劉洪波，李水江，葉永康，謝運(yùn)鵬

（1、廣州環(huán)投增城環(huán)保能源有限公司 廣州 511335；2、廣州環(huán)保投資有限公司 廣州 510330；3、廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院 廣州 510006）

0 引言

節(jié)理是影響巖土穩(wěn)定性的重要因素之一，不同節(jié)理布置對(duì)邊坡穩(wěn)定性會(huì)有較大的影響。在我國南部山區(qū)，豎向節(jié)理亦有發(fā)育，豎向節(jié)理的存在是導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的重要危險(xiǎn)性因素。因此，研究巖質(zhì)邊坡中節(jié)理的存在對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響至關(guān)重要。節(jié)理巖體邊坡穩(wěn)定性分析方法主要有傳統(tǒng)極限平衡分析法，如Bishop 法［1］、Sarma 法［2］等?；谛睏l塊的Sarma 法是公認(rèn)的計(jì)算具有節(jié)理切割的巖體邊坡穩(wěn)定性的有效方法，但公式較為繁瑣，推導(dǎo)過程非常復(fù)雜。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)值分析方法開始被廣泛地應(yīng)用于巖土力學(xué)的邊坡穩(wěn)定分析之中?；谟邢拊c離散元理論的數(shù)值分析法，有強(qiáng)度折減法［3］、重力增加法［4］、塑性極限法［5］、等效連續(xù)模型法［6］等。這些方法之中，強(qiáng)度折減法求解的安全系數(shù)則是基于應(yīng)力-應(yīng)變分析的近似解，計(jì)算結(jié)果與嚴(yán)格的極限平衡方法求解的計(jì)算結(jié)果較為接近。其余方法由于獲取參數(shù)較為困難且工程類比經(jīng)驗(yàn)尚不多，目前在邊坡巖體穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用還較為狹窄。

國內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)巖體邊坡的穩(wěn)定性分析進(jìn)行了相關(guān)研究。鄭穎人等人［7］將強(qiáng)度折減法引入有限元計(jì)算，進(jìn)行巖體邊坡的穩(wěn)定性分析，為巖質(zhì)邊坡問題的研究開辟了新的路徑。蔣明鏡等人［8］進(jìn)行了節(jié)理巖質(zhì)邊坡的離散元數(shù)值模擬以及環(huán)境劣化因素對(duì)非貫通節(jié)理巖體強(qiáng)度的影響。邊坡巖體結(jié)構(gòu)模型的建立很大程度上將影響其數(shù)值模擬計(jì)算［9］。陳永明等人［10］建立貫穿的平行節(jié)理模型，但沒有考慮到巖橋以及節(jié)理接觸關(guān)系對(duì)巖體強(qiáng)度的影響；李源亮等人［11］用Beacher 模型對(duì)巖質(zhì)節(jié)理邊坡進(jìn)行建模，解決的實(shí)際邊坡節(jié)理離散的問題，但不能準(zhǔn)確反映各組節(jié)理模擬程度與分布類型。MENG 等人［12］提出的離散單元法（DEM）以牛頓第二定律為理論依據(jù)，各塊體或顆粒根據(jù)受力狀態(tài)運(yùn)動(dòng)，可相互分離獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，能反映巖塊間的接觸、分離和傾倒等大位移問題，適用于節(jié)理巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析。NISHIMURA 等人［13］利用離散元商業(yè)軟件PFC2D 模擬分析了完全均質(zhì)巖質(zhì)邊坡的滑動(dòng)機(jī)理；JIANG 等人［14］提出一種新的微觀接觸模型并利用離散元法分析了兩組節(jié)理巖質(zhì)邊坡的破壞機(jī)理。

但目前國內(nèi)外對(duì)豎向節(jié)理分布特征巖質(zhì)邊坡的研究還有一定的局限性，在實(shí)際工程中，豎向節(jié)理邊坡影響因素更為復(fù)雜，而對(duì)巖質(zhì)邊坡豎向節(jié)理間距布置的穩(wěn)定性分析的文章較少，亟需更為細(xì)致的模型來合理地評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性。本文采用有限元方法，通過采用有限元軟件Midas 建立模型，并考慮不同節(jié)理間距分布工況，對(duì)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律進(jìn)行了分析，以期研究結(jié)果可為類似工程提供參考和借鑒。

1 工程概況

某工程巖質(zhì)邊坡施工現(xiàn)場(chǎng)廣泛分布有豎向節(jié)理特征，現(xiàn)場(chǎng)施工情況如圖1 所示。巖質(zhì)邊坡場(chǎng)地內(nèi)人工填土層較為廣泛分布，中風(fēng)化的巖石巖芯較完整，強(qiáng)風(fēng)化巖有較為明顯的風(fēng)化差異，遇水易軟化、崩解。本文建立模型選取的巖質(zhì)邊坡是擬建項(xiàng)目中西南側(cè)的一坡。區(qū)內(nèi)氣象災(zāi)害有熱帶氣旋、暴雨和強(qiáng)對(duì)流等；臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)暴潮、暴雨往往會(huì)接踵而至，易引起水患，建（構(gòu)）筑物應(yīng)注意夏季的排澇、通風(fēng)降溫工作。

