鄒麗芳,徐衛(wèi)亞,寧宇,鄭文棠(河海大學(xué)a.巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jī)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(xué)a.巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.巖土工程研究所,南京210098)

傾倒變形破壞常見(jiàn)于層狀巖質(zhì)邊坡工程,其機(jī)理研究對(duì)邊坡穩(wěn)定性分析具有重大意義。在國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究基礎(chǔ)上對(duì)彎曲傾倒、塊狀傾倒及塊狀-彎曲傾倒3種不同破壞模式進(jìn)行了分析,就邊坡幾何形狀、巖層強(qiáng)度和長(zhǎng)細(xì)比、層面力學(xué)參數(shù)、地下水、開(kāi)挖作用等因素對(duì)傾倒變形的影響進(jìn)行了闡述,介紹了傾倒變形破壞機(jī)理在物理模型試驗(yàn)、極限平衡、數(shù)值模擬3種方法中的研究進(jìn)展,指出了不同方法的適用性和優(yōu)缺點(diǎn),說(shuō)明了研究中需要改進(jìn)和深化的內(nèi)容。

傾倒變形;破壞機(jī)理;層狀邊坡;數(shù)值模擬

傾倒是指層狀反坡向結(jié)構(gòu)及部分陡傾角順層邊坡的表部巖層因蠕動(dòng)變形而向臨空方向一側(cè)產(chǎn)生彎曲、折斷,形成所謂點(diǎn)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(dòng),但若不加控制的話,仍然可能導(dǎo)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(jiàn)于我國(guó)的礦山和水電工程中,如西部金川露天礦邊坡[4]、錦屏一級(jí)水電站左岸邊坡[5,6]、小灣水電站飲水溝邊坡[7]、昌馬水庫(kù)傾倒變形邊坡[8]、龍灘水電站左岸邊坡[9]、五強(qiáng)溪水電站楊五廟壩址左岸邊坡[10]、小浪底工程庫(kù)區(qū)岸坡[11]、洼里滑坡[12]等。鑒于傾倒變形的復(fù)雜性和在邊坡工程中的重要性,眾多學(xué)者就其機(jī)理進(jìn)行了研究,但仍無(wú)確定性方法預(yù)測(cè)一個(gè)邊坡是會(huì)持續(xù)緩慢變形還是會(huì)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(duì)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(yàn)方法、極限平衡方法、數(shù)值模擬方法對(duì)傾倒變形機(jī)理的研究進(jìn)展,指出了這3種方法的適用性和優(yōu)缺點(diǎn),說(shuō)明了研究中需要進(jìn)一步改進(jìn)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(jié)構(gòu)的邊坡中。巖層的傾倒以彎曲、張裂、滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)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(cuò)動(dòng)[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(jiàn)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(jié)構(gòu)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(yè)巖互層、薄層狀石灰?guī)r中[3]。軟硬相間的層狀巖體在構(gòu)造作用下存在層間錯(cuò)動(dòng)[13]?？稍趶澢鷥A倒變形穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)上,考慮垂直層面方向的節(jié)理或裂隙對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響,從而實(shí)現(xiàn)此類傾倒模式的穩(wěn)定性分析。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)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(yīng)力場(chǎng)、邊坡初始坡型、邊坡開(kāi)挖深度與角度、巖體與層面力學(xué)參數(shù)、層面幾何特性即層面間距與傾角、開(kāi)挖后地下水位變化等。齊典濤(2001)[8]關(guān)于昌馬水庫(kù)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(gòu)造影響,卸荷作用,冰川活動(dòng)時(shí)對(duì)巖層頂端的拖曳作用,冰劈作用。徐佩華等(2004)[6]認(rèn)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(qiáng)度、巖層長(zhǎng)細(xì)比、巖層傾角、層面力學(xué)參數(shù)、與層面正交或斜交的節(jié)理組力學(xué)參數(shù)和連通率、開(kāi)挖作用對(duì)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(fēng)化和卸荷)的研究較少。其中地下水的研究?jī)H限極限平衡法及少量模型試驗(yàn)研究,未見(jiàn)數(shù)值模擬方面的文獻(xiàn)。伍法權(quán)(1997)[15]以庫(kù)侖強(qiáng)度理論為依據(jù),對(duì)薄片狀云母石英片巖斜坡彎曲傾倒變形進(jìn)行分析,討論了地下水壓力的作用。常祖峰等(1999)[11]考慮了開(kāi)挖和地下水作用對(duì)小浪底工程庫(kù)區(qū)岸坡傾倒變形的影響。李天扶(2006)[16]認(rèn)為傾倒破壞穩(wěn)定分析中,應(yīng)計(jì)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(duì)巖層傾角、層面間距和層面力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了研究,得出了一些定性或定量的結(jié)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(gè)方面:

