某浅变质风化岩失稳边坡的滑动机理分析＊

曾格华 欧湘萍 朱云升 蔡文波 魏朝晖

(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430063)

(武汉市交通基本建设工程质量监督站2) 武汉 430015) (浙江省交通工程建设集团3) 杭州 310051)

贵州地区地形、地质、地貌十分复杂,沟壑密布,公路建设中形成了大量高陡边坡,如近年来修建的崇遵、玉凯、清黄、镇胜等高速公路,都遇到过大量边坡问题.浅变质岩在贵州变质岩区所带来的工程地质问题具有一定的共性,出现了大量的因浅变质岩失稳而导致的滑坡问题.

1 工程实例概况及其滑动面的确定

研究选取的浅变质岩典型失稳边坡南约沟滑坡为该路段路堑开挖导致古滑坡体上部复活,而衍生得一个次级滑坡.边坡开挖接近第6级平台时,右侧斜坡坡口线以上(高程890～894 m)出现多处张裂缝,边界裂缝呈不规则弧形,延伸200多米,斜坡呈现明显的滑坡特征.

滑坡体表层为残坡积黄色粘土夹碎块石及碎石土,厚度2～23 m.覆盖层为滑动变形体,厚度为2～33.6 m,呈黄褐、灰褐色,强风化,岩性为变余杂砂岩,总体产状170∠40°.滑床为青灰色中风化变余杂砂岩,岩层产状100∠20°,与边坡构成横向坡[1].

对该边坡进行ANSYS仿真模拟分析,采用基于弹塑性有限元法,将边坡视为非线性平面应变问题处理.采用ANSYS10.0有限元计算软件计算.选取主滑面断面为计算断面,根据该断面建立对应的边坡模型,视边坡岩体为理想弹塑性材料,采用ANSYS软件自带的Drucker-Prager屈服准则,材料参数如表1所列.荷载只考虑岩土体的自重,按Newton-Rophson迭代算法计算[2].

对有限元计算结果进行分析,主滑面断面塑性变形分布如图1所示,从图中可知,塑性变形分布在强风化层与中风化层的接触面上.

在南约沟边坡出现滑坡现象后,对滑坡采用测斜仪通过钻孔测斜对滑坡进行了监测,通过对数据分析来确定破裂面的位置.

钻孔位移监测采用美国Sinco测斜仪器公司生产的垂直双向数字式测斜仪[3].在主滑断面上分布有5个检测孔,分别为ZK20,ZK21,ZK22, ZK23,ZK24.其中ZK22,ZK23,ZK24孔位移-深度曲线存在如图2～3所示非常明显的突变特征.

图1 边坡塑性变形分布图

图2 钻孔24相对合位移-深度曲线图

表2 有效钻孔对应的滑动面深度

图3 钻孔23相对合位移-深度曲线图

根据上述监控数据所得的对应点滑动面深度,结合之前的塑性区ANSYS分析结果,可以确定主滑断面如图4所示的滑动面方位图.

2 滑坡渐进破坏及滑动过程模拟

按照前述所确定的滑动面方位,将滑动面以上的滑体部分运用有限元软件COSMOS/M建立模型,提出通过在该模型的滑动面节点上施加法向和切向弹簧单元,在迭代计算过程中对弹簧单元进行刚度的改变来对滑动过程中滑动面上受力情况以及破坏规律进行模拟.COSMOS/M有限元软件因其计算速度快精度高而在工程分析中得到广泛选用.

图4 主滑断面滑动面方位图

初始计算时,滑动面的切向和法向均采用硬弹簧约束,第一次计算结束后,摩擦力(切向力)达到最大值的切向弹簧用软弹簧代替,其余切向弹簧用次软弹簧代替,并检验滑动面单元属于上述3种情况中的哪一种.

首先检验切向弹簧力是否满足Mohr-Coulomb破坏准则,即

或

其次,开始进行迭代计算时,沿滑动面方向对节点施加切向力.

若是固定型,则沿切向弹簧方向施加有限元计算得到的切向力,若是滑动型,则沿切向弹簧方向施加最大切向力剩余力将在迭代运算时逐步释放并由其他弹簧承担,直至达到最后的平衡状态.

