軟硬互層順向巖質邊坡失穩變形的離散元模擬

付釗龍

(龍門縣水利水電勘測設計室,廣東 惠州 516800)

1 概述

巖體的軟硬互層結構是由于其沉積歷史的差異性所形成的。在自然中，這種結構的邊坡非常常見，黃達等[1]通過調查中國西部山區的巖體結構發現，具軟硬互層結構的邊坡占調查樣本總體的50%以上。針對該類邊坡結構的特殊性，許多學者進行了相關的研究。黃達等[1]結合離心模型試驗和數值模擬技術，研究了單一層狀反傾巖質邊坡同軟硬互層狀反傾巖質邊坡彎曲傾倒破壞的差異性；李龍起等[2]通過離散元方法和模型試驗，對軟硬互層順向坡的動力破壞模式進行了深入探討，發現其坡體內部裂隙發育主要受拉張作用影響；鄧天鑫等[3]利用離散元軟件UDEC分析了陡傾外軟硬互層斜坡的動力失穩機理，得出了在坡體下部巖體彎曲處和坡頂處，動力響應加速度放大系數增大最為明顯的結論；黃文洪等[4]對結合現場調查和數值模擬方法含軟弱破碎帶高邊坡的定性進行了分析，結果表明，邊坡變形模式受軟弱帶和順層緩傾結構面共同控制。

上述研究主要集中于對邊坡動力響應的研究，然而該類邊坡受其巖質差異性與層間軟弱結構面的影響，在降雨、人類活動等因素導致的重力增加下，也很容易導致邊坡失穩，從而發展為大規模的地質災害，影響人類生活生產安全。在該類邊坡中，高巖層傾角的順層邊坡穩定性較差，因此，有必要對軟硬互層順向巖質邊坡的變形失穩機制進行深入研究。典型的軟硬互層巖體結構示意如圖1所示。

圖1 典型的軟硬互層巖體結構示意[8]

近年來，離散元法成為了解大位移和非線性的問題的有力工具，在模擬巖石破裂[5-6]、邊坡大變形[2-3]等方面表現出明顯的優勢。目前已開發了許多離散元軟件，常用的軟件有UDEC(Universal Distinct Element Code)和PFC(Particle Flow Code)等。但在UDEC軟件中，裂隙只能沿著已有節理擴展[7]，一定程度上限制了邊坡失穩過程的模擬。而PFC軟件是基于牛頓第二定律與力-位移準則下進行的數值計算，能很好地表征坡體滑移的運動過程，因此，本文采用PFC對軟硬互層順向巖質邊坡的失穩變形進行模擬分析。

2 離散元數值模型的建立

2.1 工程地質模型的構建

本文數值模擬模型的原型為軟硬互層巖體[8]，該地層屬于須家河組(∈1)，具備典型的軟硬互層巖性結構，巖層基本物理力學參數見表1所示。

表1 滑坡巖體基本物理力學參數[8]

由于軟硬互層順向巖質邊坡的失穩破壞模式，與邊坡的地形地貌、地層巖性、坡體構造以及巖層的傾角、厚度和層面強度強度密切相關。針對上述變量，對實際復雜邊坡體進行了合理概化，建立的工程地質模型如圖2所示。

模型采用底部和兩側固定，坡頂與坡面臨空的邊界條件。根據參考文獻[9-10]，高巖層傾角(α>50°)的邊坡的穩定性較差，為此，本文將巖層傾角α和坡角θ均設為60°，使模擬具備一定典型性；軟硬巖層等厚，且層厚設置為2 m。另外，為了探究巖質差異性對邊坡失穩破壞的影響，本文分別建立了硬層裸露和軟層裸露兩種模型進行對照分析。然后，在邊坡坡頂前緣、坡腳及兩者之間的軟硬巖層交界處設置監測點，以監測邊坡失穩的位移變化情況。

2.2 細觀參數的設置

由于邊坡模型中存在軟巖、硬巖和層面3種介質，因此需要對三者參數分別進行賦值。PFC的模型庫中有多種本構模型，為了保證模型的力學行為的合理性，對不同的介質應選用不同的本構模型：平行粘結模型(Parallel Bond Contact Model)具有抗拉伸、剪切和力矩效應及黏結破壞——材料宏觀剛度劣化的特點，更適合于模擬巖石破裂過程[7]，因此，對于2種巖石介質，選用平行粘結模型進行模擬；而離散裂隙網絡(Discrete Fracture Network)和光滑節理接觸模型(Smooth Joint Model)相組合的方式可以有效模擬結構面的界面效應[5-7]，因而選用光滑節理接觸模型表征軟硬巖層交界面。