(1)邊坡幾何形狀(坡高,坡角),其中坡高對(duì)傾倒變形的影響研究較少。

(2)巖層強(qiáng)度、厚度(巖層長(zhǎng)細(xì)比)、傾角,層面力學(xué)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(duì)邊坡變形影響不大。許多學(xué)者認(rèn)為,對(duì)邊坡傾倒變形影響最大的因素有2個(gè),即層面的間距(等效于層面之間板狀巖體的長(zhǎng)細(xì)比)及力學(xué)參數(shù)[14]。盧增木等(2006)[18]、左保成等(2005)[17]通過(guò)模型試驗(yàn)得出層面剪切強(qiáng)度對(duì)傾倒變形影響較大,而JoséMuralha(2003)[20]通過(guò)參數(shù)研究認(rèn)為層面和折斷面的剪切強(qiáng)度不像預(yù)計(jì)的那樣起重大作用。作者認(rèn)為,對(duì)于這一點(diǎn),需要進(jìn)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(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)[9,14]。

(5)外力作用:如河谷下切,開(kāi)挖作用,風(fēng)化卸荷作用,冰劈作用,冰川運(yùn)動(dòng),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(qiáng)度降低,層間錯(cuò)動(dòng)能力加強(qiáng),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(jī)理研究

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

3.1 物理模型試驗(yàn)方法

物理模擬試驗(yàn)方法雖然周期長(zhǎng)、費(fèi)用高,但可直觀地模擬邊坡巖體中的應(yīng)力大小及其分布,能直接觀測(cè)和記錄巖體的變形、破壞機(jī)制及其發(fā)展過(guò)程。

黃潤(rùn)秋等(1994)[21]通過(guò)模型試驗(yàn)得出了變形深度與巖層傾角、坡角的關(guān)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(shì),則有助于邊坡穩(wěn)定性的判別和預(yù)測(cè)。羅華陽(yáng)等(2000)[10]對(duì)五強(qiáng)溪水電站左岸船閘邊坡某斷面進(jìn)行了模型試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)開(kāi)挖卸荷后變形明顯,裂隙滲透水引起的變形比開(kāi)挖引起的變形大,有較大參考價(jià)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(qiáng)度和厚度是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素,而巖層傾角對(duì)變形影響不大;此類邊坡的變形破壞過(guò)程具有明顯的“疊合懸臂梁”特征。這些模型試驗(yàn)對(duì)工程實(shí)際皆具有指導(dǎo)意義。

D.P.Adhikary(2007)[22]通過(guò)離心試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),彎曲傾倒模式下,假定層間作用力為集中力時(shí),作用點(diǎn)在0.55～0.60層高處。層面摩擦角較大時(shí)彎曲傾倒破壞為瞬時(shí)性,摩擦角較小時(shí)彎曲傾倒破壞為漸進(jìn)性,決定破壞模式的關(guān)鍵摩擦角度值為20°～25°。凝聚力對(duì)破壞機(jī)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(yàn)的基礎(chǔ)上,發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生彎曲的巖層長(zhǎng)度與巖層總長(zhǎng)度的比率(buckling ratio)為0.36～0.46。這個(gè)固定buckling ratio的假定并不適用所有不同幾何性質(zhì)的邊坡。實(shí)際上,buckling ratio必須是關(guān)于邊坡幾何參數(shù)的函數(shù)[23]。

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

3.2 極限平衡方法

極限平衡方法避開(kāi)了廣泛的應(yīng)力計(jì)算,關(guān)注瞬時(shí)破壞前的狀態(tài),模型簡(jiǎn)單,計(jì)算快捷,對(duì)邊坡穩(wěn)定性的初步估計(jì)是合適的。

