李大茂，張國輝，袁從華

(1.云南省公路開發(fā)投資有限責(zé)任公司， 云南 昆明 650200；2.云南小磨高速公路改擴(kuò)建工程建設(shè)指揮部， 云南 景洪666100；3.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430071)

基于數(shù)值仿真的全強(qiáng)風(fēng)化巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)機(jī)制研究

李大茂1,2，張國輝1,2，袁從華3

(1.云南省公路開發(fā)投資有限責(zé)任公司， 云南 昆明 650200；2.云南小磨高速公路改擴(kuò)建工程建設(shè)指揮部， 云南 景洪666100；3.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430071)

利用數(shù)值分析方法來分析邊坡的穩(wěn)定性正逐漸被人們所重視。以某公路邊坡工程為例采用考慮地形變化的極限平衡法和考慮變形發(fā)展過程的有限元強(qiáng)度折減法相結(jié)合的方法對全強(qiáng)風(fēng)化巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)機(jī)制進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：邊坡的失穩(wěn)破壞機(jī)制表現(xiàn)為典型的牽引破壞，全強(qiáng)風(fēng)化巖體遇水容易軟化，邊坡中前部抗滑段飽和時(shí)會(huì)導(dǎo)致巖體強(qiáng)度極大下降，對于邊坡的穩(wěn)定十分不利，中前部邊坡失穩(wěn)導(dǎo)致滑坡逐漸向上發(fā)展，牽引逐級發(fā)育，前一級潛在破壞為后一級的發(fā)展提供了臨空空間。針對這種失穩(wěn)機(jī)制，建議工程措施應(yīng)重視阻滑段的疏排水，通過工程加固手段阻止第一級破壞發(fā)生。

邊坡失穩(wěn)；全強(qiáng)風(fēng)化巖體；極限平衡法；強(qiáng)度折減法；牽引式滑坡

巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析是巖土工程問題中的重要問題之一，同時(shí)巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)破壞造成了嚴(yán)重的災(zāi)情以及巨大的損失[1]。因此，研究邊坡失穩(wěn)的破壞機(jī)制是很有必要。目前學(xué)者們對于邊坡穩(wěn)定性的分析方法主要采用工程中應(yīng)用廣泛的極限平衡法[2-5]、近年來發(fā)展迅速的有限元強(qiáng)度折減法[6-9]以及針對傾倒破壞的非連續(xù)變形分析方法[10-11]。更有學(xué)者將有限元法和極限平衡法兩者相結(jié)合，用以對邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析[12-14]。巖土體的破壞形式通常都是剪切破壞，現(xiàn)有邊坡穩(wěn)定分析的方法大部分以巖土體內(nèi)部是否沿滑動(dòng)面發(fā)生整體摩爾-庫侖剪切破壞為判別準(zhǔn)則。穆成林等[15]闡述了含軟弱夾層順層邊坡失穩(wěn)破壞過程影響因素,以及邊坡開挖后巖體劣化、雨水下滲、滑面力學(xué)性狀弱化過程,建立了“剛?cè)嵯酀?jì)”的地質(zhì)-力學(xué)量化模型,分析邊坡滑移-拉裂的形成機(jī)制,系統(tǒng)總結(jié)了邊坡演化過程。宋東日等[16]研究了牽引式滑坡的力學(xué)機(jī)制：(1) 坡腳開挖致使阻滑關(guān)鍵塊體缺失,應(yīng)力集中導(dǎo)致剪切應(yīng)變軟化；(2) 地表降水與地下水對巖土體物理力學(xué)性能的改造；(3) 滑體變形不協(xié)調(diào),導(dǎo)致拉裂縫產(chǎn)生,滑坡后緣得以繼續(xù)向后擴(kuò)展。李滿意等[17]對類土質(zhì)邊坡失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行了分析，指出類土質(zhì)(即全強(qiáng)風(fēng)化)邊坡變形的地質(zhì)力學(xué)機(jī)制為漸進(jìn)后退式蠕滑拉裂，并將失穩(wěn)機(jī)理概括為雨水滲入、邊坡惡化、局部失穩(wěn)、整體失穩(wěn)四個(gè)階段。

