鄒麗芳,徐衛(wèi)亞,寧宇,鄭文棠(河海大學a.巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室;b.巖土工程研究所,南京210098)

反傾層狀巖質(zhì)邊坡傾倒變形破壞機理綜述

鄒麗芳a,b,徐衛(wèi)亞a,b,寧宇a,b,鄭文棠a,b
(河海大學a.巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室;b.巖土工程研究所,南京210098)

傾倒變形破壞常見于層狀巖質(zhì)邊坡工程,其機理研究對邊坡穩(wěn)定性分析具有重大意義。在國內(nèi)外相關研究基礎上對彎曲傾倒、塊狀傾倒及塊狀-彎曲傾倒3種不同破壞模式進行了分析,就邊坡幾何形狀、巖層強度和長細比、層面力學參數(shù)、地下水、開挖作用等因素對傾倒變形的影響進行了闡述,介紹了傾倒變形破壞機理在物理模型試驗、極限平衡、數(shù)值模擬3種方法中的研究進展,指出了不同方法的適用性和優(yōu)缺點,說明了研究中需要改進和深化的內(nèi)容。

傾倒變形;破壞機理;層狀邊坡;數(shù)值模擬

傾倒是指層狀反坡向結構及部分陡傾角順層邊坡的表部巖層因蠕動變形而向臨空方向一側(cè)產(chǎn)生彎曲、折斷,形成所謂點頭哈腰的現(xiàn)象[1]。傾倒破壞是層狀巖質(zhì)邊坡變形破壞的一種典型形式,主要包括彎曲傾倒、塊狀傾倒、塊狀-彎曲傾倒3種破壞模式。盡管通常情況下,變形不至于引起坡體的快速變形滑動,但若不加控制的話,仍然可能導致大范圍的裂隙發(fā)育巖體產(chǎn)生拉裂隙、崩塌等不同形式的破壞甚至深層滑坡[2,3]。

傾倒變形常見于我國的礦山和水電工程中,如西部金川露天礦邊坡[4]、錦屏一級水電站左岸邊坡[5,6]、小灣水電站飲水溝邊坡[7]、昌馬水庫傾倒變形邊坡[8]、龍灘水電站左岸邊坡[9]、五強溪水電站楊五廟壩址左岸邊坡[10]、小浪底工程庫區(qū)岸坡[11]、洼里滑坡[12]等。鑒于傾倒變形的復雜性和在邊坡工程中的重要性,眾多學者就其機理進行了研究,但仍無確定性方法預測一個邊坡是會持續(xù)緩慢變形還是會轉(zhuǎn)化為大規(guī)模的崩塌破壞。

本文以反傾層狀巖質(zhì)邊坡為研究對象,歸納了傾倒變形的主要影響因素,介紹了采用物理模型試驗方法、極限平衡方法、數(shù)值模擬方法對傾倒變形機理的研究進展,指出了這3種方法的適用性和優(yōu)缺點,說明了研究中需要進一步改進和深化的內(nèi)容。

1 傾倒變形分類

傾倒多發(fā)生在由塑性的薄層巖層或軟硬相間組成的反坡向結構的邊坡中。巖層的傾倒以彎曲、張裂、滑動和轉(zhuǎn)動等形式出現(xiàn),傾倒體與下伏完整巖體間可產(chǎn)生折斷或錯動[1]。通常,傾倒變形模式按傾倒方式的不同主要可分為以下3類[3](見圖1)。

圖1 巖層傾倒變形模式Fig.1 Rock-stratification Toppling modes

(1)彎曲傾倒(flexural toppling):彎曲傾倒為柔性破壞,較軟巖層中較為普遍,如板巖、千枚巖、片巖、泥巖[3]。通常單一巖層厚度較小,只有層面這一組平行結構面。彎曲傾倒變形邊坡屬于自穩(wěn)型,邊坡變形發(fā)展較慢,一旦破壞,規(guī)模通常很大。

