， ，,，

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，武漢 430074)

斷層力學(xué)與幾何參數(shù)對(duì)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響

和大釗，胡斌，姚文敏,李華舟，毛元靜

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，武漢 430074)

采用FLAC3D強(qiáng)度折減法并對(duì)比slide極限平衡法，分別研究斷層破碎帶巖土體的泊松比、抗拉強(qiáng)度、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角等力學(xué)參數(shù)及斷層的斷距、厚度、傾角、相對(duì)臨空面的距離等幾何參數(shù)對(duì)巖質(zhì)邊坡破壞模式和穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：邊坡的穩(wěn)定性隨內(nèi)聚力的增大而增大,且基本不受泊松比和抗拉強(qiáng)度的影響，2種方法得出的內(nèi)摩擦角對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響規(guī)律有所不同；斷層的幾何參數(shù)對(duì)邊坡的破壞模式和穩(wěn)定性有較大的影響，并且影響程度大于其力學(xué)參數(shù)的影響。

巖質(zhì)邊坡;斷層；力學(xué)參數(shù)；幾何參數(shù)；破壞模式；邊坡穩(wěn)定性

1 研究背景

巖體在漫長(zhǎng)的地質(zhì)演化過(guò)程中，內(nèi)部會(huì)形成大量的斷層、節(jié)理[1]。斷層是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中廣泛發(fā)育的構(gòu)造形態(tài)，它大小不一、規(guī)模不等，斷層帶內(nèi)巖土體力學(xué)性質(zhì)較差[2]，斷層的存在破壞了巖層的連續(xù)性和完整性。大量工程實(shí)踐表明，巖質(zhì)邊坡由于含斷層而使得自身的變形破壞模式及穩(wěn)定性問題變得復(fù)雜而多樣，其失穩(wěn)多是由于其內(nèi)部的節(jié)理、裂隙等缺陷及其發(fā)展導(dǎo)致的[3-5]，給露天礦開采等生產(chǎn)活動(dòng)帶來(lái)較大的安全隱患[6]。

近年來(lái)，諸多學(xué)者針對(duì)地下煤層、儲(chǔ)油層等采用數(shù)值模擬方法研究了斷層對(duì)地應(yīng)力的影響[7-9]，而斷層對(duì)巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性影響等方面的研究[10-12]相對(duì)較少。鑒于此，本文采用數(shù)值模擬手段研究斷層的力學(xué)參數(shù)和幾何參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性和破壞模式的影響規(guī)律，為該類邊坡工程穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供借鑒。

2 模擬方案

2.1 數(shù)值模型的建立

數(shù)值計(jì)算模型以四川峨勝某露天采石灰石礦山邊坡為原型。該邊坡巖性主要為二疊系灰?guī)r，內(nèi)部存在F1和F22條斷層，其中F1斷層為較早的斷層，F(xiàn)2斷層為較新的斷層，F(xiàn)1斷層與邊坡走向基本一致，F(xiàn)2斷層與邊坡走向斜交。相應(yīng)的巖石力學(xué)試驗(yàn)及鉆孔資料顯示，隨著邊坡的開挖，沿邊坡走向不同部位的斷層破碎帶巖土體力學(xué)參數(shù)和斷層幾何參數(shù)有所變化。邊坡剖面示意如圖1，其中D=3 m,L=40 m,θ=60°,S=40 m，模型未考慮局部開挖臺(tái)階的影響。

圖1 邊坡模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of slope model

弱化法和Interface命令法是FLAC斷層模擬中的2類基本方法[13-14]，本次研究選用的是弱化法。基本假設(shè)：巖體為均勻各向同性材料；斷層為完全彈性材料；斷層僅僅受到現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用,古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)對(duì)斷層產(chǎn)生的殘余應(yīng)力忽略不計(jì)。利用有限元軟件ANSYS建立邊坡模型，為消除尺寸效應(yīng)并考慮到單元數(shù)量對(duì)于計(jì)算效率的影響，確定模型劃分單元的尺寸約為計(jì)算模型的1/10～1/20，將模型導(dǎo)入到FLAC3D軟件中進(jìn)行計(jì)算，邊界條件為底部固定約束，四周采用法向約束，上部為自由邊界。