Goodman和Bray(1976)[3]首先采用極限平衡方法(簡(jiǎn)稱G-B法)進(jìn)行了分析,模型示意圖見(jiàn)圖2。該方法假定臺(tái)階狀的破壞面和均一的巖柱寬度和臺(tái)階高度,未反映出巖體結(jié)構(gòu)面的分布情況;結(jié)構(gòu)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(diǎn)位于巖層面接觸處頂部[25]。Duncan (1992)[26]在G-B模型的基礎(chǔ)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(rèn)為Duncan把水壓力按巖石塊體的斜高計(jì)算是錯(cuò)誤的,應(yīng)按水柱的垂直高度計(jì)算。陳祖煜(1996)[27]進(jìn)行了G-B法的改進(jìn),考慮了巖柱底滑面的連通率,定義了安全系數(shù),改進(jìn)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(duì)G-B法進(jìn)行了改進(jìn),考慮了巖體結(jié)構(gòu)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(guān)于其它極限平衡方法的研究,朱繼良等(2004)[12]通過(guò)用簡(jiǎn)化畢肖普法對(duì)該滑坡進(jìn)行了穩(wěn)定性計(jì)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(diǎn)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果估計(jì)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(chǔ)上,假定塊體厚度很小,對(duì)塊狀傾倒模式進(jìn)行了無(wú)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(jiǎn)單和受簡(jiǎn)單荷載作用的情況,考慮的是均勻介質(zhì)的簡(jiǎn)單破壞模式,這與邊坡傾倒變形受反傾結(jié)構(gòu)面決定性控制的實(shí)際情況相差甚遠(yuǎn)。這些限制制約了塊體傾倒破壞分析方法的推廣應(yīng)用[5]。還有學(xué)者認(rèn)為,傾倒變形破壞首先在坡頂產(chǎn)生,極限平衡假設(shè)滑動(dòng)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(jié)構(gòu)巖體的力學(xué)作用遵守板梁結(jié)構(gòu)變形和破壞法則,板梁彎曲和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的力學(xué)模型是它的基本力學(xué)模型。Adhikary(2007)[22]認(rèn)為極限平衡模型可以預(yù)測(cè)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(huì)高估破壞荷載,因此,建議節(jié)理摩擦角較小時(shí)謹(jǐn)慎使用極限平衡方法。

綜上,邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算中,若僅關(guān)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(jì)。若預(yù)先假定破壞面位置則會(huì)限制極限平衡模型的應(yīng)用。關(guān)于破壞面形狀,目前所見(jiàn)的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)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(jiàn)塊狀-彎曲傾倒型邊坡的極限平衡計(jì)算。此外,巖層間的相互作用力通常被假設(shè)為集中荷載或均布力形式,還可進(jìn)行力的其它分布形式的研究。考慮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(xué)者對(duì)極限平衡方法適用性持有的不同看法,尚須對(duì)此進(jìn)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(xué)和非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的數(shù)值模擬方法在邊坡穩(wěn)定性分析中得到了廣泛運(yùn)用,它對(duì)原型的反映不僅僅是單變量的趨勢(shì)相似,而且模型本身能反映滑坡體的形成機(jī)制[6]。目前主要研究方法的進(jìn)展如下。

3.3.1 連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法

常見(jiàn)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(yīng)用彈-粘塑性模型,研究了層面間距及力學(xué)參數(shù)對(duì)變形的影響,發(fā)現(xiàn)切向變形剛度值和層面間距對(duì)坡頂位移影響很大。常祖峰(1999)[11]應(yīng)用非線性理論對(duì)單層傾倒變形破壞進(jìn)行了有限元模擬,結(jié)果與野外實(shí)測(cè)剖面非常吻合。徐佩華等(2004)[5]采用FLAC3D進(jìn)行傾倒變形機(jī)制的三維數(shù)值模擬,認(rèn)為坡體卸荷和卸荷回彈促進(jìn)彎曲傾倒變形的進(jìn)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(jìn)行了大規(guī)模彎曲傾倒變形破壞機(jī)理的研究。

當(dāng)層面剛度很大,等效連續(xù)介質(zhì)和單個(gè)巖層的有效剪切模量差別不大時(shí),層面滑動(dòng)很小,巖層彎曲可以忽略。當(dāng)節(jié)理剪切剛度很小時(shí),巖層滑動(dòng)時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生彎曲。若不計(jì)材料抵抗彎曲的作用,等效連續(xù)介質(zhì)模型可能會(huì)高估變形量。此外,巖層數(shù)目較多或巖層相對(duì)較薄時(shí),模擬過(guò)程麻煩且需要較高的計(jì)算機(jī)處理能力。若等效成連續(xù)介質(zhì)模型,同時(shí)采用能考慮巖層抵抗彎曲作用的理論[30],提供一個(gè)廣義上的對(duì)此類介質(zhì)的平均描述會(huì)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(jī)理[22]的一個(gè)較好手段。國(guó)內(nèi)佘成學(xué)[31]、陳勝宏、葛修潤(rùn)等較早進(jìn)行了這方面的研究。國(guó)外學(xué)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(shí)現(xiàn)了層狀邊坡彎曲傾倒變形過(guò)程的有限元分析,但由于小變形的假設(shè),應(yīng)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(jìn)一步完善[33]。