(2)塊狀傾倒(block toppling):塊狀傾倒為脆性破壞,硬質(zhì)巖層中較為普遍,多發(fā)生在石灰?guī)r、砂巖、含柱狀節(jié)理的巖漿巖中[3]。通常單一巖層厚度較大,發(fā)育與巖層面接近垂直的節(jié)理,破壞前變形較快。

(3)塊狀-彎曲傾倒(block-flexure toppling):軟硬相間的層狀巖體中比較普遍,多發(fā)生在砂巖泥板巖互層、燧石巖頁巖互層、薄層狀石灰?guī)r中[3]。軟硬相間的層狀巖體在構造作用下存在層間錯動[13]?？稍趶澢鷥A倒變形穩(wěn)定性分析的基礎上,考慮垂直層面方向的節(jié)理或裂隙對邊坡穩(wěn)定的影響,從而實現(xiàn)此類傾倒模式的穩(wěn)定性分析。

目前國內(nèi)外對傾倒變形的研究主要集中于塊狀傾倒和彎曲傾倒。

2 傾倒變形影響因素

邊坡產(chǎn)生傾倒變形的影響因素有很多。韓貝傳、王思敬(1999)[14]把傾倒變形的影響因素歸納為:初始應力場、邊坡初始坡型、邊坡開挖深度與角度、巖體與層面力學參數(shù)、層面幾何特性即層面間距與傾角、開挖后地下水位變化等。齊典濤(2001)[8]關于昌馬水庫傾倒變形影響因素有:層理、裂隙、斷層走向,地形地貌、地質(zhì)構造影響,卸荷作用,冰川活動時對巖層頂端的拖曳作用,冰劈作用。徐佩華等(2004)[6]認為解放溝反傾高邊坡深層變形是由河谷快速下切產(chǎn)生深部卸荷松弛和傾內(nèi)層狀體斜坡的深部巖層彎曲傾倒共同作用所引起的。

在邊坡傾倒變形的影響因素中,巖層強度、巖層長細比、巖層傾角、層面力學參數(shù)、與層面正交或斜交的節(jié)理組力學參數(shù)和連通率、開挖作用對邊坡變形影響的研究較多,考慮水、巖體屬性隨深度變化(考慮風化和卸荷)的研究較少。其中地下水的研究僅限極限平衡法及少量模型試驗研究,未見數(shù)值模擬方面的文獻。伍法權(1997)[15]以庫侖強度理論為依據(jù),對薄片狀云母石英片巖斜坡彎曲傾倒變形進行分析,討論了地下水壓力的作用。常祖峰等(1999)[11]考慮了開挖和地下水作用對小浪底工程庫區(qū)岸坡傾倒變形的影響。李天扶(2006)[16]認為傾倒破壞穩(wěn)定分析中,應計入上層滯水產(chǎn)生的傾倒力矩,這樣才能解釋傾倒體的許多不規(guī)則現(xiàn)象。文[9,17～19]對巖層傾角、層面間距和層面力學參數(shù)進行了研究,得出了一些定性或定量的結論。

綜上所述,反傾巖質(zhì)邊坡傾倒變形的主要影響因素可歸納為如下幾個方面:

(1)邊坡幾何形狀(坡高,坡角),其中坡高對傾倒變形的影響研究較少。

(2)巖層強度、厚度(巖層長細比)、傾角,層面力學參數(shù):較硬巖層易產(chǎn)生塊狀傾倒,較軟巖層易產(chǎn)生彎曲傾倒,軟硬相間巖層易產(chǎn)生塊狀-彎曲傾倒,巖層傾角對邊坡變形影響不大。許多學者認為,對邊坡傾倒變形影響最大的因素有2個,即層面的間距(等效于層面之間板狀巖體的長細比)及力學參數(shù)[14]。盧增木等(2006)[18]、左保成等(2005)[17]通過模型試驗得出層面剪切強度對傾倒變形影響較大,而JoséMuralha(2003)[20]通過參數(shù)研究認為層面和折斷面的剪切強度不像預計的那樣起重大作用。作者認為,對于這一點,需要進一步深入研究。

