黃 帥 王 榮 汪洪祥 蔡德鉤 閆宏業(yè)

(1.中國地震局地殼應(yīng)力研究所，北京 100085;2.中國港灣工程有限責(zé)任公司，北京 100027;3.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

·安全與環(huán)?！?/p>

結(jié)構(gòu)面參數(shù)對順層邊坡破壞模式的影響規(guī)律

黃 帥1王 榮2汪洪祥2蔡德鉤3閆宏業(yè)3

(1.中國地震局地殼應(yīng)力研究所，北京 100085;2.中國港灣工程有限責(zé)任公司，北京 100027;3.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

基于巖質(zhì)順層邊坡的離散元仿真模型，研究了結(jié)構(gòu)面各參數(shù)(黏聚力、內(nèi)摩擦角、剛度、傾角、間距)對邊坡穩(wěn)定性的影響，明確了其對邊坡安全系數(shù)及破壞模式的影響規(guī)律。采用正交試驗(yàn)的極差分析原理，探討了各結(jié)構(gòu)面參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性影響的顯著程度，明確了結(jié)構(gòu)面各因素對邊坡安全系數(shù)影響的顯著順序。研究表明，隨著結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度的增大，邊坡安全系數(shù)在一定范圍內(nèi)呈線性增長，且邊坡的破壞模式從順層滑移逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榛?彎曲破壞模式；隨著結(jié)構(gòu)面剛度和結(jié)構(gòu)面間距的增加安全系數(shù)變化幅度很小，其最大變化率僅為6.6%和3.6%，邊坡破壞模式主要為滑移式破壞。隨著結(jié)構(gòu)面傾角的增大邊坡安全系數(shù)表現(xiàn)為減小—增大—減小的趨勢，破壞模式由滑移式破壞變?yōu)榛?潰曲破壞最后變?yōu)閮A倒破壞；結(jié)構(gòu)面黏聚力對邊坡穩(wěn)定性影響最大，結(jié)構(gòu)面剛度影響最小。

順層邊坡 結(jié)構(gòu)面 正交試驗(yàn) 安全系數(shù) 破壞模式

滑坡危害范圍廣，難以預(yù)測，其一旦發(fā)生就會造成較大的生命財(cái)產(chǎn)損失，一直以來都是地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。而順層邊坡是巖石邊坡中研究的一個重點(diǎn)和難點(diǎn)[1]，是山區(qū)鐵路和公路建設(shè)中常見的工程問題。例如，2003年建成的重慶萬梁高速公路巖質(zhì)路塹高邊坡有115個，其中順層邊坡的個數(shù)為所有邊坡的52%。2005年建成的渝懷鐵路全長約為600 km，全線順層路基累計(jì)長約40 km，占路線長度的6.7%[2]。此外，據(jù)統(tǒng)計(jì)[3]順層邊坡常年事故頻發(fā)，嚴(yán)重影響工程建設(shè)。

順層邊坡的破壞與失穩(wěn)是巖土工程重大災(zāi)害之一，其在自重引起的滑移力作用下受到結(jié)構(gòu)面、坡角、巖層走向等因素的影響，不同的因素對其穩(wěn)定性影響不同，而結(jié)構(gòu)面參數(shù)是其主控因素。國內(nèi)外對順層邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了較多的研究。Hatzor等[4]研究了動力載荷對邊坡穩(wěn)定性的影響。林杭等[5]研究了結(jié)構(gòu)面傾角對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律。盧敦華等[6]研究了安全系數(shù)隨黏聚力和內(nèi)摩擦角的變化規(guī)律。魏俊奇等[7]研究了結(jié)構(gòu)面間距對邊坡破壞模式的影響規(guī)律。陳從新等[8]研究了坡形對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律。路為等[9]研究了巖質(zhì)順層邊坡的平面滑移破壞機(jī)制。馮君等[10]研究了結(jié)構(gòu)面傾角和強(qiáng)度參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律。然而，盡管對順層邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了較多研究，但是大多是針對單一因素以及結(jié)構(gòu)面的某類參數(shù)進(jìn)行了分析，并沒有給出較為全面的結(jié)構(gòu)面參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的影響，且很少涉及結(jié)構(gòu)面各參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性影響的敏感性研究。此外，由于結(jié)構(gòu)面對巖體的分割使得巖體結(jié)構(gòu)變成非均質(zhì)、各向異性、非連續(xù)的三相介質(zhì)，確定滑動面是比較困難的，且傳統(tǒng)的極限平衡法難以應(yīng)用于順層邊坡。因此，本研究基于離散單元法，分析結(jié)構(gòu)面參數(shù)對順層邊坡破壞模式的影響規(guī)律。