圖1 施工現(xiàn)場(chǎng)Fig.1 Site Construction

2 巖質(zhì)邊坡數(shù)值模擬計(jì)算分析

2.1 有限元強(qiáng)度折減法

穩(wěn)定性是指邊坡抵抗將地球物質(zhì)推下邊坡的力的能力。有限元強(qiáng)度折減法（SRM）法用于計(jì)算邊坡在事故點(diǎn)或失穩(wěn)點(diǎn)的安全系數(shù)。利用強(qiáng)度折減系數(shù)Fs來降低粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ值，用折減后的虛擬抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的c′和φ′值，取代原來的粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ值，解析分析直至計(jì)算出失穩(wěn)條件。通過強(qiáng)度折減，使系統(tǒng)達(dá)到不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，有限元計(jì)算將不收斂，此時(shí)的折減系數(shù)就是安全系數(shù)。如果使有限元法保持足夠的計(jì)算精度，那么有限元法較傳統(tǒng)的方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：①能夠?qū)哂袕?fù)雜地貌、地質(zhì)的邊坡進(jìn)行計(jì)算；②考慮了土體的非線性彈塑性本構(gòu)關(guān)系，以及變形對(duì)應(yīng)力的影響；③能夠模擬土坡的失穩(wěn)過程及其滑移面形狀?；泼娲笾略谒轿灰仆蛔兊牡胤郊八苄宰冃伟l(fā)展嚴(yán)重的部位，呈條帶狀。安全系數(shù)計(jì)算具體公式如下：

式中：Fs為強(qiáng)度折減系數(shù)；c′為折減之后的粘聚力；φ′為折減之后的內(nèi)摩擦角；τ′為折減之后的抗剪強(qiáng)度。

2.2 模型建立相關(guān)參數(shù)

在進(jìn)行數(shù)值模擬分析建模過程中，材料所采取的相關(guān)參數(shù)取值如表1所示。

2.3 數(shù)值模擬穩(wěn)定性分析

建立的模型為簡(jiǎn)化三維模型，設(shè)定邊界的約束條件、自重荷載、節(jié)理屬性等分析條件，輸入表1 中的材料參數(shù)和建立屬性，劃分網(wǎng)格，如圖2所示。

表1 模型相關(guān)參數(shù)Tab.1 Model Related Parameters

圖2 巖質(zhì)邊坡模型網(wǎng)格劃分Fig.2 Grid Division of Rock Slope Model

坡面坡度為1∶1.00，基于Midas-GTS 巖土有限元軟件研究，對(duì)此巖質(zhì)邊坡劃分為2 m、4 m、6 m、8 m 節(jié)理間距布置。各坡坡號(hào)已在圖2 標(biāo)明，各模擬節(jié)理間距布置如圖3所示，模擬軟件建模和輸入相關(guān)參數(shù)，然后選用摩爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，采用強(qiáng)度折減法（SRM）對(duì)其粘聚力和內(nèi)摩擦角不斷進(jìn)行折減計(jì)算，利用此原理分析巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性，進(jìn)行模擬巖質(zhì)邊坡的邊界條件和受力情況，以此來判斷邊坡的穩(wěn)定性，選用的工程項(xiàng)目巖體質(zhì)量較好，在天然應(yīng)力狀態(tài)下，計(jì)算出安全穩(wěn)定系數(shù)為1.95，未開挖時(shí)巖質(zhì)邊坡基本穩(wěn)定，坡體無大滑動(dòng)產(chǎn)生。下文中的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)均是在邊坡開挖后未支護(hù)狀態(tài)下計(jì)算得出，如下所示：

⑴如圖3 所示，節(jié)理2 m 間距布置時(shí)，安全系數(shù)為1.200。最大塑性區(qū)有效應(yīng)變?yōu)?.7×10-1，滑裂面從④號(hào)坡處向坡頂延伸，坡面整體變形較大，坡體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，節(jié)理分布對(duì)邊坡穩(wěn)定有顯著影響。

圖3 節(jié)理2 m間距布置網(wǎng)格塑性區(qū)有效應(yīng)力及有效應(yīng)變分布Fig.3 Effective Force and Effective Strain Distribution in the Plastic Zone of the Joint 2 m Spacing Arrangement Grid

⑵如圖4 所示，節(jié)理4 m 間距布置時(shí)，安全系數(shù)為1.225。最大塑性區(qū)有效應(yīng)變?yōu)?.0×10-1，滑裂面從④號(hào)坡處向坡頂延伸。坡面整體變形相較于2 m節(jié)理間距布置時(shí)有明顯下降，坡體仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 節(jié)理4 m間距布置網(wǎng)格塑性區(qū)有效應(yīng)力及有效應(yīng)變分布Fig.4 Effective Force and Effective Strain Distribution in the Plastic Zone of the Joint 4 m Spacing Arrangement Grid