(3)與層面正交或斜交的節(jié)理組的產(chǎn)狀、連通性和間距。

(4)初始構造應力場[9,14]。

(5)外力作用:如河谷下切,開挖作用,風化卸荷作用,冰劈作用,冰川運動,上覆巖體的壓力作用,地震作用等。

(6)地下水:層面遇水后抗剪強度降低,層間錯動能力加強,層間裂隙水壓力或凍融作用亦可增大巖層的傾倒彎矩,加劇巖層的傾倒變形發(fā)展[16]。

3 傾倒變形機理研究

傾倒變形機理的研究方法通常有物理模型試驗法、極限平衡法及數(shù)值模擬法。這3種方法的具體研究進展如下。

3.1 物理模型試驗方法

物理模擬試驗方法雖然周期長、費用高,但可直觀地模擬邊坡巖體中的應力大小及其分布,能直接觀測和記錄巖體的變形、破壞機制及其發(fā)展過程。

黃潤秋等(1994)[21]通過模型試驗得出了變形深度與巖層傾角、坡角的關系。該研究較有意義,若能根據(jù)巖層傾角和坡角定性獲悉變形深度情況及其變化趨勢,則有助于邊坡穩(wěn)定性的判別和預測。羅華陽等(2000)[10]對五強溪水電站左岸船閘邊坡某斷面進行了模型試驗,發(fā)現(xiàn)開挖卸荷后變形明顯,裂隙滲透水引起的變形比開挖引起的變形大,有較大參考價值。左保成等(2005)[17]發(fā)現(xiàn)反傾邊坡主要的破壞形式為傾倒變形折斷破壞,破壞首先發(fā)生在坡頂;層面強度和厚度是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素,而巖層傾角對變形影響不大;此類邊坡的變形破壞過程具有明顯的“疊合懸臂梁”特征。這些模型試驗對工程實際皆具有指導意義。

D.P.Adhikary(2007)[22]通過離心試驗發(fā)現(xiàn),彎曲傾倒模式下,假定層間作用力為集中力時,作用點在0.55～0.60層高處。層面摩擦角較大時彎曲傾倒破壞為瞬時性,摩擦角較小時彎曲傾倒破壞為漸進性,決定破壞模式的關鍵摩擦角度值為20°～25°。凝聚力對破壞機理的影響和摩擦角不一樣。Cavers (1981)用Euler buckling load原理分析了沉積巖層的彎曲破壞,在底摩擦試驗的基礎上,發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生彎曲的巖層長度與巖層總長度的比率(buckling ratio)為0.36～0.46。這個固定buckling ratio的假定并不適用所有不同幾何性質(zhì)的邊坡。實際上,buckling ratio必須是關于邊坡幾何參數(shù)的函數(shù)[23]。

綜上所述,模型試驗有助于得出一些規(guī)律,但是其結果有局限性,不一定具普遍意義,如buckling ratio必須是關于邊坡幾何參數(shù)的函數(shù)[23];模型試驗結果用于極限平衡計算時也要謹慎。此外,模型試驗方面應加強考慮與層面相交的節(jié)理、地下水作用和邊坡幾何形狀對傾倒變形影響的研究,這也對模型設計提出了更高的要求。