風(fēng)化程度巖體物理力學(xué)特性影響較大，對于全強(qiáng)風(fēng)化巖體來說，巖體被節(jié)理切割變得極為破碎，可能有泥質(zhì)充填，遇水軟化將大幅降低巖體強(qiáng)度。全強(qiáng)風(fēng)化巖質(zhì)邊坡工程特性及穩(wěn)定性明顯區(qū)別于一般的均質(zhì)土邊坡和巖質(zhì)邊坡，目前研究相對較少。本文通過兩種方法研究了全強(qiáng)風(fēng)化巖質(zhì)邊坡在工程開挖條件下失穩(wěn)破壞機(jī)制，分別是考慮地形變化的極限平衡方法和考慮坡體變形過程的有限元強(qiáng)度折減方法，極限平衡法中考慮了邊坡失穩(wěn)過程中地形逐漸發(fā)生變化，用動(dòng)態(tài)的觀點(diǎn)來分析滑坡的發(fā)展過程；有限元強(qiáng)度折減法中可獲取坡體的變形發(fā)展過程，兩種分析方法相結(jié)合更有助于分析邊坡的失穩(wěn)破壞機(jī)制。本文以某公路邊坡工程為例，通過考慮地形變化的極限平衡方法和有限元強(qiáng)度折減方法進(jìn)行了分析，揭示了全強(qiáng)風(fēng)化巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)破壞機(jī)制。

1 基于數(shù)值仿真的邊坡失穩(wěn)機(jī)制研究方法

1.1 考慮變形發(fā)展過程的有限元強(qiáng)度折減方法

有限元強(qiáng)度折減法的基本原理是將坡體強(qiáng)度參數(shù)(黏聚力和內(nèi)摩擦角)的值同時(shí)除以一個(gè)折減系數(shù)，得到一組新的強(qiáng)度參數(shù)，將折減后的強(qiáng)度參數(shù)值代入有限元計(jì)算，可得到邊坡內(nèi)部的變形情況。反復(fù)折減坡體強(qiáng)度參數(shù)，可得到隨著坡體強(qiáng)度逐漸弱化情況下邊坡內(nèi)部的變形發(fā)展過程。當(dāng)抗剪強(qiáng)度參數(shù)降低到計(jì)算不收斂時(shí)，說明邊坡達(dá)到極限狀態(tài)，此時(shí)邊坡體出現(xiàn)大幅度變形和塑性滑移，根據(jù)彈塑性有限元分析結(jié)果搜索得到滑動(dòng)破壞面，滑坡破壞時(shí)對應(yīng)的強(qiáng)度折減系數(shù)即為邊坡強(qiáng)度儲(chǔ)備安全系數(shù)。

1.2 考慮地形變化的極限平衡方法

有限元方法能夠考慮變形協(xié)調(diào)，通過折減強(qiáng)度參數(shù)可獲取邊坡漸進(jìn)破壞過程不同，極限平衡分析方法通過對土體剪切破壞時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行靜力平衡分析求得問題的解。極限平衡方法中，邊坡巖土體沿某一潛在滑動(dòng)面發(fā)生剛性滑動(dòng)，不考慮變形協(xié)調(diào)，通過條塊的受力分析計(jì)算邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)。

在考慮地形變化的極限平衡方法中，做出如下簡化假定：對當(dāng)前邊坡搜索最不利滑面，得到該滑面的安全系數(shù)，即假設(shè)巖土體沿此滑面滑出，這是最不利的滑坡情況，將滑面之上的巖土體移除，然后對改變后的坡形再進(jìn)行一次極限平衡計(jì)算，搜索得到另一個(gè)滑面，然后再移除，多次循環(huán)，最終可得到邊坡的失穩(wěn)過程。這一計(jì)算過程雖然和考慮變形的有限元強(qiáng)度折減法不同，但都可以獲取邊坡漸進(jìn)破壞發(fā)展的過程。

2 算例分析

2.1 邊坡工程概況

某高速公路K96+540—K96+800邊坡，公路在邊坡中部通過，滑面在公路基礎(chǔ)下30 m?；麦w主要為殘坡積體、全強(qiáng)風(fēng)化破碎片巖。根據(jù)調(diào)查的后緣裂縫實(shí)測，滑坡后緣裂縫已延伸至1 928 m高程，高出設(shè)計(jì)高程約70 m?，F(xiàn)場調(diào)查也顯示，在擬建公路上緣已產(chǎn)生滑裂縫，下緣有多處擠壓外鼓變形，路基下沉變形明顯，說明該滑坡體還在緩慢變形。

位于K96+540—K96+800段的白濟(jì)訊滑坡在邊坡體的中前部，線路通過地段切坡完成后，在抗滑樁+錨索結(jié)構(gòu)施工過程中，坡面和路基均發(fā)現(xiàn)有裂縫和較大沉降變形，說明滑坡一直處在變形之中。根據(jù)實(shí)測資料，坡體前緣到后緣的水平距離為320 m，坡體高差約140 m，地表平均坡度為24°，是一個(gè)較大規(guī)模的滑坡體，見圖1(a)。圖1(b)展示了該滑坡的典型工程地質(zhì)剖面。

圖1 滑坡地形及地質(zhì)剖面圖

滑坡體的物質(zhì)組成主要為松散殘積坡體土層、全強(qiáng)風(fēng)化破碎片巖，滑床為中風(fēng)化、微風(fēng)化的板巖、砂巖、泥巖。通過地質(zhì)勘察和反分析綜合確定不同狀態(tài)巖土體強(qiáng)度參數(shù)見表1。

