基于结构面流变特性的重庆市某干线公路顺层滑坡数值模拟研究

赵宝云，陈志平，董倩，王思长

0 引言

重庆作为山地城市，地形高差起伏，地层以一套陆域河湖相碎屑沉积岩，岩性以泥岩和砂岩的不等厚互层为主，构造条件简单，主城区范围内的构造断层少见，岩层均是单斜出现，受干线公路的建设切割影响，形成了与岩层倾向一致的顺向岩质滑坡[1]。受到切割影响的滑坡体较软弱的结构面的临空，导致滑坡岩体沿结构面的整体滑移和失稳，给重庆市干线公路的运营带来了巨大的经济损失。大量工程实践表明，此类滑坡并不是在形成之初就发生滑移，而是具有明显的时效特征。因此，开展此类滑坡软弱结构面的流变特性研究具有极其重要的工程意义和理论价值。

近年来，国内外众多学者[2-5]针对结构面岩体的流变力学特性进行了大量的试验和理论分析，并提出了各种模拟节理剪切蠕变特性和长期强度特征的本构模型。然而，上述研究多集中在室内试验或理论研究方面，对具体工程问题还有待进一步研究。为此，本文在已有研究的基础上，采用非线性粘弹塑性流变模型对重庆市某干线公路典型顺层滑坡进行了数值模拟研究，深入分析了结构面流变作用下滑坡体位移、应力以及安全系数等的变化，旨在揭示此类滑坡的结构面蠕变垮塌机理。

1 流变模型及数值计算模型

1.1 非线性粘弹塑性流变模型

考虑到结构面受降雨、风化等因素的弱化，本文将粘性元件进行了折减，并与塑性元件并联组成非线性粘塑性模型，将该非线性粘塑性模型与三元件广义Kelvin流变模型串联，组成如图1所示岩石非线性粘弹塑性流变模型[6]。该模型也可以看作是修正西原模型的一种。

图1 非线性粘弹塑性流变模型

模型蠕变方程为：

1.2 数值计算模型

本次顺层滑坡模拟，根据现场实际的地质地形条件取典型剖面进行，模型底部取50m，模型右端高取70m。数值计算时模型右边界的水平方向约束，前后边界法向约束和下边界竖向约束，其余边界为自由边界。计算模型网格划分如图2所示。

图2 数值计算模型

1.3 本构模型及参数选取

计算过程中，软弱结构面选取上述非线性粘弹塑性流变模型，基岩及滑体均选取Mohr-Coulomb本构模型。其中，非线性粘弹塑性流变模型通过VC++6.0编译成FLAC3D可识别的后缀名为dll的动态链接库文件[7]。岩体参数见表1、表2所示。

表1 软弱结构面非线性流变模型参数

表2 基岩及滑体力学参数

2 滑坡非线性粘弹塑性流变特性分析

图3 滑坡位移等值线图

图4 滑坡最大主应力等值线图

为进一步分析结构面流变机理，本文在图2中1、2、3位置布置了3个位移监测点，分别为JC1、JC2以及JC3。 图3为滑坡体位移等值线图，可以看出位移主要集中在滑体以及结构面部位，其中，滑体顶点位置位移量最大，达到了9.968cm，说明滑体已经滑落。

图4为滑坡体最大主应力等值线图，可以看出沿着结构面在其上部出现了明显的拉应力区，且拉应力最大值达到了4.8019N。

图5为各监测点位移时间关系曲线，可以看出经过滑移体2.3年缓慢蠕滑后进入加速变形阶段，仅7天左右滑移体破坏，与某顺层滑坡实际建成后垮塌时间大致相同。且监测曲线反映了滑移体衰减蠕变、等速蠕变及加速蠕变三个流变阶段。说明非线性粘弹塑性流变明显可很好地反映此类滑坡的破坏过程。图6为软弱结构面剪切应变等值线图，可以看出结构面已经贯通，此时的稳定系数仅为0.65。

图5 监测点位移监测曲线

3 结论

本文采用非线性粘弹塑性流变模型对重庆市某干线公路典型顺层滑坡进行了数值模拟分析，得到了该滑坡位移、应力分布规律，从而得到了该滑坡结构面滑移破坏规律。结果表明，非线性粘弹塑性流变模型可很好地应用于顺层滑坡的稳定性研究中。

图6 软弱结构面剪切应变等值线图

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