2.2 計(jì)算方法

計(jì)算選用能同時(shí)考慮關(guān)聯(lián)流動(dòng)拉伸屈服和非關(guān)聯(lián)流動(dòng)剪切屈服的Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，采用FLAC3D內(nèi)置的強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，以邊坡臨界破壞(即計(jì)算不收斂)時(shí)的x方向位移云圖與位移矢量圖進(jìn)行分析。

3 斷層破碎帶力學(xué)參數(shù)對(duì)邊坡的影響

3.1 力學(xué)參數(shù)的選取

選取對(duì)巖土體力學(xué)性質(zhì)影響較大的4種力學(xué)參數(shù)，即斷層破碎帶巖土體的泊松比、抗拉強(qiáng)度、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，首先根據(jù)相關(guān)斷層破碎帶物質(zhì)的力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果及工程經(jīng)驗(yàn)確定每種力學(xué)參數(shù)的常見范圍，然后對(duì)該范圍進(jìn)行適當(dāng)擴(kuò)寬作為極端范圍，在極端范圍內(nèi)進(jìn)行內(nèi)插取值作為計(jì)算參數(shù)，圖1所示剖面位置的巖土體力學(xué)參數(shù)取值如表1所示。

表1 力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果

采用控制變量法分別改變表1中F1和F2斷層破碎帶巖土體的泊松比、抗拉強(qiáng)度、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，在研究其中某一參數(shù)時(shí)，保持其他參數(shù)為表1中的數(shù)值不變。由FLAC3D軟件計(jì)算其穩(wěn)定性，結(jié)果如圖2所示。可以看出，斷層的存在切斷了應(yīng)力的傳遞路徑，變形運(yùn)動(dòng)主要為2斷層面與臨空面之間的楔形體順層滑移，F(xiàn)2斷層出露部位的變形量最大。不同力學(xué)參數(shù)下計(jì)算所得的邊坡x方向位移云圖和位移矢量圖均與圖2相似(位移大小不同)，說(shuō)明力學(xué)參數(shù)的改變不會(huì)改變邊坡的破壞模式。

邊坡穩(wěn)定性隨力學(xué)參數(shù)的變化見圖3。由于極限平衡法只考慮抗剪強(qiáng)度參數(shù)，因此只對(duì)內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力采用slide軟件進(jìn)行對(duì)比研究。

圖3 穩(wěn)定性系數(shù)隨力學(xué)參數(shù)變化Fig.3 Variation of stability coefficient with mechanical parameters

3.3 模擬結(jié)果分析

圖4 單元體受力分析Fig.4 Mechanics analysis of unit

由圖3(a)、圖3(b)可知F1和F2斷層破碎帶巖土體的泊松比和抗拉強(qiáng)度對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響都很??；由圖3(c)可知邊坡穩(wěn)定性隨內(nèi)聚力的增大而增大，并且由slide軟件極限平衡法比FLAC3D軟件強(qiáng)度折減法的計(jì)算結(jié)果更加保守且敏感性相對(duì)較低；由圖3(d)可知，由slide軟件算得的邊坡穩(wěn)定性隨2斷層破碎帶巖土體內(nèi)摩擦角增大而增大，這與由FLAC3D軟件計(jì)算所得的F1斷層曲線的趨勢(shì)是一致的。上述規(guī)律符合預(yù)期并且也與前人的研究成果一致，而由FLAC3D軟件計(jì)算所得的F2斷層曲線的變化趨勢(shì)為先減小后增大最后基本保持不變，對(duì)該現(xiàn)象的原因分析為：在F1或F2斷層破碎帶內(nèi)取一單元體(圖4)進(jìn)行受力分析，可以確定在垂直紙面方向內(nèi)單元體受到的法向約束力為正應(yīng)力σ2，則最大主應(yīng)力σ1和最小主應(yīng)力σ3必在平行紙面的平面內(nèi)，以斷層傾向方向?yàn)閤軸，垂直斷層面方向?yàn)閥軸建立如圖所示的坐標(biāo)系，假設(shè)σ3與斷層面的夾角為β。