3.2 極限平衡方法

極限平衡方法避開了廣泛的應力計算,關注瞬時破壞前的狀態(tài),模型簡單,計算快捷,對邊坡穩(wěn)定性的初步估計是合適的。

Goodman和Bray(1976)[3]首先采用極限平衡方法(簡稱G-B法)進行了分析,模型示意圖見圖2。該方法假定臺階狀的破壞面和均一的巖柱寬度和臺階高度,未反映出巖體結構面的分布情況;結構面完全連通,未考慮巖橋作用[24],假定巖層間傳遞的推力作用點位于巖層面接觸處頂部[25]。Duncan (1992)[26]在G-B模型的基礎上,增加了作用于板狀巖體層間和傾倒巖體底面上的水壓力及在傾倒體上部外荷載的作用,并給出了基本解析式。李天扶(2006)[16]認為Duncan把水壓力按巖石塊體的斜高計算是錯誤的,應按水柱的垂直高度計算。陳祖煜(1996)[27]進行了G-B法的改進,考慮了巖柱底滑面的連通率,定義了安全系數(shù),改進了破壞模式的判定方法,考慮了底面和側(cè)面不正交的一般情況。汪小剛等(1996)[25]也對G-B法進行了改進,考慮了巖體結構面的具體分布特征和底滑面上巖橋的作用。

圖2 傾倒極限平衡分析模型(據(jù)Goodman和Bray,1976)Fig.2 Model for limiting equilibrium analysis of toppling (from Goodman and Bray,1976)

關于其它極限平衡方法的研究,朱繼良等(2004)[12]通過用簡化畢肖普法對該滑坡進行了穩(wěn)定性計算,分析了隨著水位升降以及地震下邊坡穩(wěn)定性的變化情況。Aydan(1992)假定層間作用力為集中力,作用點根據(jù)試驗結果估計確定。破壞面是單一直線狀,從最上部的巖層算起,推到最下面的巖層,各自建立力矩平衡方程,推斷邊坡的穩(wěn)定性。A.Bobet (1999)[28]在Hoek和Bray,Aydan等人研究基礎上,假定塊體厚度很小,對塊狀傾倒模式進行了無滲流和有滲流兩種情況下極限平衡方法的探討。

基于極限平衡原理的分析方法有很大局限性,適用于巖層厚度較大、邊坡形狀較簡單和受簡單荷載作用的情況,考慮的是均勻介質(zhì)的簡單破壞模式,這與邊坡傾倒變形受反傾結構面決定性控制的實際情況相差甚遠。這些限制制約了塊體傾倒破壞分析方法的推廣應用[5]。還有學者認為,傾倒變形破壞首先在坡頂產(chǎn)生,極限平衡假設滑動面的方法不適用于傾倒變形的研究[14]。孫廣忠(1985)[13]提出板裂結構巖體的力學作用遵守板梁結構變形和破壞法則,板梁彎曲和結構失穩(wěn)的力學模型是它的基本力學模型。Adhikary(2007)[22]認為極限平衡模型可以預測高節(jié)理(即層面)摩擦角值條件下的破壞荷載,但在節(jié)理摩擦角值較小的情況下會高估破壞荷載,因此,建議節(jié)理摩擦角較小時謹慎使用極限平衡方法。

綜上,邊坡的穩(wěn)定性計算中,若僅關注邊坡的最終破壞,且滿足極限平衡假定,則極限平衡方法可用作邊坡穩(wěn)定性分析的初步估計。若預先假定破壞面位置則會限制極限平衡模型的應用。關于破壞面形狀,目前所見的國內(nèi)外文獻中,多假定塊狀傾倒型邊坡的破壞面為階梯形,彎曲傾倒型邊坡的破壞面為直線形,未見塊狀-彎曲傾倒型邊坡的極限平衡計算。此外,巖層間的相互作用力通常被假設為集中荷載或均布力形式,還可進行力的其它分布形式的研究?？紤]巖體在外荷載作用下(如上覆巖體的壓力作用、地下水作用等)的極限平衡分析更具普遍意義。鑒于不同學者對極限平衡方法適用性持有的不同看法,尚須對此進一步深入研究。

3.3 數(shù)值模擬方法

基于連續(xù)介質(zhì)力學和非連續(xù)介質(zhì)力學的數(shù)值模擬方法在邊坡穩(wěn)定性分析中得到了廣泛運用,它對原型的反映不僅僅是單變量的趨勢相似,而且模型本身能反映滑坡體的形成機制[6]。目前主要研究方法的進展如下。