1 結(jié)構(gòu)面各參數(shù)對邊坡破壞模式影響分析

1.1 離散元數(shù)值仿真模型

本研究以順層巖質(zhì)邊坡為研究對象，坡高H為40 m，坡角為45°，模型長200 m(5H)，模型高80 m(2H)，坡腳前緣巖體寬度取100 m(2.5H)，模型高度取80 m(2H)。邊坡底部為固定約束邊界條件，左右兩側(cè)為水平位移約束條件，其他面為自由邊界，計(jì)算模型如圖1所示，邊坡巖體計(jì)算參數(shù)如表1所示。重點(diǎn)分析巖體結(jié)構(gòu)面對邊坡穩(wěn)定性的影響，因此結(jié)構(gòu)面各參數(shù)(結(jié)構(gòu)面間距、傾角、法向剛度、切向剛度、內(nèi)聚力和摩擦角)作為變量處理。

圖1 邊坡的計(jì)算模型(單位：m)

泊松比密 度/(kg/m3)體積模量/GPa剪切模量/GPa黏聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)抗拉強(qiáng)度/MPa0325501426540142921

1.2 結(jié)構(gòu)面參數(shù)對邊坡破壞模式的影響分析

為了研究結(jié)構(gòu)面參數(shù)對順層邊坡穩(wěn)定性的影響，分別變化結(jié)構(gòu)面各參數(shù)，具體計(jì)算方案設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 計(jì)算方案

通過數(shù)值仿真分析，可得結(jié)構(gòu)面2個因素對邊坡的安全系數(shù)影響規(guī)律如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)對邊坡安全系數(shù)的影響

由圖2(a)和圖2(b)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)值小于邊坡巖體強(qiáng)度參數(shù)值時，隨著結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)的增加，邊坡安全系數(shù)呈線性增長；當(dāng)結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)值超過邊坡巖體強(qiáng)度參數(shù)值后，隨著強(qiáng)度參數(shù)值的增加，安全系數(shù)的增幅逐漸減小。當(dāng)結(jié)構(gòu)面黏聚力超過邊坡巖體黏聚力的1.78倍時邊坡安全系數(shù)呈現(xiàn)不變的趨勢；結(jié)構(gòu)面摩擦角超過邊坡巖體內(nèi)摩擦角的1.4倍時，安全系數(shù)基本保持不變。分析其原因?yàn)椋寒?dāng)結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)值小于巖體強(qiáng)度參數(shù)值時，邊坡的破壞受控于結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)，從而呈現(xiàn)出線性關(guān)系；當(dāng)結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)值超過巖體強(qiáng)度一定值時邊坡的破壞受控于邊坡巖體強(qiáng)度參數(shù)，從而隨著結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)的增加呈現(xiàn)不變的趨勢。

由于坡體在滑動失穩(wěn)時滑動面兩側(cè)巖土體的速度矢量場存在不連續(xù)變化的特征，因此可以根據(jù)失穩(wěn)破壞時坡體的速度矢量場來確定潛在滑動面的位置[11]?；诖?，為了確結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)對邊坡破壞模式的影響，提取了結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)變化時邊坡的速度矢量圖，如圖3和圖4所示。