由彈塑性力學(xué)知識(shí)可知單元體的破壞面mn面,即剪應(yīng)力τ所在平面與最大主應(yīng)力σ1作用面的夾角為45°+φ/2，其中

τ=c+σtanφ。

(1)

由幾何關(guān)系可得剪應(yīng)力τ所在平面與y軸的夾角為45°+φ/2+β，將τ分解為τx和τy，則∑τx提供了對(duì)斷層面右側(cè)巖土體的摩擦力或抗滑力，由圖4可知τx=τ·sin(45°-φ/2+β)，則

τx=(c+σ·tanφ)·sin(45°-φ/2+β) 。

(2)

對(duì)曲線2(圖3(d))進(jìn)行分析，當(dāng)F2斷層帶的內(nèi)摩擦角φ<20°時(shí)，邊坡破壞首先開始于F2斷層帶，單元體所受σ值較小;當(dāng)φ<15°時(shí)，σtanφ遠(yuǎn)小于內(nèi)聚力c，式(2)可簡(jiǎn)化為τx=csin(45°-φ/2+β)，此時(shí)隨著φ的增大，τx逐漸減小，抗滑力減小，因此邊坡穩(wěn)定性曲線呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。而當(dāng)τx>16°時(shí)，σtanφ不可忽略，此時(shí)式(2)為增函數(shù)，τx隨著φ的增大而增大，抗滑力增大，因此邊坡穩(wěn)定性曲線呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)。隨著φ繼續(xù)增大至21°時(shí)，模型的破壞將會(huì)首先發(fā)生在F2斷層帶部位，穩(wěn)定性主要由F2斷層帶的力學(xué)性質(zhì)決定，因此當(dāng)φ繼續(xù)增大時(shí)，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)基本不再變化。

對(duì)曲線1(圖3(d))進(jìn)行分析，由于F1斷層帶內(nèi)單元體所受的σ值較大，σtanφ不可忽略，此時(shí)式(2)為增函數(shù)，τx隨著φ的增大而增大，抗滑力增大，因此邊坡穩(wěn)定性曲線呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)。

4 斷層幾何參數(shù)對(duì)邊坡的影響

4.1 幾何參數(shù)的選取

由于F2斷層與邊坡走向斜交，不同部位剖面顯示的斷層相對(duì)臨空面的距離S將產(chǎn)生連續(xù)變化，同時(shí)本次研究還模擬了F2斷層不同厚度D、斷距L、傾角θ等情況下的邊坡穩(wěn)定性。在圖1模型的基礎(chǔ)上采用控制變量法分別改變F2斷層的D,L,θ,S4種幾何參數(shù)，選取的計(jì)算力學(xué)參數(shù)仍如表1所示。

4.2 斷層的斷距對(duì)邊坡的影響

在斷距-80～90 m范圍內(nèi)分別建立14種不同斷距的模型，部分模型如圖5，計(jì)算所得部分位移云圖和矢量圖如圖6。

圖5 不同斷距FLAC3D模型Fig.5 Diagrams of FLAC3D model with different fault throws

圖6 不同斷距下位移云圖與矢量圖Fig.6 Cloud and vector graph of displacement of model with different fault throws

圖7 穩(wěn)定性系數(shù)隨斷距的變化Fig.7 Variation of stability coefficient with fault throw

由圖6(a)可知，當(dāng)F2斷層為逆斷層或走滑斷層(斷距為0m)時(shí)，F(xiàn)1斷層的存在對(duì)邊坡的變形運(yùn)動(dòng)基本無(wú)影響，斷層面右側(cè)巖土體向臨空面發(fā)生滑移-壓致拉裂，坡腳處的變形運(yùn)動(dòng)最劇烈。當(dāng)F2斷層為正斷層時(shí)，變形運(yùn)動(dòng)主要為楔形體順層滑移、楔形體下部巖體滑移-壓致拉裂或兩者組合變形運(yùn)動(dòng)。

