反倾层状边坡变形破坏离散元数值模拟研究

王秀菊

(南京交通职业技术学院 建筑工程系， 南京 211188)

反倾层状边坡变形破坏离散元数值模拟研究

王秀菊

(南京交通职业技术学院 建筑工程系， 南京 211188)

针对工程实践中常见的反倾层状岩体边坡，在室内不同浸水时间三轴试验数据分析基础上分析了软化效应．然后运用离散元UDEC方法建立了反倾层状边坡数值模型，考虑水的劣化效应，研究不同坡高、坡角、结构面倾角、结构面强度对边坡稳定性的影响及变形破坏范围，探讨了反倾层状边坡水劣化作用下的变形破坏机理．结果表明：坡脚软化在许多情况下是最不利的因素；层面倾角超过50°时，边坡具备产生强烈倾倒变形条件，反之则以折断滑动为主；随着结构面摩擦力和粘聚力的减小，边坡的潜在破坏范围和深度呈现增大趋势．研究结果可为倾倒变形边坡的工程治理提供参考．

反倾层状边坡； 水劣化； 数值模拟； 离散元法; 稳定性

岩石遇水软化现象普遍存在于我国重大工程建设中的岩体工程中，是造成边坡、基坑、隧道等变形破坏或产生安全隐患的重要因素[1]．尤其是反倾层状岩体，潜在滑动面通常并不沿着结构面，而是呈现倾倒变形破坏模式，其变形破坏与坡角、结构面倾角、坡高、结构面参数等密切相关，变形破坏机理复杂，是岩石力学与工程、水利水电工程领域的关心问题之一[2-5]．

倾倒变形破坏[6-7]是反倾岩质层状边坡的一种典型破坏失稳形式．边坡变形时除了沿着结构面错动外，边坡上部的浅表层可能会向临空方向产生弯曲、折断[8-10]，按照其力学模式可以分成块状倾倒、弯曲倾倒和块状-弯曲组合式倾倒，分别对应图1所示左中右3图．

图1 常见倾倒变形破坏形式

针对各种变形模式，除了常规的地质力学分析外，近年来也有很多学者将连续介质和非连续介质等数值方法[11]，用于倾倒变形体的稳定性分析中，也能够很好的反映倾倒变形的形成机制．这些研究表明：初始应力场、天然边坡形态、开挖范围与开挖方式、岩体与结构面力学参数、地下水、降雨入渗都可能对倾倒变形边坡稳定性和变形特征产生影响．但是由于问题的复杂性，当前研究中尚缺少不同边坡几何、力学参数间的对比研究．

本文采用块体离散单元法(UDEC)，分别建立不同坡高、坡面倾角、结构面倾角、结构面强度的反倾层状边坡模型，并考虑岩体的遇水软化特性，分析反倾层状岩体边坡的稳定性变化规律，为该类边坡的治理措施确定提供参考．

1 水对岩体的影响

依托澜沧江某水电工程的反倾层状边坡地质条件，首先开展不同水浸泡时间作用下常规三轴压缩试验，获得了相应的应力-应变曲线，典型试验曲线如图2所示．基于试验结果，汇总了浸泡时间对岩石强度参数的影响，以反映该类岩石的软化效应，见表1．

图2 典型水浸泡后岩石应力应变曲线

强度参数浸泡时间/d03090150210270内摩擦角φ/°56.7650.3758.9252.4353.9854.54粘聚力c/MPa15.1613.4310.5812.6013.2012.85内摩擦角φ变化值/%0-11.253.80-7.63-4.90-3.81粘聚力c变化值/%0-11.41-30.21-16.89-12.93-15.23

