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(中國地質(zhì)大學(武漢) a.工程學院；b.教育部長江三峽庫區(qū)地質(zhì)災害研究中心， 武漢 430074)

1 研究背景

重慶長江小南海水電站壩址位于重慶市江津區(qū)珞璜鎮(zhèn)下游約1.4 km，是國務院批準的《長江流域綜合利用規(guī)劃簡要報告》推薦梯級開發(fā)方案的重要樞紐。建壩地層主要為侏羅系上統(tǒng)遂寧組(J3s)紅層，壩基中所有的原生軟弱夾層幾乎都不同程度地經(jīng)受了層間剪切作用，可能導致大壩抗滑穩(wěn)定、沉陷變形、滲透變形等多種工程地質(zhì)問題[1]。

隨著葛洲壩、小浪底、大滕峽等大型水利樞紐的興建，國內(nèi)眾多專家學者從宏觀構(gòu)造形式到微觀結(jié)構(gòu)，從巖石力學性質(zhì)到物理化學性質(zhì)對層間剪切帶的問題進行了較詳細的研究[2-6]。層間剪切帶形成演化研究方面，徐瑞春等[2]認為剪切帶是具有層狀結(jié)構(gòu)的巖體在水平應力的作用下，巖層屈曲導致的層間力偶作用的結(jié)果；A.W. Skempton[7]針對土體的剪切面形成過程做了室內(nèi)試驗研究；孫萬和等[8]通過地質(zhì)力學模型試驗，探討了軟硬互層巖體在軸向加載時夾層的應力狀態(tài)及層間剪切帶發(fā)育的部位、類型及形成機理等問題。由于壩基中原生夾層眾多，室內(nèi)制模和試驗完全模擬有困難，而顆粒流(particle flow code，簡稱PFC)方法可以通過細觀顆粒接觸本構(gòu)模型的轉(zhuǎn)換調(diào)用，模擬土體漸進式破壞。作為顆粒流理論實際應用的前期可行性研究，周健等[9-11]對砂土和黏性土室內(nèi)平面應變試驗及其剪切帶形成和發(fā)展進行了數(shù)值模擬；蔣明鏡等[12-14]、蔡正銀等[15-16]采用PFC2D模擬了大量砂土剪切帶形成機理及發(fā)展過程；張曉平等[17]、吳順川等[18]對含軟弱夾層類土質(zhì)邊坡變形破壞過程分析，并討論了軟弱夾層幾何參數(shù)對試樣力學行為的影響。因此，結(jié)合紅層壩基軟巖發(fā)育特征、層間剪切帶形成條件及構(gòu)造特征，通過PFC2D模擬研究壩基層間剪切帶破壞過程可為壩基穩(wěn)定等工程問題提供有益的指導。

2 小南海壩基軟巖發(fā)育特征

研究區(qū)區(qū)域地貌屬長江流域第二階梯中部的四川盆地區(qū)[19]，處于龍泉山脈北東側(cè)與大婁山脈北西側(cè)之間，是最具代表性的近水平紅層分布區(qū)。中壩址兩岸地貌為構(gòu)造剝蝕低山丘陵，相伴的地質(zhì)構(gòu)造主要有褶曲、斷層破碎帶、剪切帶及裂隙等。建壩巖體主要為侏羅系上統(tǒng)遂寧組(J3s)地層，為一套強氧化條件下的河流湖泊相碎屑巖沉積，以洪泛平原亞相為主，巖相變化大，厚度不甚穩(wěn)定。地層中多見紫紅色、紫灰色的粉細砂巖與黏土巖不等厚狀互層，局部沉積厚度較大的黏土巖。由于物理力學性質(zhì)差異明顯，在構(gòu)造及地下水作用下，巖層間相互錯動容易形成巖性、結(jié)構(gòu)、厚度、延伸長度等性狀不同的層間剪切帶。

3 層間剪切帶形成條件

3.1 物質(zhì)基礎(chǔ)

洪泛平原相沉積的細粒物質(zhì)為剪切帶的形成提供了充足的物質(zhì)基礎(chǔ)。粒度分析表明剪切帶粉粒含量多大于黏粒含量，說明母巖多為黏土質(zhì)粉砂巖或粉砂質(zhì)黏土巖。礦物成分以伊利石(水云母)、綠泥石等黏土礦物為主，含量65%～85%，蒙脫石含量除試樣編號為3S101的一條剪切帶高達55%之外，其之多在5%～20%之間。與以蒙脫石為主要成分的剪切帶相比，以伊利石為主要成分的剪切帶比表面積較小，陽離子交換量小，天然濕度低，強度較高。