3.3.1 連續(xù)介質(zhì)力學方法

常見的是采用接觸單元模擬層面的有限元法和有限差分法。韓貝傳、王思敬(1999)[14]應用彈-粘塑性模型,研究了層面間距及力學參數(shù)對變形的影響,發(fā)現(xiàn)切向變形剛度值和層面間距對坡頂位移影響很大。常祖峰(1999)[11]應用非線性理論對單層傾倒變形破壞進行了有限元模擬,結果與野外實測剖面非常吻合。徐佩華等(2004)[5]采用FLAC3D進行傾倒變形機制的三維數(shù)值模擬,認為坡體卸荷和卸荷回彈促進彎曲傾倒變形的進行,并為變形劃定界限,發(fā)現(xiàn)破壞面為雙折線型。J.SJ¨OBERG (1999)[29]采用FLAC中的遍布節(jié)理模型進行了大規(guī)模彎曲傾倒變形破壞機理的研究。

當層面剛度很大,等效連續(xù)介質(zhì)和單個巖層的有效剪切模量差別不大時,層面滑動很小,巖層彎曲可以忽略。當節(jié)理剪切剛度很小時,巖層滑動時可能會產(chǎn)生彎曲。若不計材料抵抗彎曲的作用,等效連續(xù)介質(zhì)模型可能會高估變形量。此外,巖層數(shù)目較多或巖層相對較薄時,模擬過程麻煩且需要較高的計算機處理能力。若等效成連續(xù)介質(zhì)模型,同時采用能考慮巖層抵抗彎曲作用的理論[30],提供一個廣義上的對此類介質(zhì)的平均描述會更有意義。

建立在Cosserat理論上的有限元法是研究彎曲傾倒破壞機理[22]的一個較好手段。國內(nèi)佘成學[31]、陳勝宏、葛修潤等較早進行了這方面的研究。國外學者D.P.Adhikary在這方面也有很多研究成果:1996年他利用Cosserat理論實現(xiàn)了層狀邊坡彎曲傾倒變形過程的有限元分析,但由于小變形的假設,應用受到限制[32]。1998年他在帶彈塑性節(jié)理的Cosserat模型中整合入大變形公式,模型得到進一步完善[33]。

作者認為,建立在Cosserat理論上的能考慮巖層轉(zhuǎn)動效應和大變形的連續(xù)介質(zhì)力學模型是研究邊坡傾倒變形機理的一個較好方法,但是經(jīng)典連續(xù)介質(zhì)的屈服準則無法直接用于Cosserat連續(xù)介質(zhì),所以需要發(fā)展相應的合適的屈服準則。李銀平、劉俊、李育超等已經(jīng)展開了相關研究,但多為簡單荷載情況,尚未見到考慮地下水作用的相關文獻,否則可以更廣泛地解決邊坡傾倒變形問題。

3.3.2 非連續(xù)介質(zhì)力學方法

當巖體被節(jié)理切割成離散又相互作用的塊體時,應用非連續(xù)介質(zhì)力學方法,能直接反映結構面對邊坡變形的影響。

J.SJ¨OBERG(1999)[29]采用UDEC進行了大規(guī)模彎曲傾倒變形破壞機理的研究,傾倒破壞整個過程見圖3。巖層產(chǎn)生彈性反彈后,巖體破壞始于坡腳陡傾角節(jié)理面上的剪切滑動,然后逐漸向坡頂發(fā)展,其間應力重分布;巖層被壓縮,為轉(zhuǎn)動提供空間,轉(zhuǎn)動巖層基部開始出現(xiàn)張拉彎曲破壞并逐漸向邊坡頂部發(fā)展,最后巖層基部破壞面貫穿,產(chǎn)生滑坡。