表1 巖土層強(qiáng)度參數(shù)

2.2 基于強(qiáng)度折減法的邊坡變形發(fā)展過程

邊坡失穩(wěn)由前緣開始擴(kuò)展，逐漸發(fā)展到一個(gè)較大的范圍，是典型的牽引式滑坡，其破壞是一個(gè)漸進(jìn)累積破壞過程。在大氣降雨入滲作用下，在滑帶附近，土體的含水率逐漸增加，滑帶巖土強(qiáng)度參數(shù)逐漸衰減，這個(gè)衰減過程的最大程度，取決于滑帶土的飽和度，最大下降到飽水狀態(tài)強(qiáng)度參數(shù)。其中由于地形條件和地下水的淋濾路徑，前緣一般相對于別的位置更容易先期達(dá)到飽水狀態(tài)，而滑坡的中前部一般為抗滑段，該段滑面參數(shù)的降低對于坡體穩(wěn)定往往影響很大。分別考慮坡體不同部位的巖土體處于不同的軟化階段，即一部分坡體處于飽和抗剪強(qiáng)度，另外的坡體處于正常含水率時(shí)的抗剪強(qiáng)度，并分別考慮飽和抗剪強(qiáng)度坡體和正常含水率時(shí)的抗剪強(qiáng)度坡體占有不同比例，模擬降雨入滲后坡體的飽和情況。

計(jì)算中假設(shè)坡體自前部往中后部逐步飽和，相應(yīng)的巖土強(qiáng)度參數(shù)調(diào)整成飽水狀態(tài)強(qiáng)度參數(shù)，將整個(gè)邊坡劃分為5個(gè)區(qū)域(見圖2)，40%飽和對應(yīng)前兩個(gè)區(qū)域?yàn)轱査疇顟B(tài)強(qiáng)度參數(shù)，其余區(qū)域?qū)?yīng)自然強(qiáng)度參數(shù)；60%飽和對應(yīng)前三個(gè)區(qū)域?yàn)轱査疇顟B(tài)強(qiáng)度參數(shù)，其余區(qū)域?qū)?yīng)自然強(qiáng)度參數(shù)；100%飽和即全部5個(gè)區(qū)域均采用飽水狀態(tài)強(qiáng)度參數(shù)。

圖2 邊坡飽和區(qū)域劃分

有限元計(jì)算采用Rocscience Phase2軟件，采用彈塑性模型，摩爾-庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則，采用強(qiáng)度折減方法計(jì)算邊坡安全系數(shù)，參考文獻(xiàn)資料，以計(jì)算不收斂作為邊坡失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)。

分為3個(gè)幅段(分別為40%飽和、60%飽和、100%飽和)自下而上逐步弱化的計(jì)算工況，所得剪切應(yīng)變云圖揭示邊坡變形特征如圖3所示，不同階段的強(qiáng)度折減安全系數(shù)如表2所示。

圖3 邊坡變形漸進(jìn)過程表2 滑面不同比例飽和強(qiáng)度對邊坡整體穩(wěn)定性的影響

從圖2可知，隨著坡體的逐步飽和，在60%坡體飽和時(shí)，剪切應(yīng)變云圖揭示的變形規(guī)模和勘察獲取的滑動(dòng)面位置基本相同，在往上滑動(dòng)面變淺，滑體變薄，這可以說是次一級連續(xù)滑動(dòng)造成的。從表2可知，原本穩(wěn)定的坡體，在中前部抗滑段達(dá)到飽和后，土體自身的抗滑能力極大地削弱，使得坡體不穩(wěn)定。中后部的飽水進(jìn)一步地削弱了其抗滑能力，但不起控制作用。這充分說明了抗滑段疏排水措施的重要性。只要能保證抗滑段的性質(zhì)不發(fā)生弱化，阻止第一級破壞的產(chǎn)生，再采取一定的工程加固措施，則坡體能保持穩(wěn)定。

2.3 基于考慮地形變化的極限平衡法的邊坡破壞發(fā)展過程

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)邊坡發(fā)育多條拉裂縫，這一特征和牽引式滑動(dòng)模式相符合。作為這種破壞發(fā)展過程的一種最不利情況，采用考慮地形變化的極限平衡法進(jìn)行分析，分別考慮滑面不同部位的巖土體處于不同的軟化階段，即一部分滑面處于飽和抗剪強(qiáng)度，另外的滑面處于正常含水率時(shí)的抗剪強(qiáng)度，并分別考慮飽和抗剪強(qiáng)度滑面和正常含水率時(shí)的抗剪強(qiáng)度滑面占有不同比例，模擬降雨入滲后坡體的飽和情況。