將邊坡穩(wěn)定性系數(shù)繪制成圖7所示的變化趨勢(shì)圖，由圖7可知：逆斷層的斷距對(duì)邊坡穩(wěn)定性基本無(wú)影響，而正斷層的斷距對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較大，隨正斷層斷距的增大，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，斷距為60m時(shí)邊坡的穩(wěn)定性最差。

分析原因?yàn)椋河山?jīng)驗(yàn)可知坡角為45°的邊坡剪出口位置在坡腳上方附近，F(xiàn)1斷層的存在會(huì)加劇邊坡的剪出破壞，其出露位置距離剪出口越近且上部楔形體體積越大則邊坡穩(wěn)定性越差。而當(dāng)F2為逆斷層時(shí)，F(xiàn)1斷層出露位置距離剪出口較遠(yuǎn)且保持不變，因此其穩(wěn)定性系數(shù)較高且保持基本不變。綜上所述，F(xiàn)2斷層的斷距通過(guò)改變F1斷層的出露位置與楔形體的體積從而改變邊坡的穩(wěn)定性。

4.3 斷層的傾角對(duì)邊坡的影響

在圖1模型的基礎(chǔ)上分別建立6種不同斷層傾角的邊坡模型，部分模型如圖8，所得位移云圖與矢量圖如圖9所示。當(dāng)F2斷層傾角<15°即與F2斷層平行時(shí)，由于F2斷層帶的力學(xué)參數(shù)比F1斷層更差，因此邊坡首先沿F2斷層面產(chǎn)生順層滑移。當(dāng)F2斷層傾角為30°時(shí)，F(xiàn)2斷層右側(cè)楔形體不足以抵擋左側(cè)楔形體向臨空面的運(yùn)動(dòng)，因此產(chǎn)生如圖9(b)所示的變形運(yùn)動(dòng)。當(dāng)F2斷層傾角>30°時(shí)，F(xiàn)2斷層左側(cè)楔形體不能向臨空面運(yùn)動(dòng)，因此只有右側(cè)楔形體發(fā)生順層滑移。

圖8 不同傾角FLAC3D模型Fig.8 Diagrams of FLAC3D model with different dips

圖9 不同傾角下位移云圖與矢量圖Fig.9 Cloud and vector graph of displacement of model with different dips

將邊坡穩(wěn)定性系數(shù)繪制成如圖10所示的變化趨勢(shì)圖，隨著斷層傾角的增大，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢(shì)，當(dāng)斷層傾角約為15°或60°時(shí)邊坡的穩(wěn)定性最差。

圖10 穩(wěn)定性系數(shù)隨斷層傾角的變化Fig.10 Variation of stability coefficient with dips

4.4 斷層的厚度對(duì)邊坡的影響

本次研究選用弱化法模擬斷層，斷層部位的力學(xué)參數(shù)是在其周圍巖土體的力學(xué)參數(shù)條件下進(jìn)行適當(dāng)折減得到的，這種方法可以通過(guò)改變模型中斷層部位的寬度從而模擬不同的斷層厚度D，這也是弱化法相對(duì)Interface命令法的優(yōu)勢(shì)之一。本次研究通過(guò)在圖1模型基礎(chǔ)上改變F2斷層的厚度共建立了5個(gè)模型，計(jì)算結(jié)果見表2，可知在所研究的范圍內(nèi)，斷層厚度對(duì)邊坡的破壞模式及穩(wěn)定性影響很小。

表2 不同斷層厚度下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)Table 2 Stability coefficient of slope with differentthickness of fault

4.5 斷層相對(duì)臨空面的距離對(duì)邊坡的影響

在圖1模型基礎(chǔ)上將邊坡的寬度由300 m擴(kuò)大至500 m，在10～300 m范圍內(nèi)改變F2斷層相對(duì)臨空面的距離共建立11個(gè)模型，計(jì)算所得部分位移云圖與矢量圖如圖11。

圖11 不同相對(duì)臨空面距離下位移云圖與矢量圖Fig.11 Cloud and vector graph of displacement of model with different distances from free face