圖3 結(jié)構(gòu)面不同黏聚力對邊坡破壞模式的影響

圖4 結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角對邊坡破壞模式的影響

當(dāng)結(jié)構(gòu)面黏聚力小于邊坡巖體的黏聚力時，邊坡的破壞模式為順層滑移破壞模式如圖3(a)、圖3(b)；當(dāng)結(jié)構(gòu)面的黏聚力和內(nèi)摩擦角大小超過邊坡巖體的黏聚力和內(nèi)摩擦角時，破壞模式從順層滑移逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榛?彎曲破壞模式，滑移面由平面轉(zhuǎn)化為圓弧面，如圖3(d)～圖3(h)，且當(dāng)邊坡的破壞模式的轉(zhuǎn)變均開始于結(jié)構(gòu)面黏聚力和內(nèi)摩擦角與邊坡巖體黏聚力和內(nèi)摩擦角相等時，如圖3(c)，進(jìn)一步驗(yàn)證了研究計(jì)算的結(jié)構(gòu)面黏聚力對邊坡安全系數(shù)影響規(guī)律的準(zhǔn)確性。

由圖4可以看出：隨著結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角的增大，邊坡的破壞模式與結(jié)構(gòu)面黏聚力增大時邊坡的破壞模式表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律。即當(dāng)結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角小于邊坡巖體的內(nèi)摩擦角時，邊坡的破壞模式主要為順層滑移破壞模式如圖4(a)～圖4(c)；當(dāng)結(jié)構(gòu)面的黏聚力超過邊坡巖體的內(nèi)摩擦角時，破壞模式從順層滑移逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榛?彎曲破壞模式，滑移面由直線型轉(zhuǎn)化為圓弧形，如圖4(e)～圖4(h)，且邊坡的破壞模式的轉(zhuǎn)變均開始于結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角與邊坡巖體內(nèi)摩擦角相等時，如圖4(d)。

由圖5可知：隨著結(jié)構(gòu)面剛度和結(jié)構(gòu)面間距的增加安全系數(shù)變化幅度很小，其最大變化率分別為6.6%和3.6%，這說明變形參數(shù)和結(jié)構(gòu)面間距對于邊坡穩(wěn)定性的影響有限。當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角小于坡角時，隨著結(jié)構(gòu)面傾角的增大邊坡安全系數(shù)有減小的趨勢；當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角大于坡腳時，隨著結(jié)構(gòu)面傾角的增大，安全系數(shù)呈現(xiàn)增大的趨勢，直到結(jié)構(gòu)面傾角達(dá)到75°時達(dá)到最大值1.69，之后隨著結(jié)構(gòu)面傾角的增大邊坡的安全系數(shù)又出現(xiàn)減小的趨勢。說明在結(jié)構(gòu)面傾角小于坡腳時隨著結(jié)構(gòu)面傾角的增大，滑塊在重力作用下的下滑力增大，導(dǎo)致邊坡安全系數(shù)的減小，當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角大于坡腳一定角度時邊坡的破壞主要是由于邊坡巖體的彎折破壞導(dǎo)致。當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角超過邊坡坡腳某一角度時(本文為75°)由于邊坡巖體在重力作用下極易出現(xiàn)傾倒破壞，從而導(dǎo)致邊坡安全系數(shù)的減小。

圖6、圖7和圖8揭示了結(jié)構(gòu)面剛度、結(jié)構(gòu)面間距及結(jié)構(gòu)面傾角對邊坡破壞模式的影響。

由圖6可以看出，在順層邊坡中，當(dāng)結(jié)構(gòu)面剛度不斷增大時，邊坡受到自重引起的順層滑移力作用，破壞模式主要表現(xiàn)為沿著層面順層滑動破壞。

由圖7可以看出，在順層邊坡中，當(dāng)結(jié)構(gòu)面間距不斷增大時，邊坡主要受到自重引起的順層滑移力作用，其破壞模式并沒有發(fā)生變化，依然表現(xiàn)為沿著層面滑動破壞。因此，結(jié)構(gòu)面間距變化對邊坡破壞模式影響較小。