表1表明，天然情况下试样内摩擦角与黏聚力分别为56.76°、15.16 MPa，随着浸泡时间的增加其值均有所降低，最大可达30.21%，其中黏聚力比内摩擦角受水影响更为显著。当层状边坡在水中浸泡后，结构面与岩体强度参数均会减小，这对边坡稳定性有重要的影响。为了考虑水的影响，本文基于无水工况下的模型，将试验强度参数按照不同浸泡时间进行选取，则可反映不同程度水劣化的影响．由于这一规律并不呈线性变化，因此以下计算模型均取浸泡270 d的室内试验值，软化系数(浸水单轴抗压强度/干燥条件下单轴抗压强度)取0.8来考虑．

2 边坡数值模型

离散元允许层面之间发生张拉破坏和剪切滑移，层间岩体可以发生屈服破坏，因而可以较好地模拟倾倒变形边坡的变形特征，故采用离散元程序UDEC模拟反倾层面是合理可行的，模型如图3所示．

图3 边坡计算概化离散元模型

其中，h为边坡坡高，β为边坡坡角，γ为边坡反倾结构面倾角．坡高h=100 m、边坡坡角β=60°、边坡反倾结构面倾角γ=70°．采用表1所示无水强度参数，利用强度折减法计算所得安全系数是1.68，边坡坡面上等间距布置编号为1～4的4个监测点，用以监测边坡岩体和结构面参数弱化后各部位的变形差异，进而分析各因素对倾倒变形量级的影响，其中不同折减系数下4个测点的位移变化曲线如图4所示．

图4 典型点强度折减位移监测曲线

计算时采用强度折减法(c，φ等比例折减)计算边坡安全系数．计算中对边坡岩块和结构面均采用理想弹塑性摩尔库伦模型，岩块和结构面屈服以后不考虑其强度衰减．根据室内试验结果，边坡岩体与结构面无水条件下的参数见表2．

表2 岩体与结构面力学参数表(干燥条件)

基于给定的岩体和结构面力学指标，如果在降雨工况可考虑强度软化系数0.8，再利用强度折减法计算安全系数，发现与无水工况下安全系数1.68相比，水劣化后安全系数为1.48，降低了11.9%．

3 计算结果分析

3.1 坡高影响

采用表2参数，固定坡面倾角45°，结构面反倾45°层间厚度5 m，得不同坡高下的计算模型及各坡高条件下的安全系数如图5(a)所示，可见边坡的安全系数随着坡高增大而单调减小．坡高对倾倒变形边坡稳定性的影响显然是存在的，并且坡高达到一定量级以后，再增加坡高安全系数减小的幅度相对较小．图5(b)、图5(c)为不同坡高条件下，岩体和结构面强度折减不同程度的计算结果．监测点4位于坡顶，监测点2位于边坡中部．计算结果显示，强度折减同样程度，倾倒变形量值存在明显的差异性：坡高较大边坡的倾倒变形明显大于坡高较低边坡的倾倒变形，无论是坡顶的监测点和边坡中部的监测点都显示出这种规律．以坡高75 m的边坡和坡高150 m的边坡为例，岩体和结构面参数折减1.2倍，二者在坡顶的变形量相差接近8～10倍．这种差异性揭示出一些较高的倾倒变形边坡可以经历较大的变形而继续保持稳定．图6为不同坡高下边坡倾倒破坏形态．

图5 不同坡高模型安全系数变化及典型测点位移变化

图6 不同坡高下边坡倾倒破坏形态

由图6可知，边坡的破坏范围和深度随着坡高的增加呈现增大趋势．在当前岩体参数下，通过强度折减法获得的边坡潜在破坏模式为弯折倾倒破坏，破坏面为典型的层面折断带．

3.2 坡角影响分析

与坡高影响的分析方法一致，采用表2参数，固定计算模型坡高均为100 m，反倾结构面倾角45°，层间厚度5 m，分别建立40°、50°、60°和70°四种典型坡角模型进行计算，如图7所示．结果表明：边坡坡角越大，岩体和结构面软化导致的变形增加越明显；随着边坡坡角的增加，边坡倾倒变形特性愈发显著，同时潜在破坏范围也呈现增大趋势．