3.2 巖性組合條件

本文采用馬爾科夫鏈方法[20]分析野外實測剖面，認為地層剖面沉積韻律主要分2種：一種為粉砂巖-厚層黏土質(zhì)粉砂巖互層半韻律沉積，韻律層厚度大；另一種為黏土質(zhì)粉砂巖-黏土巖薄互層半韻律沉積，韻律層厚度小。因此，強度較低的黏土類夾層與其上下硬巖所構(gòu)成的剛?cè)嵯嚅g的巖性組合條件，為泥化夾層的形成提供了基礎(chǔ)。

3.3 構(gòu)造應力作用

層間剪切帶的發(fā)育受構(gòu)造應力作用影響，如J3s1位于金鰲寺西翼掀斜端，巖層傾向65°～85°，傾角45°～70°，受F1斷層影響夾層層間錯動劇烈，斷層交匯處剪切泥化程度明顯較高，性狀極差。另外，壩軸線中夾層發(fā)育強度低于金鰲寺向斜兩翼，也說明褶皺兩翼受掀斜作用影響了夾層受剪切作用的程度。

3.4 地下水泥化作用

層間錯動為地下水在夾層中運動提供了通道，為地下水在劈理帶黏土內(nèi)的軟化和泥化的發(fā)生創(chuàng)造了條件。薄片觀察發(fā)現(xiàn)由于地下水的氧化作用帶內(nèi)多分布褐紅色氧化鐵侵染的條帶，且由于地下水溶解的碳酸鹽結(jié)晶充填作用，剪切帶摩擦光面多附方解石薄膜。

4 層間剪切帶構(gòu)造特征

軟弱巖層經(jīng)過層間剪切作用和泥化作用后形成軟弱夾層、軟化夾層、泥化夾層或軟弱層帶，統(tǒng)稱為層間剪切帶[2]。壩址區(qū)左岸淺表層揭示的原生構(gòu)造型軟弱夾層受地表風化及水巖相互作用強烈，物理化學性質(zhì)較壩基深部夾層變化較大，但巖性組合、夾層規(guī)模、裂隙、延伸范圍及構(gòu)造特征較為清晰。不同類型層間剪切帶特征如下。

(1) 巖塊巖屑型、巖屑夾泥型：此類剪切帶沿較硬巖(如粉砂巖)和較軟巖(如粉砂質(zhì)黏土巖、黏土質(zhì)粉砂巖)的接觸帶或在軟巖內(nèi)部發(fā)育，由于層間剪切作用，巖層中往往形成一條基本連續(xù)或斷續(xù)的主剪裂面，主剪裂面起伏差為幾毫米至幾厘米，在起伏的拐點段充填泥夾碎屑，主剪裂面一側(cè)或兩側(cè)同時具有節(jié)理帶、劈理帶和泥化光面等分帶現(xiàn)象，夾層厚度5～20 cm，如圖1(a)。

(2) 泥化夾層：泥化夾層是壩基工程性質(zhì)最差、強度最弱的關(guān)鍵部位，主要形成于黏土質(zhì)粉砂巖與黏土巖薄互層的半韻律沉積中，性狀較差，厚1～5 cm，如圖1(b)，鱗片狀劈理密集發(fā)育，擠揉皺現(xiàn)象明顯，呈泥包碎屑狀，黏粒含量多大于30%，此類夾層經(jīng)地下水及風化作用而軟化、泥化，形成一定厚度、斷續(xù)或連續(xù)的泥層。

圖1 層間剪切帶類型

5 層間剪切帶PFD2D本構(gòu)模型的建立

5.1 土體本構(gòu)關(guān)系

顆粒流程序PFC2D是基于顆粒離散元理論，從散體介質(zhì)的細觀力學特性出發(fā)，采用顯式差分算法，在計算循環(huán)中交替運用力-位移定律和牛頓運動定律，通過力-位移定律更新接觸顆粒間的接觸力及顆粒的位置，構(gòu)成顆粒的新接觸，從而模擬顆粒介質(zhì)的運動及其相互作用過程[21]。顆粒之間通過不同的接觸模型和接觸關(guān)系模擬巖土體，層間剪切帶PFC2D模擬運用到以下3種本構(gòu)模型：