圖5 結(jié)構(gòu)面剛度、結(jié)構(gòu)面間距及結(jié)構(gòu)面傾角對邊坡安全系數(shù)的影響規(guī)律

圖6 結(jié)構(gòu)面剛度對邊坡破壞模式的影響

圖7 結(jié)構(gòu)面間距對邊坡破壞模式的影響

圖8 結(jié)構(gòu)面傾角對邊坡破壞模式的影響

由圖8可以看出：當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角小于邊坡坡腳時邊坡的破壞表現(xiàn)為楔形滑動破壞，圖8(a)、圖8(b)；當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角大于邊坡坡腳時，發(fā)現(xiàn)坡腳處易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，巖體出現(xiàn)屈服，變形較大，邊坡的破壞模式由順層滑動轉(zhuǎn)變?yōu)榛?潰曲破壞，如圖8(c)～圖8(f)所示；直到結(jié)構(gòu)面傾角達(dá)到85°邊坡的破壞模式開始由滑移-潰曲破壞逐步向傾倒破壞模式轉(zhuǎn)變?nèi)鐖D8(g)～圖8(h)所示。這進(jìn)一步驗(yàn)證了本研究中結(jié)構(gòu)面傾角對邊坡安全系數(shù)影響規(guī)律的準(zhǔn)確性。

2 邊坡穩(wěn)定性參數(shù)的敏感性分析

對邊坡而言，結(jié)構(gòu)面各參數(shù)對其穩(wěn)定性能影響的顯著性不同，有必要確定各參數(shù)對順層邊坡穩(wěn)定性影響的敏感性大小。在實(shí)際問題中，考慮1個因素或2個以上因素對計(jì)算結(jié)果的顯著性分析可以選用一元或二元方差分析，而研究順層邊坡的穩(wěn)定性需考慮多個因素對其穩(wěn)定性的影響，可采用正交試驗(yàn)的方法進(jìn)行分析[12]。

為了明確結(jié)構(gòu)面各參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性影響的顯著性，采用正交試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值分析，研究結(jié)構(gòu)面間距(A)、結(jié)構(gòu)面傾角(B)、結(jié)構(gòu)面黏聚力(C)、結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角(D)、結(jié)構(gòu)面剛度(E)對邊坡的穩(wěn)定性的影響規(guī)律，即以邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為指標(biāo)進(jìn)行多因素單指標(biāo)計(jì)算分析。不考慮各因素的交互作用,即假定它們之間相互沒有影響。本次試驗(yàn)采用5因素4水平正交分析,即每個影響因素有4個可選取的值進(jìn)行研究如表3所示，并至少要進(jìn)行16次試驗(yàn),即為L16(45)正交表進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)見表3。

表3 不同水平下各因素取值

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果

通過數(shù)值分析求出各因素不同水平下邊坡安全系數(shù)的均值，并對其進(jìn)行極差分析如圖9和圖10所示。

圖9中橫坐標(biāo)為各因素的水平，縱坐標(biāo)反映安全系數(shù)Fs在各因素不同水平下的平均值。分析發(fā)現(xiàn)：邊坡的安全系數(shù)隨著結(jié)構(gòu)面黏聚力、內(nèi)摩擦角、結(jié)構(gòu)面傾角的增大均表現(xiàn)出增大的趨勢，其中結(jié)構(gòu)面的黏聚力和內(nèi)摩擦角對安全系數(shù)的影響最大，結(jié)構(gòu)面傾角對邊坡安全系數(shù)的影響比較小。而邊坡安全系數(shù)隨著結(jié)構(gòu)面剛度和結(jié)構(gòu)面間距增加到一定值時，出現(xiàn)減小的趨勢，與前文得出的結(jié)論相同。邊坡安全系數(shù)計(jì)算值最大時的方案為A2B4C4D3E3，即在此方案下邊坡的安全系數(shù)最大，此時邊坡最穩(wěn)定。邊坡安全系數(shù)計(jì)算值最小時的方案為A1B1C1D1E1，即在此方案下邊坡的穩(wěn)定性最差。

圖9 各因素不同水平下安全系數(shù)均值

圖10 各因素對應(yīng)安全系數(shù)極差

由圖10可知，安全系數(shù)極差從大到小的順序依次為RC、RD、RA、RB、RE，表明在考慮的結(jié)構(gòu)各參數(shù)中結(jié)構(gòu)面黏聚力對邊坡穩(wěn)定性影響最大，其次為結(jié)構(gòu)面摩擦角、結(jié)構(gòu)面間距、結(jié)構(gòu)面傾角、結(jié)構(gòu)面剛度，其中結(jié)構(gòu)面傾角和結(jié)構(gòu)面剛度對邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的影響程度相差不大。