F.Lannro等(1997)[34]用離散元法模擬模型試驗的塊體傾倒,考慮了模型試驗傾斜臺的轉(zhuǎn)動速率、塊體間接觸面的摩擦角、塊體邊角的的圓弧長度、模型內(nèi)部和接觸面上的速度分布等因素的影響。Susan L.Nichol等(2002)[35]利用UDEC進行了參數(shù)(巖體強度、結構面方位和連通率)和機理研究。程東幸等(2005)[9]借助3DEC對龍灘水電站左岸邊坡進行了影響因素及反傾條件分析。DDA及數(shù)值流形方法在傾倒變形研究中亦有應用。

圖3 邊坡大規(guī)模彎曲傾倒破壞的演化過程Fig.3 Failure stages for large scale(flexural) toppling failure in a slope

盡管有的非連續(xù)介質(zhì)力學分析方法還存在一定問題,如計算量大、收斂性差等,特別當巖層數(shù)目過多時模型處理會比較麻煩,但能直觀反映傾倒變形邊坡破壞的過程。若能把握好巖體介質(zhì)模型并選擇合理的參數(shù),可以得到理想的計算結果。

3.4 研究方法小結

關于傾倒變形機理的研究方法,模型試驗應加強其它影響因素(地下水、與層面相交的節(jié)理分布、邊坡幾何形狀等)的研究。極限平衡法能滿足邊坡穩(wěn)定性初步估計的要求,但在傾倒變形邊坡穩(wěn)定性分析中的適用性有待于進一步深入討論;數(shù)值模擬方面,模擬過程應能考慮層面和與其正交或斜交的節(jié)理裂隙影響、巖層的轉(zhuǎn)動變形和層間錯動、滲流作用等,并建立有效的屈服準則,確定合理的參數(shù),來盡量準確地研究其變形機制。

4 結論

通過對傾倒變形影響因素的分析以及3種不同研究方法下傾倒變形機理研究的論述,得出以下結論:

(1)反傾巖質(zhì)邊坡傾倒變形的影響因素很多,其中邊坡幾何形狀、層面間距和力學參數(shù)、與層面正交或斜交的結構面產(chǎn)狀和連通率、巖層強度、地下水和開挖作用等影響較大。

(2)數(shù)值模擬是較有發(fā)展前景的方法,其中,建立在Cosserat理論上的連續(xù)介質(zhì)方法有一定優(yōu)勢,模型建立簡單且能考慮巖層的彎曲效應,關鍵是層狀巖體力學參數(shù)的確定以及合適的屈服準則的建立,并應用于實際邊坡工程,進而對傾倒變形邊坡的穩(wěn)定性進行分析預測。

(3)傾倒變形機理研究還有許多工作須要加強。如對軟硬互層巖體邊坡的研究、水對傾倒變形影響的研究等。與層面正交或斜交的節(jié)理面的連通率是傾倒變形的重要影響因素,野外踏勘時應注意折斷錯動面的貫通情況,勘查邊坡是否有后緣張裂、坡腳剪切破壞的現(xiàn)象。此外,考慮開挖、降雨、地震等的影響也是一個重要方面。

傾倒變形機理比較復雜,它與滑動破壞機理完全不同,沒有單一的滑動基面。目前仍無確定性方法預測一個邊坡是會持續(xù)緩慢變形還是會轉(zhuǎn)化為大規(guī)模的崩塌破壞。因此,傾倒變形機理研究對于防止邊坡產(chǎn)生更大變形甚至失穩(wěn)及災害評估有重大意義。條件允許情況下可進行邊坡動態(tài)監(jiān)測,反演巖體力學參數(shù),對其變形和破壞發(fā)展作出評估。進一步研究反傾層狀巖質(zhì)邊坡破壞的發(fā)生機理和運動機制仍然是當前邊坡工程研究的重點課題。

[1]陸兆臻.工程地質(zhì)原理[M].北京:中國水利水電出版社,2001.

[2]黃潤秋.20世紀以來中國的大型滑坡及其發(fā)生機制[J].巖石力學與工程學報,2007,26(32):433-454.

[3]GOODMAN R E,BRAY J W.Toppling of Rock Slopes [C]∥.ASCE/Bouider.Proceeding of the Specialty Conference on Rock Engineering for Foundations and Slopes. Colorado,1976,201-234.

