基于Midas的公路順層巖質邊坡破壞機理研究

李相松

（蘇交科集團股份有限公司， 江蘇 南京 211112）

0 引言

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

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

1 工程概況

該公路順層巖質邊坡為東西走向，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）。根據現場工程地質勘察成果，該巖質邊坡地層巖性結構主要由人工填土、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；板巖出露區域較多，板巖強風化層厚約 1～2米，巖體破碎；板巖中風化層節理較發育，巖體較破碎。

該邊坡區域內未發現較大的構造現象，巖體發育有多組節理面，節理面的延展性較好，且局部發育有X型節理，巖體內節理間距1～5米。

根據現場工程地質勘察成果，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，受公路工程建設影響，坡腳存在人工開挖，坡體巖層暴露，為巖質邊坡不穩定性埋下安全隱患。

通過野外現場勘察、室內試驗等技術手段，獲取該巖質邊坡材料參數（見表1），為后續邊坡數值模擬分析提供必要地層材料參數。

圖1 巖質邊坡示意圖

1 結構面和巖體物理力學參數

介質 粘聚力（MPa）內摩擦角（°）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節理面 0.027 16.14 / / / 10 1中風化板巖 4.79 32.87 15.67 2.69 2700 / /未風化板巖 5.51 50.2 15.23 7.85 2700 / /

2 數值模擬與計算分析

2.1 計算模型

運用Midas GTS有限元分析軟件對邊坡進行數值模擬，Midas GTS是一款基于有限元分析算法和巖土結構專業性特點，將二者有機結合而開發的巖土體分析軟件，具有專業性強、快速建模、準確分析、結果直觀的特點，廣泛應用于工程領域。

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

圖2 模型監測點布置圖

2.2 位移分析

邊坡巖土體監測點水平位移監測點時程曲線如圖3所示，從圖中可以看出，順層巖質邊坡坡體位移具有一定的規律。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,說明坡體位移表現出淺層位移大于深層位移的規律。順層巖質邊坡模型的變形破壞首先出現在坡角處，發生蠕變變形，后變形區域逐漸向坡體后部、坡體深部擴張，誘發整個坡體發生滑移破環，導致坡體發生“滑移-拉裂”式破環。

綜上，順層巖質邊坡模型變形破壞表現特征表現為“先蠕變、后滑移”；破壞模式表現為“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”的規律。

圖3 水平位移時程曲線

2.3 應力分析

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

圖4 初始平衡狀態坡體剪應力云圖

圖5 最后穩定狀態坡體剪應力云圖

由圖可知，在坡體內部，初始平衡階段，坡角處呈現應力集中現象，在重力作用下，變形逐漸向邊坡后部發展，且在巖層強弱風化接觸面剪應力分布不均，表現為前部大、后部小的特征，但在滑體內部、坡體下部應力分布相對均勻。

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

3 結論

采用野外現場勘察及室內試驗成果，利用Midas GTS有限元數值模擬軟件，對公路順層巖質邊坡進行數值模擬計算，通過巖體位移和應力兩個方面進行分析，得出以下結論：

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

2）、順層巖質邊坡中，坡腳處出現剪應力集中，強弱風化接觸面處剪應力較大，且分布不均，表現為前部剪應力大于后部剪應力；滑體內部、坡體下部剪應力較均勻，表明滑體有沿強弱風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與坡體性。