因?yàn)檫吰聨r土體中沒有控制性的結(jié)構(gòu)面，實(shí)際破壞揭示的滑面近似于圓弧，因此極限平衡分析方法選擇嚴(yán)格滿足力和力矩平衡的Morgenstern-Price法，采用自動(dòng)搜索滑面的方式獲取最不利滑動(dòng)面。

從圖4中可以觀察到滑動(dòng)面在空間演化過程，安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表3。對比圖3和圖4，可以發(fā)現(xiàn)兩者滑面規(guī)律相似，分布范圍大致相同。這展示了邊坡的牽引滑動(dòng)過程，和有限元強(qiáng)度折減方法得到的滑面發(fā)展過程類似。隨著滑體滑出、地形發(fā)生變化，由于前緣阻滑段逐漸滑出，并且?guī)r土體飽和范圍逐漸增加，邊坡的安全系數(shù)逐漸下降，邊坡的滑動(dòng)范圍逐漸向后擴(kuò)展，當(dāng)這些潛在滑體全部滑出后，邊坡又達(dá)到一個(gè)新的平衡狀態(tài)。

圖4 牽引式滑動(dòng)破壞機(jī)制表3 滑面不同比例飽和對邊坡整體穩(wěn)定性的影響

雖然兩種分析方法不同，但安全系數(shù)的計(jì)算上也有一定的可比性。對比表2和表3可以發(fā)現(xiàn)，初始條件下(40%飽和)，極限平衡法的安全系數(shù)略大于有限元強(qiáng)度折減法；隨著巖土體飽和范圍的增加(60%飽和)，邊坡安全系數(shù)下降，極限平衡法的安全系數(shù)較有限元強(qiáng)度折減法低，主要是相對于強(qiáng)度折減法，阻滑段滑出的滑體使得邊坡抗滑能力降低；隨著巖土體進(jìn)一步飽和(100%飽和)，邊坡安全系數(shù)下降，極限平衡法的安全系數(shù)較有限元強(qiáng)度折減法降低較多，主要是相對于強(qiáng)度折減法，阻滑段滑出的滑體使得后部坡體臨空，使得邊坡穩(wěn)定性較大程度下降。

3 結(jié) 論

本文通過兩種方法研究了全強(qiáng)風(fēng)化巖質(zhì)邊坡在工程開挖條件下失穩(wěn)破壞機(jī)制，分別是考慮地形變化的極限平衡方法和考慮坡體變形過程的有限元強(qiáng)度折減方法，極限平衡法中考慮了邊坡失穩(wěn)過程中地形逐漸發(fā)生變化，獲得滑坡發(fā)展過程；有限元強(qiáng)度折減法獲取了坡體的變形發(fā)展過程，兩種分析方法相結(jié)合更有助于分析邊坡的失穩(wěn)破壞機(jī)制。以某公路邊坡為例，通過兩種方法的組合分析，揭示了邊坡的牽引式滑動(dòng)破壞機(jī)制，建議工程處治措施應(yīng)重視抗滑段疏排水，防止第一級破壞，可避免破壞范圍擴(kuò)大，減少工程損失。

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Numerical Simulation of Failure Mechanism of Fully-highly Weathered Rock Slope

LI Damao1，2, ZHANG Guohui1，2, YUAN Conghua3

(1.YunnanProvinceHighwayInvestmentandDevelopmentCo.,Ltd.,Kunming,Yunnan650200,China;2.YunnanXiaomoExpresswayExtensionProjectConstructionHeadquarters,Jinghong,Yunnan666100,China;3.StateKeyLaboratoryofGeomechanicsandGeotechnicalEngineering,InstituteofRockandSoilMechanics,ChineseAcademyofSciences,Wuhan,Hubei430071,China)

Numerical simulation method for slope stability analysis has been paid more and more attention. In this paper the mechanism of slope instability destruction of fully-highly weathered rock mass was investigated based on limit equilibrium method considering topographic development and strength reduction finite element method considering deformation development. It was found that the strength of fully-highly weathered rock mass can be easily softened by water. Great reduction of strength was caused when the front anti-sliding segment was in saturation, which played a key role in the slope stability. The failure mechanism of retrogressive landslide was appeared in the process of slope instability, and the traction developed upwards step by step, which provided the space for deformation. Therefore the first level damage should be prevented and drainage measures should be highly regarded.

slope instability; fully-highly weathered rock; limit equilibrium method; strength reduction method; retrogressive landslide

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.039

2016-12-09

2017-02-04

云南省交通科技項(xiàng)目(云交科教[2016]163號(hào)一(三))，(云交科[2014](A)01)；陸地交通氣象災(zāi)害防治技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(NELBP201601)

李大茂(1964—)，男，貴州金沙人，高級工程師，主要從事交通工程管理工作。 E-mail：2298331767@qq.com

TU457

A

1672—1144(2017)02—0205—05