图7 不同坡角下边坡安全系数与破坏模式对比

3.3 结构面倾角影响分析

采用表2参数固定坡高100 m，坡面倾角45°层间厚度5 m，层面倾角考虑40°、50°、60°、70°和80°等情况，如图8所示．随着倾角的增加，边坡的安全系数呈现单调减小趋势．层面倾角对边坡的稳定性影响较为显著：当层面倾角小于50°时，随着结构面倾角的增加．边坡的安全系数下降幅度较为明显；层面倾角大于50°时，边坡已经具备有强烈倾倒变形的力学机制，此时在增大层面倾角，边坡的安全系数会降低，但降低的幅度不显著．在实际工程中，层面倾角超过50°的高边坡都需要重视其倾倒变形特征．

图8 不同结构面倾角边坡安全系数与破坏模式对比

边坡各监测点在强度折减过程中的变形规律总体上与坡高和坡角对变形的影响一致．由数值模拟计算结果可以看出：破坏从坡脚位置先出现，然后向上发展，最后形成弯折倾倒破坏面．随着反倾结构面倾角的增加，边坡弯折倾倒破坏潜在破坏面的倾角在降低，进而导致破坏区域明显增大；当层面倾角从50°增大到80°，安全系数的变化不大，但潜在破坏区域明显增大．这是确定不同层面倾角的边坡工程方案时，尤其需要注意的问题．

3.4 结构面强度影响分析

固定坡高100 m，坡面倾角45°，层面反倾45°层间厚度5 m，计算不同结构面内摩擦角条件下的安全系数如图9～10所示．发现结构面内摩擦角对边坡的稳定性影响显著，随着结构面内摩擦角的增加，边坡的安全系数呈近似线性增长趋势．

图9 不同结构面摩擦角边坡安全系数及破坏模式对比

图10 不同结构面粘聚力边坡的安全系数及破坏模式对比

不同结构面内摩擦角下边坡倾倒破坏形态变化情况如图9所示，随着结构面内摩擦角的减小，边坡的潜在破坏范围和深度呈现增大趋势．不同结构面粘聚力条件下的安全系数如图10所示．反倾结构面内粘聚力对边坡的稳定性影响同样显著，随着反倾结构面倾角的增加，边坡的安全系数呈近似线性增长趋势．这一结论与反倾结构面内摩擦角对边坡稳定性的影响具有一致性．随着结构面粘聚力的减小，边坡的潜在破坏范围和深度呈现增大趋势．其变化规律与结构面内摩擦角对边坡稳定性影响具有一致性．

4 讨 论

边坡自然坡高、坡角、结构面倾角及结构面强度参数均会对边坡的稳定性和倾倒变形特征产生影响．敏感性分析显示：随着坡高和坡角增大，倾倒变形边坡的安全系数降低，与典型的圆弧型滑动面不同，其潜在破坏面一般为弯曲折断的平面；反倾层面走向与坡面之间的夹角也是控制边坡失稳模式的重要影响之一，但二者夹角小于30°时，倾倒变形特征明显；当二者夹角超过45°时，倾倒变形特征不明显，潜在破坏方式更接近于滑动型破坏．层面倾角超过50°时，边坡具备产生强烈倾倒变形的条件，此时随着层面倾角增大，安全系数变化不明显，但是潜在失稳区域的范围却明显增大；随着结构面摩擦力和粘聚力的减小，边坡的潜在破坏范围和深度呈现增大趋势．

不同工况下，按照水劣化试验结果，长期浸水的岩体力学参数约下降20%，安全系数也相应下降10%～20%．故自然工况下安全系数处于1.2～1.3范围的边坡在施工时应密切关注，防止因水的作用产生滑坡．

5 结 论

本文运用离散单元法建立了相应的层状边坡数值模型，对水劣化反倾层状边坡的破坏机理进行了数值模拟，分析了各种因素对倾倒变形边坡稳定性的影响，研究结果可为工程倾倒变形体的治理提供参考．主要研究结论如下：