(1) 滑動模型。用摩擦因數(shù)fric定義，在一定的剪力范圍內(nèi)允許接觸實體間相對滑動，能模擬材料間的摩擦行為。

(2) 線性接觸剛度模型。用法向和切向剛度系數(shù)(kn，ks)定義接觸力與相對位移間的關(guān)系。

(3) 黏結(jié)模型。分為接觸黏結(jié)和平行黏結(jié)。接觸黏結(jié)模型用接觸點處法向與切向強度參數(shù)定義(n_bond，s_bond)，實現(xiàn)顆粒間黏聚力的模擬，常用于孔隙率相對較大的散體材料如分散性砂土、黏土、軟弱層等；平行黏結(jié)模型由平行黏結(jié)強度等4個參數(shù)定義(pb_kn，pb_ks，pb_nstren，pb_sstren)，在顆粒接觸處再現(xiàn)一種附加材料的作用，常用于孔隙率小、較密實的材料如致密的巖石等。

5.2 層間剪切帶PFC2D模型建立

層間剪切帶形成條件復雜，受巖性條件、地下水條件及多期地質(zhì)構(gòu)造的影響，其破壞形態(tài)差別很大。建模之前對軟硬相間巖層中層間剪切帶模型進行簡化：不考慮地下水影響，假設(shè)模型上下兩層等厚的相對硬質(zhì)巖層(如細砂巖、粉砂巖)中間夾有一層相對較軟巖層(黏土巖類層間剪切帶)，軟硬巖層中間沒有相互切入的現(xiàn)象，裝配顆粒后的試樣及加載邊界條件如圖2所示。巖層受到水平應力和豎向應力作用，由于巖層厚度較小，假設(shè)上下巖層受到相同的豎向應力，用水平剪切速度產(chǎn)生的水平應力作用來加載。以程序中定義的墻(wall)來控制邊界條件，其中下部Ⅴ,Ⅵ墻體組成下層硬巖邊界，剪切加載過程中向右運動；Ⅲ,Ⅷ墻體組成上層巖體，剪切過程中向左運動；頂部加載并通過控制Ⅰ,Ⅱ墻體之間的位移伺服控制豎向應力至預設(shè)值。

圖2 PFC2D模型及加載邊界條件

考慮層間剪切帶厚度及延伸狀態(tài)的不同，建立了8組不同尺寸的二維計算模型，如表1所示。所有試樣硬質(zhì)巖層粒徑為6.0～8.0 mm，服從均勻分布，顆粒集合孔隙率為0.14；中間軟質(zhì)巖層粒徑為3.0～3.6 mm，服從均勻分布，顆粒集合孔隙率為0.10。

表1 PFC2D試樣模型尺寸

為了使模型快速平衡，先用剛度接觸模型裝配顆粒，設(shè)定模型內(nèi)部各向同性力，然后對模型中硬質(zhì)巖層設(shè)定平行黏結(jié)接觸，對軟巖使用接觸黏結(jié)模型。選取巖層粒子細觀力學參數(shù)，如表2所示，軟質(zhì)巖層粒子細觀力學參數(shù)如表3所示。

表2 硬質(zhì)巖層粒子細觀力學參數(shù)

表3 軟巖粒子細觀力學參數(shù)

6 計算結(jié)果及分析

6.1 剪切過程中裂紋擴展過程

為了使模型穩(wěn)定加載，分10階段，800步加載到限定速度0.3 m/s(此速度雖然很大，但是對PFC程序而言很小)。剪切開始后，設(shè)置裂隙追蹤，即標記剪切過程中因黏結(jié)破壞產(chǎn)生裂紋的過程，軟巖部分顆粒用白色表示，方便觀察層間剪切帶裂隙的發(fā)育形態(tài)和數(shù)量，比較不同剪切時步裂隙發(fā)育情況，可較為直觀地反映剪切帶的破壞過程。

為研究試樣剪切帶形成過程中孔隙比的變化及剪切裂隙發(fā)育寬度，在軟巖部分均勻布置足夠多的測量環(huán)，用來讀取測量環(huán)圓形區(qū)域內(nèi)的孔隙比。取測量環(huán)半徑為10～20 mm，每個測量環(huán)內(nèi)包含8～10個顆粒。以樣品c-2為例，圖3為剪切時步為40 000，90 000，200 000，25 000步時軟巖內(nèi)微裂紋擴展圖。圖4為相應時步軟巖內(nèi)孔隙比分布。