作者認(rèn)為,建立在Cosserat理論上的能考慮巖層轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)和大變形的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型是研究邊坡傾倒變形機(jī)理的一個(gè)較好方法,但是經(jīng)典連續(xù)介質(zhì)的屈服準(zhǔn)則無(wú)法直接用于Cosserat連續(xù)介質(zhì),所以需要發(fā)展相應(yīng)的合適的屈服準(zhǔn)則。李銀平、劉俊、李育超等已經(jīng)展開(kāi)了相關(guān)研究,但多為簡(jiǎn)單荷載情況,尚未見(jiàn)到考慮地下水作用的相關(guān)文獻(xiàn),否則可以更廣泛地解決邊坡傾倒變形問(wèn)題。

3.3.2 非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法

當(dāng)巖體被節(jié)理切割成離散又相互作用的塊體時(shí),應(yīng)用非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法,能直接反映結(jié)構(gòu)面對(duì)邊坡變形的影響。

J.SJ¨OBERG(1999)[29]采用UDEC進(jìn)行了大規(guī)模彎曲傾倒變形破壞機(jī)理的研究,傾倒破壞整個(gè)過(guò)程見(jiàn)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(dòng),然后逐漸向坡頂發(fā)展,其間應(yīng)力重分布;巖層被壓縮,為轉(zhuǎn)動(dòng)提供空間,轉(zhuǎn)動(dòng)巖層基部開(kāi)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(yàn)的塊體傾倒,考慮了模型試驗(yàn)傾斜臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)速率、塊體間接觸面的摩擦角、塊體邊角的的圓弧長(zhǎng)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(jìn)行了參數(shù)(巖體強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面方位和連通率)和機(jī)理研究。程?hào)|幸等(2005)[9]借助3DEC對(duì)龍灘水電站左岸邊坡進(jìn)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(yīng)用。

圖3 邊坡大規(guī)模彎曲傾倒破壞的演化過(guò)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(xué)分析方法還存在一定問(wèn)題,如計(jì)算量大、收斂性差等,特別當(dāng)巖層數(shù)目過(guò)多時(shí)模型處理會(huì)比較麻煩,但能直觀反映傾倒變形邊坡破壞的過(guò)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(jì)算結(jié)果。

3.4 研究方法小結(jié)

關(guān)于傾倒變形機(jī)理的研究方法,模型試驗(yàn)應(yīng)加強(qiáng)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(jì)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(jìn)一步深入討論;數(shù)值模擬方面,模擬過(guò)程應(yīng)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(dòng)變形和層間錯(cuò)動(dòng)、滲流作用等,并建立有效的屈服準(zhǔn)則,確定合理的參數(shù),來(lái)盡量準(zhǔn)確地研究其變形機(jī)制。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)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(jī)理研究的論述,得出以下結(jié)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(xué)參數(shù)、與層面正交或斜交的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀和連通率、巖層強(qiáng)度、地下水和開(kāi)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(shì),模型建立簡(jiǎn)單且能考慮巖層的彎曲效應(yīng),關(guān)鍵是層狀巖體力學(xué)參數(shù)的確定以及合適的屈服準(zhǔn)則的建立,并應(yīng)用于實(shí)際邊坡工程,進(jìn)而對(duì)傾倒變形邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析預(yù)測(cè)。

(3)傾倒變形機(jī)理研究還有許多工作須要加強(qiáng)。如對(duì)軟硬互層巖體邊坡的研究、水對(duì)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(shí)應(yīng)注意折斷錯(cuò)動(dòng)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(kāi)挖、降雨、地震等的影響也是一個(gè)重要方面。

傾倒變形機(jī)理比較復(fù)雜,它與滑動(dòng)破壞機(jī)理完全不同,沒(méi)有單一的滑動(dòng)基面。目前仍無(wú)確定性方法預(yù)測(cè)一個(gè)邊坡是會(huì)持續(xù)緩慢變形還是會(huì)轉(zhuǎn)化為大規(guī)模的崩塌破壞。因此,傾倒變形機(jī)理研究對(duì)于防止邊坡產(chǎn)生更大變形甚至失穩(wěn)及災(zāi)害評(píng)估有重大意義。條件允許情況下可進(jìn)行邊坡動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),反演巖體力學(xué)參數(shù),對(duì)其變形和破壞發(fā)展作出評(píng)估。進(jìn)一步研究反傾層狀巖質(zhì)邊坡破壞的發(fā)生機(jī)理和運(yùn)動(dòng)機(jī)制仍然是當(dāng)前邊坡工程研究的重點(diǎn)課題。

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(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(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(50539110);國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃973項(xiàng)目(2002CB412707)

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