖石邊坡的變形破壞機制以及邊坡巖體的巖層傾角對邊坡穩定性的影響；左保成[2]針對京珠高速公路某邊坡原型進行了數組相似模擬地質模型試驗,研究了巖層傾角、層面強度等因素對反傾巖質邊坡穩定性的影響；蔣青青[3]利用有限元數值軟件FLAC3D模擬層狀三維遍布節理，研究分析了巖層傾向和坡角對邊坡穩定性的影響規律；林杭[4]運用有限元數值軟件FLAC2D模擬了層狀巖體邊坡在不同結構面傾角的穩定性。程東幸[5]以廣西某水電站邊坡工程的地質模型為工程背景，借助離散元軟件3DEC模擬了結構體和層面不同影響參數對邊坡穩定性的影響，提出了邊坡反傾巖層優勢角的范圍。

以上研究主要是基于開挖擾動狀態下的穩定性分析，對于未擾動的坡體穩定性的研究并不常見，且在數值分析方面多以有限元軟件Flac2D,3D和離散元軟件UDEC及3DEC為主，對于石華根博士提出的非連續變形理論分析方法DDA軟件應用的并不多[6-7]。本文將以未擾動的等厚順層巖質坡體為模型進行物理試驗，研究其穩定性影響因素及失穩破壞機制，并結合DDA軟件對物理試驗工況進行數值模擬驗證分析。

1 模型試驗概況

1.1 試驗模型設計

室內旋轉邊坡模型裝置主要包括模型支架、旋轉平臺、抬升系統和測量系統。模型試驗的基本模型如圖1所示。

模型試驗以天山公路某等厚層狀巖體為原型，以現代地質力學理論和相似理論為基礎，取Cl=100，Cγ=1.5。根據相似判據得相似條件如下：

在實際模型試驗中，并不能全部滿足相似判據，只能是使其中的某些條件滿足相似判據，從而進行試驗模擬。由于原始邊坡的巖層產狀比較穩定,本試驗在設計模型時選擇統一的巖層傾角來進行模型試驗。為了反映原始邊坡的層狀性質,同時考慮到模塊制作的方便及模塊性質的穩定性,試驗所用模塊尺寸為185mm×85mm×50mm和240mm×120mm×53mm的磚塊,以磚塊的厚度(50mm)模擬層狀巖體的厚度，結構面的內摩擦角為33°，共10層。

1.2 試驗方法

試驗共分為4組，用兩種大小不同的模塊分別模擬兩種節理密度分布的坡體穩定性試驗，1至4組試驗坡體依次為：小塊體大密度節理、小塊體小密度節理、大塊體大密度節理、大塊體小密度節理。將坡腳一端的最底層塊體固定防止滑動，塊體之間相互不粘結，以模擬巖體節理裂隙，將每組試驗模型體邊坡與巖層的夾角設為20°、25°、30°、35°、40°、45°六種不同工況，巖層的傾角隨著模型體一端的轉動抬升而不斷增大，直至坡體失穩破壞。在模型坡體的臨空地表坡面、模型坡體的中間部位及靠近坡體背面的重要部位布置了15個測點，其布置圖及模型體安裝圖見圖2。

小塊體厚度均為50mm，其大密度節理間隙為185mm，小密度節理間隙為85mm；大塊體厚度均為53mm，其大密度節理間隙為240mm，小密度節理間隙為120mm；內摩擦角均為33°，環境溫度為(20±5)℃，相對濕度70%，塊體力學參數如表1。

表1 巖體力學參數

2 試驗過程及結果分析

2.1 邊坡失穩過程的變形規律

圖3(a)～圖3(f)為小塊體模型試驗中邊坡與巖層夾角20°至45°時傾角-位移曲線圖，由圖可以看出：

(1)當巖層傾角增大至某一角度時，坡體臨空坡面上端部位的塊體突然滑動，使坡體產生部分變形，暫停抬升傾角靜置一會后坡體處于穩定狀態，這說明坡體在發生破壞變形后產生了應力重分布，使坡體達到一個新的穩定狀態。繼續抬升傾角，增大至一定角度時，坡體發生整體破壞，分兩次破壞的情況主要發生在圖3(a)、圖3(c)、圖3(e)、圖3(f)組坡體中，其余兩組坡體都是一次性整體破壞。

(2)在發生第一次破壞前，無論是橫向位移還是縱向位移，都是坡面上部9#測點的位移最大。由圖表我們可以看出，巖層傾角越大，塊體的變形速度越快，在坡面部位由上至下變形速度會逐漸減小，坡腳部位的變形速度最小，同樣在坡體內部，下部的變形速度明顯小于上部的變形速度，整個坡體變形速度最小的部位出現在坡腳處及坡體底部最上端。這說明順層巖質邊坡發生破壞，首先從邊坡坡頂產生變形，以滑動拉裂破壞為主。

(3)邊坡傾角抬升的過程中，邊坡的形變并不一直是向下滑移，也會有向上突起的情況，因不同部位塊體的下滑力和摩擦系數有所差異，當同一層靠上的塊體產生的下滑力不足以推動下端的塊體產生變形時，則會有向上突起的趨勢，從而產生擠壓變形。

(4)順層巖體坡體的破壞主要以滑移破壞為主，并伴隨有傾倒變形。在坡體發生滑動破壞時，上層塊體下滑過程中的下滑力不足以抵消下層塊體所帶來的摩擦力時，動能傳遞至下層塊體，從而產生了傾倒破壞。