[4]王思敬.金川露天礦邊坡變形機制及過程[J].巖土工程學報,1982,4(1):76-83.

[5]徐佩華,陳劍平,黃潤秋,等.錦屏Ⅰ級水電站解放溝左岸邊坡傾倒變形機制的3D數(shù)值模擬[J].煤田地質(zhì)與勘探,2004,32(4):40-43.

[6]徐佩華,陳劍平,黃潤秋,等.錦屏水電站解放溝反傾高邊坡變形機制的探討[J].工程地質(zhì)學報,2004,12 (3):247-252.

[7]楊根蘭,黃潤秋,嚴明,等.小灣水電站飲水溝大規(guī)模傾倒破壞現(xiàn)象的工程地質(zhì)研究[J].工程地質(zhì)學報, 2006,14(2):165-171.

[8]齊典濤.昌馬水庫傾倒變形邊坡特征形成機制及發(fā)育深度[J].西部探礦工程,2001,(6):47-49.

[9]程東幸,劉大安,丁恩保,等.層狀反傾巖質(zhì)邊坡影響因素及反傾條件分析[J].巖土工程學報,2005,27 (11):1362-1366.

[10]羅華陽,王敬,謝新宇,等.五強溪水電站左岸邊坡位移監(jiān)測與變形特征[J].大壩觀測與土工測試, 2000,24(3):22-24.

[11]常祖峰,謝陽,梁海華.小浪底工程庫區(qū)岸坡傾倒變形研究[J].中國地質(zhì)災害與防治學報,1999,10(11): 28-31,27.

[12]朱繼良,黃潤秋,王運生,等.某水電站洼里滑坡的成因機制及其穩(wěn)定性研究[J].中國地質(zhì)災害與防治學報,2004,15(1):57-60.

[13]孫廣忠,張文彬.一種常見的巖體結構-板裂結構及其力學模型[J].地質(zhì)科學,1985,(3):275-282.

[14]韓貝傳,王思敬.邊坡傾倒變形的形成機制與影響因素分析[J].工程地質(zhì)學報,1999,7(3):213-217.

[15]伍法權.云母石英片巖斜坡彎曲傾倒變形的理論分析[J].工程地質(zhì)學報,1997,5(4):306-311.

[16]李天扶.論層狀巖石邊坡的傾倒破壞[J].西北水電, 2006,(4):4-6.

[17]左保成,陳從新,劉小巍,等.反傾巖質(zhì)邊坡破壞機理模型試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2005,24 (19):3505-3511.

[18]盧增木,陳從新,左保成,等.對影響逆傾層狀邊坡穩(wěn)定性因素的模型試驗研究[J].巖土力學,2006,27(4): 629-632,647.

[19]ADHIKARY DP,DYSKIN A V,JEWELL RJ,et al.A Study of the Mechanism of Flexural Toppling Failure of Rock Slopes[J].Rock Mechanics and Rock Engineering, 1997,30(2):75-93.

[20]JOSéM.Parameter Variability in the Toppling Stability of Rock Blocks[C]∥Matthew Huandley,Dick Stacey. 10th Congress of the ISRM:Technology Roadmap for Rock Mechanics,Johannesburg,South Africa:South African Institute of Mining and Metallurgy.2003:849-854.

[21]黃潤秋,王崢嶸,許強.反傾向?qū)訝罱Y構巖體邊坡失穩(wěn)破壞規(guī)律研究[C]∥成都理工學院工程地質(zhì)研究所工程地質(zhì)研究進展(二).成都:西南交通大學出版社, 1994:47-51.

[22]ADHIKARY D P,DYSKIN A V.Modelling of Progressive and Instantaneous Failures of Foliated Rock Slopes [J].Rock Mechanics and Rock Engineering,2007,40 (4):349-362.