圖3 樣品c-2不同剪切時步剪切裂紋擴展

圖4 樣品c-2不同剪切時步孔隙比分布

由圖3可知，剪切開始時(圖3(a))，剪切微裂紋主要集中在剪切帶左上、右下角與硬巖接觸面處，其他少量微裂紋發(fā)生在剪切帶中部；剪切時步90 000時(圖3(b))，產(chǎn)生幾組對生剪切破劈理，其中平行生成與層面呈近50°剪切破劈理5組，間距100～400 mm，與層面呈近-30°剪切破劈理2組，間距1 000 mm；剪切時步200 000時(圖3(c))，微裂紋發(fā)展迅速，優(yōu)勢裂隙面較為明顯，剪切裂隙進一步延伸至上下部硬介質(zhì)，說明剪切帶上、下部顆粒的速度產(chǎn)生的接觸力傳遞到軟硬介質(zhì)的接觸面，在一定的法向應力下，兩種介質(zhì)之間的整體黏結(jié)不可能很快破壞，由剪切帶內(nèi)剪切裂縫的產(chǎn)生來釋放能量；剪切時步250 000時(圖3(d))，剪切帶主要沿兩組與層面呈-30°優(yōu)勢裂隙面破壞，軟硬接觸面黏結(jié)全部破壞并與優(yōu)勢裂隙面貫通。

由圖4可知，在形成優(yōu)勢裂隙面之前，孔隙比分布變化不明顯，在0.11～0.19之間，剪切時步為250 000步時，2條與層面呈-30°裂隙的寬度分別為70 mm和90 mm，與之相交的1條與層面呈50°裂隙的寬度為45 mm，孔隙比最大達到0.25。

6.2 與A.W. Skempton黏性土剪切破壞過程對比

強度高的層狀巖體在屈曲時所產(chǎn)生層間力偶的應力值遠低于巖石的強度包線，不會導致巖層的錯動和破壞；而具有不同強度的軟硬相間的互層狀巖體，才能在接觸界面或軟層內(nèi)形成不同類型的剪切帶。根據(jù)庫倫-納維葉準則，巖石內(nèi)主應力滿足式(1)條件即

(1)

巖石將產(chǎn)生剪切破壞。當上覆蓋重很小，破壞的臨界主應力主要取決于巖石的內(nèi)摩擦角(?)和凝聚力(C)。

20世紀60年代中期A.W. Skempton對土體的剪切面形成過程做了試驗研究，他將剪切帶的形成過程分為以下5個階段：第1階段為連續(xù)、均勻的壓縮變形，屬顆粒之間的剪損階段，土體內(nèi)尚無明顯的裂隙；第2階段，當剪應力達到或剛超過屈服剪應力時，形成“Riedel Shear”[22]，首先出現(xiàn)緩傾角的剪切破劈理，有時可見到對生的剪斷，見圖5(a)；第3階段，繼續(xù)剪切產(chǎn)生與剪切軸相平行或近似平行的斷續(xù)的裂線，即所謂的“位移剪切階段”，見圖5(b)；第4階段，位移繼續(xù)發(fā)展，一些斷續(xù)的剪切線連接起來，形成主位移剪切面(主滑面)，但該面在這一階段還是起伏的，并非一個整齊的面，如圖5(c)；第5階段，滑動繼續(xù)增大，主滑面顯著的磨光磨平。

圖5 黏性土剪切破壞發(fā)展階段圖

與連續(xù)介質(zhì)中應力、應變概念不同，PFC2D模擬則采用力與位移關(guān)系模擬顆粒介質(zhì)的運動破壞過程。剪切帶采用接觸黏結(jié)模型，由法向連接強度定義，當法向抗拉接觸力大于或等于法向接觸連接強度時，連接破壞并把法向、切向接觸力賦值為0。當切向接觸力大于或等于切向連接強度時，連接也發(fā)生破壞，但是接觸力不發(fā)生變化，并假設(shè)切向力沒有超過摩擦極限。

圖3與圖5相比，PFC2D模擬軟硬相間巖層層間剪切帶破壞過程與A.K. Skempton的理論一致，也分為4個階段：第1階段，剪切帶內(nèi)微裂紋不均勻分布，受剪切帶尺寸的影響，厚度越薄、延伸越長的夾層，微裂紋越容易集中在左右兩端；第2階段，當顆粒接觸力大于連結(jié)強度時出現(xiàn)幾組平行、與層面呈一定夾角的微裂隙，有時可見V字形或X形裂隙，剪切帶延伸長度越長，裂隙傾角越緩、間距越大；第3階段，在上、下軟硬接觸面顆粒黏結(jié)破壞，并產(chǎn)生與層面近似平行的裂隙面；第4階段，與層面呈一定夾角的幾組裂隙與軟硬接觸部位的裂隙面貫通，形成優(yōu)勢裂隙面，層間剪切帶由此滑動破壞。