⑶如圖5所示，節(jié)理6 m間距布置時(shí)，安全系數(shù)為1.302。最大塑性區(qū)有效應(yīng)變?yōu)?6.1，滑裂面從②號(hào)坡處向坡頂延伸。此時(shí)，潛在滑裂面從④號(hào)坡整體上移至②號(hào)坡，說明當(dāng)節(jié)理間距達(dá)到6 m時(shí)，下層巖質(zhì)邊坡已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，節(jié)理的分布對(duì)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性已無明顯影響，坡體滑裂面變形雖然較大，但都發(fā)生于上部淺層邊坡，土層為松散的人工填土或素填土，巖質(zhì)邊坡主體部分已無明顯應(yīng)變變形，坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

⑷如圖6 所示，節(jié)理8 m 間距布置時(shí)，安全系數(shù)為1.350。最大塑性區(qū)有效應(yīng)變?yōu)?6.4，滑裂面從②號(hào)坡處向坡頂延伸。從圖5?及圖6?可以看出，主體巖質(zhì)邊坡基本不發(fā)生變形，這也進(jìn)一步說明豎向節(jié)理分布特征的發(fā)育對(duì)于巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性來說是一個(gè)不利因素，在豎向節(jié)理廣泛分布的巖質(zhì)邊坡中，大變形通常會(huì)出現(xiàn)在豎向節(jié)理發(fā)育處，對(duì)巖質(zhì)邊坡來說，豎向節(jié)理可看成一軟弱夾層，對(duì)巖體整體安全穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。此時(shí)坡體情況同6 m 間距布置時(shí)，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 節(jié)理6 m間距布置網(wǎng)格塑性區(qū)有效應(yīng)力及有效應(yīng)變分布Fig.5 Effective Force and Effective Strain Distribution in the Plastic Zone of the Joint 6 m Spacing Arrangement Grid

圖6 節(jié)理8 m間距布置網(wǎng)格塑性區(qū)有效應(yīng)力及有效應(yīng)變分布Fig.6 Effective Force and Effective Strain Distribution in the Plastic Zone of the Joint 8 m Spacing Arrangement Grid

不同節(jié)理間距布置時(shí)，巖質(zhì)邊坡各個(gè)工況的安全系數(shù)如圖7所示。

由圖7可知，豎向節(jié)理的存在會(huì)影響邊坡穩(wěn)定，表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，其中2 m 節(jié)理間距布置時(shí)安全系數(shù)最小，為1.2。隨著節(jié)理布置間距的增大，安全系數(shù)呈線性遞增，10 m 節(jié)理間距布置時(shí)安全系數(shù)達(dá)到最大，為1.350。這是因?yàn)閷?duì)于巖質(zhì)邊坡來說，節(jié)理屬于影響其穩(wěn)定性的不利因素，節(jié)理過多發(fā)育將影響巖體的不穩(wěn)定性。特別在本文中對(duì)于豎向節(jié)理分布特征，豎向節(jié)理分布越密集，巖體越有可能產(chǎn)生拉剪破壞。

圖7 不同節(jié)理間距時(shí)邊坡安全系數(shù)Fig.7 Safety Factor of Slope with Different Joint Spacing

3 結(jié)論

本文以實(shí)際工程案例為分析研究對(duì)象，采用Midas-GTS有限元軟件對(duì)不同豎向節(jié)理分布特征間距下的巖質(zhì)邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，得到的主要結(jié)論如下：

⑴在豎向節(jié)理廣泛分布的巖質(zhì)邊坡中，節(jié)理發(fā)育分布越密集，巖體整體穩(wěn)定性越差。每條節(jié)理裂隙對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響不盡相同，而邊坡穩(wěn)定性的破壞往往是多條節(jié)理裂隙破壞共同作用的結(jié)果。

⑵在豎向節(jié)理廣泛分布的巖質(zhì)邊坡中，變形通常會(huì)出現(xiàn)在豎向節(jié)理發(fā)育處，對(duì)巖質(zhì)邊坡來說，豎向節(jié)理可看成一軟弱夾層，對(duì)巖體整體安全穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

⑶節(jié)理發(fā)育處抗剪強(qiáng)度降低，抵抗滑裂面產(chǎn)生的能力下降；容易產(chǎn)生巖體局部大變形乃至崩塌。

⑷在工程地質(zhì)勘察中，節(jié)理不如軟弱結(jié)構(gòu)面、巖溶塌陷、古滑坡等大型地質(zhì)構(gòu)造那樣被重視，往往很容易被忽視。施工時(shí)需加強(qiáng)對(duì)節(jié)理裂隙發(fā)育的重視及提高工程地質(zhì)勘察質(zhì)量。

⑸在工程實(shí)際建設(shè)中，要減小豎向節(jié)理發(fā)育的巖質(zhì)邊坡對(duì)工程的影響，選取節(jié)理發(fā)育較差的巖質(zhì)邊坡進(jìn)行施工，有利于工程的順利進(jìn)行。如無法避免，可在節(jié)理發(fā)育處進(jìn)行邊坡支護(hù)處理。