对于张开型,由于裂纹张开,滑动面不能再承受法向力,理应令法向弹簧刚度为零,考虑到迭代过程中裂纹可能会重新闭合,因而其法向采用软弹簧代替,而施加的切向力可考虑为零,也可考虑有一定的切向粘聚力[4-7].

上述过程可通过对计算结果的二次后处理分析并结合COSMOS/M命令语言自动完成,实际操作即按上述步骤进行.实际的边坡失稳情况,往往属于滑动型的接触摩擦模型.

对滑体进行5次迭代计算所得的塑性区分布图(图中黑色区域)如图5～11所示,滑动面上受力情况见表3所列.

3 结 论

图5 主滑面初步计算拉裂区分布图

图6 主滑面初步计算塑性区分布图

图7 主滑面第一步迭代塑性区分布图

图8 主滑面第二步迭代塑性区分布图

图9 主滑面第三步迭代塑性区分布图

图10 主滑面第四步迭代塑性区分布图

1)在对边坡进行削方施工之后,坡体前缘形成临空面并造成岩体内部应力释放,坡体自前缘逐步松弛至后缘,在后缘形成数条裂缝.

表3 主滑动计算剖面的潜在滑动面受力表

图11 主滑面第五步迭代塑性区分布图

2)根据表3,坡体初步计算安全系数约为1,说明坡体处于临界平衡状态,其内部已有剪切塑性区分布.南约沟滑坡为一古滑坡部分复活的次生滑坡,边坡开挖造成局部应力集中,坡体后缘出现一条明显裂缝,可以认为南约沟滑坡是边坡开挖造成.

3)初始计算之后,该断面的潜在滑动面上分布有一定长度的剪切塑性区.坡体后缘拉裂缝的产生使得该处形成了两个自由面,裂缝形成之前作用在这两个面上的拉应力消失,而同时拉裂缝的逐步变宽而使得自由面发生相对位移,根据Griffith能量理论,消失了的拉应力对该位移做负功,坡体内部应变能减小,这部分能量将以对自由面的阻力以及使得滑体产生位移的形式表现出来,这就使得原本稳定的坡体中部逐渐产生滑动并形成剪切塑性区,直接表现为滑动面上塑性区的分布范围逐步向下在锁固段扩展.

4)由断面滑面受力表可以表明,滑动面上的下滑力基本保持不变,抗滑力随着滑面上塑性区的逐步扩展而逐渐减小,使得坡体安全系数随之减小.

南约沟滑坡处于断层破碎影响带内,强风化层岩石结构松散,风化裂隙发育,岩质较软,泥化较严重,加上附近农业灌溉以及地下水位较高致使抗剪强度降低,而坡体风化层较厚,自身重力较大,这些因素的综合作用下,致使坡体产生蠕滑,进而产生大位移的滑动.

根据上述的理论分析结合现场破坏迹象,按照成都理工大学王兰生、张倬元等提出的蠕滑-拉裂、滑移-压致拉裂、滑移-拉裂、弯曲-拉裂、塑流-拉裂、滑移-弯曲等6种斜坡变形主要模式[8],可以判断南约沟滑坡主要是以蠕滑-拉裂为主,伴随有滑移-拉裂,另坡面有弯曲-拉裂模式的滑动.

[1] 贵州省交通规划勘察设计研究院,三凯高速公路施工阶段工程地质勘察报告[R].贵阳：贵州省交通规划勘察设计研究院,2005.

[2] 赖永标,胡仁喜,黄书珍.ANSYSY10.0土木工程有限元分析典型范例[M].北京：电子工业出版社, 2007.

[3] 谭捍华,罗 强,柳治国.风化岩滑坡滑面判定与综合整治[J].路基工程,2008(3)：188-189.

[4] 朱典文,唐小兵,谢支钢.边坡稳定性分析的数值解研究[J].武汉理工大学学报：交通科学与工程版, 2003,27(6)：856-859.

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

[6] 王庚荪.边坡的渐进性破坏及稳定性分析[J].岩石力学与工程学报,2001(19)：29-33.

[7] 傅永华,刘世凯.大型工程有限元分析软件COSMOS/M的开发与应用[J].力学与实践,1999, 21(1)：78-82.

[8] 李天斌,王兰生.岩质工程高边坡稳定性及其控制[M].北京：科学出版社,2008.