[23]PANT S R,ADHIKARY D P.Implicit and Explicit Modelling of Flexural Buckling of Foliated Rock Slopes [J].Rock mechanics and rock engineering.1999,32 (2):157-164.

[24]張國新,趙妍,石根華,等.模擬巖石邊坡傾倒破壞的數(shù)值流形法[J].巖土工程學報,2007,29(6):800-805.

[25]汪小剛,賈志欣,陳祖煜,等.巖質(zhì)邊坡傾倒破壞的穩(wěn)定分析方法[J].水利學報,1996,(3):7-12,21.

[26]DUNCAN C W.Foundations on Rock(Second Edition) [M]∥London:SPON E F N,1999.

[27]陳祖煜,張建紅,汪小剛.巖石邊坡傾倒穩(wěn)定分析的簡化方法[J].巖土工程學報,1996,18(6):92-95.

[28]BOBET A.Analytical Solutions for Toppling Failure[J]. Mechanics and Mining Science,1999,36:971-980.

[29]SJ¨OBERG J.Analysis of Failure Mechanisms in High Rock Slopes[C]∥Gerard Vouille,Pierre Berest Proceeding of the Ninth International Congress on Rock Mechanics.Paris,Taylor and Francis Group,1999:127-130.

[30]ADHIKARY D P,DYSKIN A V.A Cosserat Continuum Model for Layered Materials[J].Computers and Geotechnics,1997,20(1):15-45.

[31]李桂榮,佘成學,陳勝宏.層狀巖體邊坡的彎曲變形破壞試驗及有限元分析[J].巖石力學與工程學報, 1997,16(4):305-311.

[32]ADHIKARY DP,DYSKIN A V,JEWELL RJ.Numerical Modeling of the Flexural Deformation of Foliated Rock Slopes[J].Rock Mechanics and Mining Science, 1996,33(6):595-606.

[33]ADHIKARY D P,MüHLHAUS H B,DYSKIN A V. Modelling the Large Deformations in Stratified Media—the Cosserat Continuum Approach[J].Mech.Cohes.-Frict.Mater,1999,(4):195-213.

[34]LANAR F,JING L,STEPHANSSON O,et al.D.E. M.Modeling of Laboratory Tests of Block Toppling[J]. Rock Mechanics and Mining Sciences,1997,34(3-4): 173.el-173.e15.

[35]NICHOL S L,HUNGR O,EVANS S G.Large-scale Brittle and Ductile Toppling of Rock Slopes[J].Canadian Geotechnical Journal,2002,39(4):773-787.

(編輯:趙衛(wèi)兵)

Overview of Toppling Failure Mechanism of Countertendency Layered Rock Slopes

ZOU Li-fanga,b,XU Wei-yaa,b,NING Yua,b,ZHENG Wen-tanga,b
(a.Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering, Hohai University,Nanjing 210098,China; b.Research Institute of Geotechnical Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China)

Toppling deformation failure is common in layered rock slope projects.It makes sense to research on toppling failure mechanism in slope stability analysis.On the basis of the relevant research both at home and abroad,three main different failure modes of toppling deformation are analyzed.They are flexural toppling, block toppling and block-flexure toppling.Influential factors of toppling deformation like the geometrical shape of slopes,rock strength and the ratio of length to thickness for layers,mechanical parameters of interface, groundwater,excavation effect and so on,are illustrated.Corresponding research methods mainly include physical model tests,limiting equilibrium methods and numerical simulation,with which research headway is presented.Applicability,advantages and disadvantages of those methods when studying toppling failure are pointed out at the same time.Then specific issue to be improved and further studied is proposed.

toppling deformation;failure mechanism;layered slope;numerical simulation

TU457

A

1001-5485(2009)05-0025-06

2008-07-30;

2008-11-10

國家自然科學基金重點項目(50539110);國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃973項目(2002CB412707)

鄒麗芳(1982-),女,江蘇無錫人,博士研究生,主要從事巖石力學與工程方面的研究工作,(電話)025-83787037(電子信箱)zoulifang@hhu.edu.cn。