6.3 不同尺寸試樣剪切裂紋擴展對比

如圖6所示，由于巖層沉積厚度不同，層間剪切帶延伸長度不同，不同規(guī)模的層間剪切帶破壞時裂隙的傾角和間距均不同。即使是同一條剪切帶，不同的發(fā)育部位，其破壞形態(tài)及程度也不同。

圖6 不同尺寸試樣剪切帶剪切破壞圖

6.3.1 剪切帶厚度及上下所夾硬巖尺寸一定，試樣長度不同時裂隙擴展對比

比較試樣a-1/b-1，a-2/b-2，a-3/b-3/c-1的裂隙擴展過程可知，當剪切帶長度與厚度比值大于10時，試樣長度越長，裂隙越容易集中在剪切帶左右兩端，并產(chǎn)生剪切破壞，剪切帶中間部分產(chǎn)生V字形或X形裂隙；當剪切帶長度與厚度比值小于10時，等間距地發(fā)育幾組平行裂隙，裂隙逐漸往上、下軟硬巖交界處延伸，最終與交界面黏結(jié)破壞產(chǎn)生的裂隙面貫通，形成貫通的剪切面。由表4可知，對生成的2個方向的裂隙傾角與層面夾角不同，與層面呈負角度相交的裂隙傾角更緩；試樣長度越長，裂隙與層面夾角越小、裂隙間距越大。

表4 裂隙傾角與間距統(tǒng)計

6.3.2 試樣長度和上下所夾硬巖厚度一定，剪切帶厚度不同時裂隙擴展對比

比較試樣a-1/a-2/a-3，b-1/b-2/b-3，c-1/c-2的裂隙擴展過程可知，夾層厚度越厚時，裂隙間距越大，越容易產(chǎn)生X形裂隙，產(chǎn)生優(yōu)勢裂隙面需要的時步越長，且裂隙面表現(xiàn)的越明顯。試樣長度和上下所夾硬巖厚度相同時，裂隙與層面的夾角相近，但剪切帶厚度越大，裂隙間距越大。

7 結(jié) 語

(1) 層間剪切帶的形成需具備物質(zhì)條件、動力條件和環(huán)境條件。壩基沉積物多屬洪泛平原沉積，厚度大，分布廣泛，沉積物較細，黏粒含量及黏土礦物含量較高，為剪切帶的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)；地層以粉砂巖-黏土巖不等厚互層的巖性組合為主，在構(gòu)造運動或巖層屈曲時，由于軟硬巖層強度差異，剪切帶發(fā)生剪切位移而引起結(jié)構(gòu)破壞；在一定地下水條件下，水巖物理化學作用導致剪切帶的礦物成分和結(jié)構(gòu)連接特性發(fā)生變化，發(fā)生軟化和泥化。

(2) 不同巖性組合、夾層規(guī)模、延伸范圍的層間剪切帶具有不同構(gòu)造特征：巖塊巖屑型多為剪切破碎帶，具節(jié)理帶、劈理帶和泥化光面等分帶現(xiàn)象；巖屑夾泥型實為巖塊巖屑型進一步錯動形成，細碎屑為主，夾層界面裂隙密；泥化夾層主要形成于黏土質(zhì)粉砂巖與黏土巖薄互層的半韻律沉積中，工程性質(zhì)最差、強度最弱，鱗片狀劈理密集發(fā)育，擠揉皺現(xiàn)象明顯，形成一定厚度、斷續(xù)或連續(xù)的泥層。

(3) 建立軟硬相間巖層層間剪切帶簡化PFC2D模型，用水平剪切速度產(chǎn)生的水平應力作用來加載，比較不同剪切時步裂剪切帶孔隙比的變化、剪切裂隙發(fā)育位置、寬度、角度及間距，直觀地反映剪切帶的破壞過程，模擬結(jié)果與A.W. Skempton提出的黏土實驗室試驗剪切破壞發(fā)展理論一致。

(4) 建立不同試樣尺寸的PFC2D模型，對比不同厚度及延伸長度的層間剪切帶破壞特征：剪切帶厚度及上下所夾硬巖尺寸一定時，試樣長度越長，裂隙與層面夾角越小、裂隙間距越大，微裂隙越容易集中在剪切帶左右兩端；試樣長度和上下所夾硬巖厚度相同時，裂隙與層面的夾角相近，但剪切帶厚度越大，裂隙間距越大。模擬結(jié)果為解釋紅層壩基不同發(fā)育規(guī)模剪切帶的剪切破壞特征提供依據(jù)，同時也為進一步采用顆粒流理論分析層間剪切帶在復雜地質(zhì)條件下的破壞研究及其在壩基穩(wěn)定性分析方面的運用奠定了理論基礎(chǔ)。

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