a 軟層裸露邊坡滑移過程應力云圖

a 軟層裸露邊坡滑移過程

a 軟層裸露

a 軟巖單雙軸應力—應變曲線

在PFC中，顆粒的細觀參數可以在軟件中直接賦值，而顆粒集合體所呈現的宏觀性質不易得到。本文采用“試錯法”對模型的宏觀性質進行標定，建立宏觀力學試驗模型，在模型中填充顆粒，然后不斷調整細觀參數，直至細觀參數與模型宏觀力學參數相逼近為止。其中，采用單、雙軸壓縮宏觀力學試驗模型測試2種的巖石材料的泊松比、彈性模量、粘聚力和內摩擦角，采用直接剪切試驗模型測試層面的粘聚力和內摩擦角。

對于軟硬巖層交界面的彈性參數，由于文獻[8]并未提供，其接觸法向剛度kin和切向剛度kis可以根據公式法確定：

(1)

(2)

式中:

ΔZmin——巖層的最小厚度;

K和G——分別為相鄰塊體按比例計算得到的體積模量和剪切模量。

經過多次試算與核對最終確定的細觀參數見表2所示。

表2 PFC模型細觀參數

2.3 細觀參數的驗證

由表2細觀參數確定的宏觀力學性質如圖3所示。

將數值試驗下的宏觀力學參數與表1滑坡巖體基本物理力學參數的平均值進行對比(如表3所示)。可見，數值模型各宏觀力學參數與實際巖體宏觀力學參數匹配程度較高，最大誤差不超過10%，驗證了數值模擬參數的有效性。因此，可認為以此模型展開軟硬互層順向巖質邊坡失穩變形的模擬也是合理的。

表3 數值模擬與實際巖體宏觀力學參數對比

3 邊坡失穩破壞過程分析

3.1 邊坡數值模型的構建與加載條件

硬層裸露和軟層裸露兩種離散元邊坡模型的構建方法一致：首先，根據圖2在地質模型種填充指定粒徑的顆粒，利用solve命令使顆粒達到平衡狀態；并刪除頂部墻體，再對坡體進行平衡；最后對邊坡內3種介質的顆粒進行分組，再以表2細觀參數對不同組分分別賦參，之后再對邊坡內應力進行一次平衡調整。此時邊坡達到了初始平衡狀態。

為模擬實際工程種靜載的作用過程，本文采用逐級增加載荷的方式進行加載，具體形式討論如下：首先，對模型施加重力加速度(1g)，計算至自重平衡；之后，間隔2g對邊坡逐級增加重力荷載，直至滑坡完全破壞，每一級加載都分配充足的時間步，以保證穩定的模型響應。

3.2 邊坡破壞位移曲線分析

選取典型位移監測點1、4、7、11對邊坡位移過程進行分析，圖4給出了逐級加載下兩種邊坡位移曲線的對比。根據位移曲線，將邊坡失穩變形過程分為4個階段：① 起始蠕變階段，隨重力載荷增加無明顯位移，兩種模型該階段都存在于25g之前；② 穩態變形階段，隨靜載增加邊坡開始發生滑移，位移曲線斜率近似線性增加，滑移過程較為穩定，兩種模型該階段都發生于重力載荷約為25g～47g；③ 加速蠕變階段，位移曲線出現拐點，此時位移隨重力增加而急劇增大，該階段硬層裸露邊坡發生于47g～93g，軟層裸露邊坡發生于47g～79g；④ 穩定階段，此時由于邊坡已發生整體滑移破壞，隨著重力荷載的增加，邊坡位移變化不明顯，滑坡趨于穩定，硬層裸露邊坡發生于93g之后，軟層裸露邊坡發生于79g之后。

綜上所述，在同樣的加載模式下，2種模型在初始蠕變到穩態變形階段滑移模式相近；但隨著重力載荷的增加，到達加速蠕變階段時，硬層裸露模型持續時間明顯比軟層裸露模型長，說明軟層裸露的邊坡在發生失穩破壞時反應更為迅速，在實際市政邊坡工程防治中應引起額外關注。

3.3 邊坡失穩過程位移場分析

圖5給出2種邊坡模型失穩過程的位移云圖和巖層輪廓變形過程對比。由圖5可見，軟層裸露和硬層裸露邊坡失穩模式有一定的差異。

1) 當運行至初始蠕變階段結束(25g)時：硬層裸露邊坡整體較穩定，無發生明顯變形；而對于軟層裸露模型，其坡面軟層塊體整體開始產生微小變形，有開始發生下滑的趨勢。