當(dāng)F2斷層相對(duì)臨空面的距離<40 m時(shí)，右側(cè)楔形體在自重應(yīng)力作用下向下擠壓發(fā)生滑移-壓致拉裂；當(dāng)F2斷層相對(duì)臨空面的距離>40 m時(shí)，右側(cè)楔形體沿F2斷層整體順層滑移。邊坡穩(wěn)定性隨斷層相對(duì)臨空面距離的變化趨勢(shì)如圖12。

由圖12可知：當(dāng)距離<30 m時(shí)，楔形體的體積逐漸增大，抗滑力增幅小于下滑力增幅導(dǎo)致剩余下滑力減小，穩(wěn)定性系數(shù)亦減?。划?dāng)距離為30～200 m時(shí)，下滑力增幅減小和抗滑力增幅變大導(dǎo)致剩余下滑力增大，穩(wěn)定性系數(shù)亦越來(lái)越大；當(dāng)距離>200 m時(shí)，下滑力和抗滑力都不再變化，因此穩(wěn)定性系數(shù)也趨于不變。

通過(guò)上述各個(gè)穩(wěn)定性趨勢(shì)曲線的變化幅度可以看出，幾何參數(shù)對(duì)邊坡的影響程度大于力學(xué)參數(shù)的影響程度。

圖12 穩(wěn)定性系數(shù)隨斷層相對(duì)臨空面距離的變化Fig.12 Variation of stability coefficient with distance from free face

5 結(jié) 語(yǔ)

本文運(yùn)用數(shù)值模擬方法研究了含雙斷層巖質(zhì)邊坡的破壞模式與穩(wěn)定性系數(shù)變化規(guī)律，主要結(jié)論為：

(1) 斷層切斷了應(yīng)力的傳遞路徑，導(dǎo)致邊坡變形破壞集中在斷層面與臨空面之間的楔形體部位。

(2) 力學(xué)參數(shù)對(duì)邊坡的影響程度較?。粠缀螀?shù)通過(guò)改變楔形體的形狀、大小及底部出露位置從而改變邊坡的破壞模式和穩(wěn)定性，并且其影響程度大于力學(xué)參數(shù)的影響程度。

(3) slide軟件極限平衡法相比FLAC3D軟件強(qiáng)度折減法的計(jì)算結(jié)果更加保守，敏感性相對(duì)較低，并且由于兩者在計(jì)算方法上的不同，其計(jì)算所得的內(nèi)摩擦角對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律也有所差異。

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Influence of Mechanical and Geometric Parameters ofFaults on Rock Slope Stability

HE Da-zhao, HU Bin, YAO Wen-min, LI Hua-zhou, MAO Yuan-jing

(Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China)

The influences of strength parameters (including Poisson’s ratio, tensile strength, cohesion, and internal friction angle) and geometrical parameters (fault throw, thickness, dips, and distance from free face) of fault fracture zone on the failure mode and stability of rock slope were analyzed by FLAC3Dstrength reduction method in comparison with limit equilibrium method in Slide. Simulation results indicate that the increase of cohesion could improve the slope stability while Poisson’s ratio and tensile strength have barely no influence on the stability; the effects of internal friction angle on slope stability obtained from the two methods are different; in addition, the geometric parameters of rock-soil body in faults have a stronger impact on the failure modes and stability of rock slope than mechanical parameters do.

rock slope; faults; mechanical parameters; geometric parameters; failure mode; slope stability

2016-09-19；

2016-12-25

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41672317)

和大釗(1991-)，男，山東新泰人，碩士研究生，主要從事邊坡穩(wěn)定性分析與巖土數(shù)值模擬方面的研究。E-mail:1049510874@qq.com

胡 斌(1974-),男，山東曲阜人，教授，博士，主要從事邊坡穩(wěn)定性分析與數(shù)值模擬方面的研究。E-mail:40275083@qq.com

10.11988/ckyyb.20160974

TU457

A

1001-5485(2018)01-0128-05

(編輯：趙衛(wèi)兵)