3 結(jié) 論

(1)當(dāng)結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)(黏聚力和內(nèi)摩擦角)小于邊坡巖體強(qiáng)度參數(shù)時，隨著結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度增加，安全系數(shù)近于線性增加，破壞模式以順層滑移破壞模式為主；當(dāng)結(jié)構(gòu)面參數(shù)大于邊坡巖體強(qiáng)度參數(shù)時，隨著結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度的增加，邊坡安全系數(shù)逐漸趨于定值，破壞模式由順層滑移變?yōu)榛?彎曲破壞，且滑移面由平面變?yōu)閳A弧面。

(2)結(jié)構(gòu)面剛度和結(jié)構(gòu)面間距對安全系數(shù)的影響較小，且隨著結(jié)構(gòu)面剛度和間距的增大，邊坡破壞模式主要表現(xiàn)為沿著結(jié)構(gòu)面順層滑動破壞。

(3)當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角小于坡角時，隨著結(jié)構(gòu)面傾角的增大，邊坡安全系數(shù)有減小的趨勢，主要以順層滑移破壞為主；當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角大于坡角且小于某一臨界角度值時，隨著結(jié)構(gòu)面傾角的增大，安全系數(shù)呈現(xiàn)增大的趨勢，主要以滑移-潰曲破壞為主；直到結(jié)構(gòu)面傾角超過臨界值之后，隨著結(jié)構(gòu)面傾角的增大邊坡的安全系數(shù)又出現(xiàn)減小的趨勢，且破壞模式轉(zhuǎn)變?yōu)閮A倒破壞。

(4)基于正交試驗(yàn)獲取了結(jié)構(gòu)面不同因素對邊坡穩(wěn)定性影響的主次順序，得出巖體結(jié)構(gòu)面黏聚力對巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性影響最大，其次是結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角、結(jié)構(gòu)面傾角、結(jié)構(gòu)面間距和結(jié)構(gòu)面剛度。

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(責(zé)任編輯 石海林)

Study on Influence Laws of Rock Structural Plane Parameters on Failure Mode of Bedding Slope

Huang Shuai1Wang Rong2Wang Hongxiang2Cai Degou3Yan Hongye3

(1.InstituteofCrustalDynamics，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100085，China；2.ChinaHarbourEngineeringCompanyLimited，Beijing100027，China；3.RailwayEngineeringResearchInstitute，ChinaAcademyofRailsScience，Beijing100081，China)

Based on the discrete element numerical simulation of rock slope，influences of the parameters (cohesion，internal friction angle，rigidity，dip angle，spacing) of rock structural plane to slope stability is studied to clear the influencing law for safety factor and failure modes of slope.According to the principle of variance analysis of orthogonal experiment，the significance that rock structural plane parameters impact on the slope stability is discussed.It is shown that slope safety factor is on linear growth in a certain range with strength of the rock structural plane increasing，and the failure modes shift gradually from the bedding sliding failure modes to the sliding-bending failure modes.The safety factors changes very little with the rigidity and spacing of rock structural plane increasing.Its maximum variance ratio is only 6.6% and 3.6%，and the slope failure modes are mainly sliding failure modes.Slope safety factor firstly decreases，then increases and finally decreases with the increase of the rock structural plane dip angle，and failure modes shift from shearing slip failure modes to shearing slip-buckling failure modes，finally to the tilting failure modes.The impact of the rock structural plane cohesion on the slope stability is the greatest，and the rigidity is the least.

Bedding slope，Rock structural plane，Orthogonal experiment，Safety factor，F(xiàn)ailure mode

2015-06-22

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(編號：2011AA11A102),鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心科研項(xiàng)目(編號：J2014G006)。

黃 帥(1987—)，男，助理研究員，博士。

U211.9

A

1001-1250(2015)-10-140-06