2) 隨著重力載荷的增加，2種邊坡開始發生穩態變形。在坡面約中部僅垂直于坡表作延長線，得到邊坡位移偏轉面，自坡頂到該界面，顆粒位移發生偏轉，由豎直向下的位移逐漸轉為水平向右的位移；由于模型右側存在約束，而位移偏轉面以下顆粒整體呈水平運動狀態，坡底右側顆粒逐漸被向上擠出。由于邊坡滑移呈現以上運動特征，巖層也從中部開始發生彎曲變形，且硬層裸露模型彎曲程度大于軟層裸露模型。在該階段的末尾(46g)：軟層裸露模型坡表軟層塊體發生破碎，并沿其與相鄰硬層交界面發生下滑；硬層裸露模型在坡腳附近發生明顯的鼓脹變形，這是由于模型中硬巖強度大于軟巖，在重力載荷下，坡腳附近軟巖首先發生破壞，進而使其側擴變形增大，從而對未破壞的外部硬巖形成向外的推力所造成，該現象與文獻[2]中動力載荷下邊坡失穩現象相吻合，反映出軟硬互層順向邊坡失穩典型的非均質性。

3) 然后2種邊坡都進入加速蠕變階段，在加速蠕變階段的末尾(硬層裸露79g，軟層裸露93g)：邊坡淺表層巖體整體大規模下滑，而軟層裸露邊坡表層滑體由于破碎程度較高，呈現出散體沿層面下滑的運動模式，而硬層裸露邊坡的滑體由于是由內向外的推力所折斷，破碎后為塊體結構，于是表現為塊體崩落的運動模式；而斜坡下部和坡體內部也開始變形，坡頂發生明顯沉降；坡內巖層均發生了明顯的彎曲，且硬層裸露邊坡彎曲程度高于軟層裸露邊坡。

4) 最后2種邊坡都進入了穩定階段，在重力載荷下，邊坡繼續發生緩慢地下滑，但由于邊界約束，邊坡位移變化較上一階段不明顯，直至最終趨于穩定(125g)。

3.4 邊坡應力場分析

邊坡不同階段下的水平應力云如圖6所示。

1) 在初始蠕變階段，2種模型坡體應力場整體近似，水平壓應力主要集中于坡底的前側位置，而拉應力主要集中于坡頂前緣，坡面至坡腳。另外，發現在軟硬巖層交界面處，存在應力突變的現象，并且由坡表淺層沿邊坡深層，該現象逐漸減緩。

2) 隨著加載的進行，到穩態變形階段，壓應力集中帶從坡底前側分散至坡踵，而張力帶出現集中，軟層裸露模型張力帶轉移至坡頂后緣和坡面位置，而硬層裸露模型張力主要集中于坡頂淺層；軟硬巖層交界面處應力得以釋放，層間應力突變現象逐漸消失。

3) 在加速蠕變階段，邊坡發生整體失穩，坡底壓應力趨于平均，但主要還是集中于坡底前側，張力帶范圍進一步縮小，主要分布于坡表淺層；至穩定階段時，由于邊坡運動趨勢減緩，邊坡后緣拉應力集中現象逐漸消失，邊坡整體應力在水平方向上趨于平均，而在豎直方向上呈現出隨深度增加逐漸增大的趨勢。

4 結語

1) 根據邊坡位移曲線，軟硬互層順向坡失穩過程分為4個階段：起始蠕變階段，穩態變形階段，加速蠕變階段和穩定階段；在起始蠕變和穩態變形階段，兩者位移變化趨勢相近，但在加速蠕變階段時，軟層裸露的邊坡位移響應相比硬層裸露更為迅速，在實際工程中應當引起重視。

2) 在重力作用下，軟硬互層順向坡發生大規模前向滑動，坡頂沉降效應明顯，巖層發生了明顯的彎曲變形；另外，軟層和硬層裸露2種邊坡失穩模式有明顯差異，軟層裸露邊坡呈現為散體沿結構面滑動的失穩模式，而硬層裸露邊坡表現為塊體崩落的模式。

3) 在加載過程中，邊坡內水平應力發生了規律地調整。初期張力帶從坡體前側逐漸集中到坡頂后緣和坡面位置；隨著加載的進行，張力帶范圍縮小，分散至坡表淺層，拉應力集中現象消失；到達穩定階段時，內應力在水平方向上逐漸平均，而豎直方向上呈現出上小下大的趨勢。