(5)除了圖3(b)組坡體，其余坡體發生破壞變形均是在巖層傾角大于層間內摩擦角時，這說明巖層傾角大于內摩擦角是層狀坡體產生破壞變形的主要條件之一。

2.2 節理密度對邊坡穩定性的影響規律

對四組試驗數據進行處理，第1、第2組小塊體試驗破壞及變形曲線如圖4(a),第3、第4組大塊體試驗破壞及變形曲線如圖4(b),試驗中沒有發生兩次破壞的該組數據未放入圖中。

(1)兩組試驗中小密度節理坡體破壞時的傾角均大于大密度節理坡體破壞時的傾角，說明節理裂隙密度對邊坡的穩定性影響較大，同一坡體中，節理裂隙密度越小，邊坡越穩定。

(2)相較于第1組大密度節理坡體試驗，第2組試驗中坡體破壞時的巖層傾角曲線更為平穩，保持在36°附近，沒有出現較大的波動。同樣在第3、第4組試驗中破壞曲線也沒有大的波動，因此將第1組試驗30°夾角的坡體與其他組試驗坡體對比，30°夾角坡體的各層節理裂隙連續、幾乎完全貫通，走向與巖層的夾角為88°接近垂直，各層塊體之間缺乏咬合作用力，因此，在巖層傾角僅為26.8°時就發生了傾倒破壞。而其他三組試驗的節理裂隙分布更均勻，沒有出現完全貫通節理，推測第1組試驗中30°坡角首先發生破壞的原因是由于貫通節理造成的。

(3)觀察試驗中首次變形和最終破壞時巖層傾角曲線，發現兩組曲線的波動走向一致，這說明坡體穩定性受巖體結構面的影響較大,受坡角的影響并不明顯。

2.3 巖層傾角對邊坡穩定性的影響規律

對第1組試驗數據處理，生成50°和55°坡角時的傾角位移曲線如圖5、圖6。

由圖5、圖6分析：

(1)當坡角一樣時，無論是橫向位移，還是縱向位移，都是隨著巖層傾角的增大而增大。這說明當相同坡角的坡體，在內摩擦角相同時，巖層傾角越大越容易產生破壞變形，坡體穩定性越小。

(2)在坡角一樣的坡體中，節理的貫通性比巖層傾角對坡體的穩定性影響大。

3 DDA數值模擬驗證

3.1 巖質邊坡模型主要參數

設定巖層傾角為30°，巖層與坡面的夾角為45°，塊體尺寸為100mm×50mm×80mm，即巖層厚度為50mm，節理間隙為100mm。模型如圖7所示。

以前面所做物理模型試驗為算例，沿用物理力學參數和結構面參數，內摩擦角設為30°便于建模，具體參數見表1、表2。

表2 結構面力學參數

3.2 數值模擬分析

對坡面及坡體內部共設置了6個位移監測點，監測其橫向和縱向位移，具體數據處理如圖8。

我們進行了坡面、坡頂和坡體內部位移速度的相互對比：

(1)由各個測點的位移-時間圖我們發現，無論是橫向位移還是縱向位移，都是坡面頂端位移最大，變形速度最快。

(2)在坡面部位由上至下變形速度會逐漸減小，坡腳部位的變形速度最小，同樣在坡體內部，下部的變形速度明顯小于上部的變形速度，整個坡體變形速度最小的部位出現在坡腳處及坡體底部最上端。這說明順層邊坡的變形破壞首先發生在臨空面靠近地表部位，產生拉裂破壞。

4 結論

(1)順層巖質坡體發生的破壞主要受巖層傾角和節理裂隙兩大因素影響，在節理分布情況較好，即貫通性節理少時，坡體發生整體破壞的主要條件是巖層傾角大于結構面內摩擦角，但是在巖層傾角小于內摩擦角時坡體也有可能發生局部變形，主要表現在坡頂巖層滑動破壞；在巖體中節理貫通性好時，坡體的穩定性將主要受節理條件影響，貫通性節理越大，邊坡越不穩定。

(2)等厚順層巖質邊坡發生第一次破壞前，無論是橫向位移還是縱向位移，都是坡面頂部附近的位移最大。在發生破壞變形的過程中，坡面部位由上至下變形速度會逐漸減小，坡腳部位的變形速度最小，同樣在坡體內部，下部的變形速度明顯小于上部的變形速度，整個坡體變形速度最小的部位出現在坡腳處及坡體底部最上端。這說明順層巖質邊坡發生破壞，首先從邊坡坡頂產生變形，以滑動拉裂破壞為主。

(3)順層巖體坡體的破壞主要以滑移破壞為主，并伴隨有傾倒變形。在坡體發生滑動破壞時，上層塊體下滑過程中的下滑力不足以抵消下層塊體所帶來的摩擦力時，動能傳遞至下層塊體，從而產生了傾倒破壞。

(4)節理裂隙密度、走向和巖層傾角對邊坡的穩定性影響較大，同一坡體中，節理裂隙密度越小，邊坡越穩定；在內摩擦角相同時，巖層傾角越大越容易產生破壞變形，邊坡越不穩定。

(5)DDA數值模擬很好地驗證了物理模型試驗中邊坡失穩過程的變形規律，同時也驗證了非連續變形理論分析方法的正確性和DDA軟件的實用性。