1)通过参数弱化代替水溶液的软化作用．基于无水工况下的基本模型，将试验得到的强度参数变化规律通过软化系数的方法考虑到基本模型中，从而可分析有水工况下边坡的稳定性与变形破坏模式．

2)影响倾倒变形的多种因素中，坡脚软化在许多情况下是最不利的因素．坡脚的“小”扰动可以引起中上高程倾倒变形体的“大”变形．

3)反倾层面与坡面之间的夹角是控制边坡失稳模式、潜在破坏范围和深度的主要因素．在工程中应该重点关注．

[1] 黄润秋，张悼元，王士天.当前环境工程地质领域的几个主要问题及研究对策[J]．工程地质学报，1996，4(3)：10-16．

[2] Liange Zheng, Javier Samper, Luis Montenegro.A Coupled THC Model of the FEBEX in Situ Test with Bentonite Swelling and Chemical and Thermal Osmosis [J]．Journal of Contaminant Hydrology, 2011,126 (1-2)： 45-60．

[3] 陈臻林，杨小奇.地震波作用下含反倾软弱夹层岩质边坡动力响应规律研究[J]．应用数学和力学，2015，36(S1)：155-166．

[4] 韦明华.反倾层状边坡倾倒变形破坏模式的岩层等厚度特性研究[J]．科学技术与工程，2015，15(31)：141-146．

[5] 郑 允，陈从新，刘秀敏，等.层状反倾边坡弯曲倾倒破坏计算方法探讨[J]．岩石力学与工程学报，2015，34(S2)：4252-4261．

[6] 范 刚，张建经，付 晓.含泥化夹层顺层和反倾岩质边坡动力响应差异性研究[J]．岩土工程学报，2015，37(4)：692-699．

[7] 李明霞，董联杰.层状反倾边坡变形特征及影响因素分析[J]．计算力学学报，2015，32(6)：831-837．

[8] Hou Z, Gou Y, Taron J, et al. Thermo-hydro-mechanical Modeling of Carbon Dioxide Injection for Enhanced Gas-recovery (CO2-EGR)： a Benchmarking Study for Code Comparison[J]． Environmental Earth Sciences, 2012, 67(2)：549-561．

[9] 徐佩华，陈剑平，黄润秋，等.锦屏I级水电站解放沟左岸边坡倾倒变形机制的3D数值模拟[J]．煤田地质与勘探，2004，32(4)：40-43．

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[11] 石 崇，徐卫亚.颗粒流数值模拟技巧与实践[M]．北京：中国建筑工业出版社，2015．

[责任编辑 王康平]

Numerical Simulation Research on Deformation and Failure of Anti-dip Layered Rock Slope with DEM

Wang Xiuju

(Department of Architectural Engineering, Nanjing Communication Institute of Technology, Nanjing 211188, China)

Based on the analysis of the triaxial test data, the variation characteristics of the softening mechanical parameters are studied. Then using UDEC software，numerical simulation models of anti-dip layered slope are established under the conditions of water deterioration analysis of effects on slope stability and deformation failure under different slope heights, slope angles, dip angels of structural plane its intensities are carried out to investigate the deformation and failure mechanism of layered slope water deterioration. It is shown that the toe softening in many cases is the most unfavorable factors; angle of more than 50 degrees, the slope has generated intense toppling deformation conditions; otherwise it will show break-sliding dominated damage mode. With decreases of the structure surface friction and cohesion, failure depth and extent of slope potential failure shows increasing. The results can provide reference for engineering treatment of toppling deformation of slopes.

anti-dip layered slope; water deterioration; numerical simulation; discrete element method(DEM); stability

2016-09-14

国家自然科学基金青年基金(51309089)；江苏省基金(BK20130846)联合资助课题

王秀菊(1981-)，女，硕士，讲师，主要从事岩土数值仿真与工程稳定性方面的研究与教学工作．E-mail：wangxiujuhf@126.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.04.008

TV4

A

1672-948X(2017)04-0036-05