王 威， 劉順青， 姜 嘯， 吳禮浩， 崔 雨

(1.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第三地質(zhì)大隊(duì)，鎮(zhèn)江 212001；2.江蘇科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，鎮(zhèn)江 212005)

邊坡穩(wěn)定性問題一直是巖土工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，前人對(duì)土質(zhì)、巖質(zhì)及土石混合邊坡的失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行了大量研究。王偉等[1]對(duì)土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，研究結(jié)果表明隨著荷載的增加，坡頂?shù)呢Q向位移大于側(cè)向位移，坡底處側(cè)向位移大于豎向位移；龔文惠等[2]采用滑移線場(chǎng)理論確定滑裂面，并結(jié)合動(dòng)力有限單元法，提出了一種地震作用下土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的分析方法；孫樹林等[3]基于強(qiáng)度折減法與極限平衡法，建立一種快速初步確定土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)的方法；王林峰等[4]考慮了復(fù)雜反傾巖質(zhì)邊坡中結(jié)構(gòu)面未將巖塊與母巖徹底分離，建立了該類邊坡的穩(wěn)定性分析方法；夏開宗等[5]考慮了地下水對(duì)滑帶巖土體及邊坡后緣張裂縫的影響，采用突變理論構(gòu)建了邊坡模型，分析了順層巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)機(jī)制；趙凱等[6]采用顆粒流法對(duì)含軟弱結(jié)構(gòu)面巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)破壞過程進(jìn)行了模擬，重點(diǎn)分析了結(jié)構(gòu)面的分布深度及傾角的影響；張志飛等[7]基于顆粒流程序分析研究了巖層傾角、層厚及層理剪切強(qiáng)度對(duì)反傾層狀巖質(zhì)邊坡變形破壞機(jī)制的影響；徐文杰等[8]綜合運(yùn)用數(shù)字圖像處理技術(shù)及有限元強(qiáng)度折減法對(duì)某土石混合體邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，結(jié)果表明塊石的存在使邊坡內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)分布變得極其不均勻；李亮等[9]編制相應(yīng)程序生成了一定級(jí)配的塊石數(shù)據(jù)，并采用有限差分軟件FLAC3D內(nèi)嵌的有限差分強(qiáng)度折減法對(duì)塊石邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析；Liu等[10]基于建立的隨機(jī)塊石模型，采用有限元法分析了較大塊石分布位置對(duì)土石混合邊坡穩(wěn)定性的影響。

目前，前人對(duì)邊坡穩(wěn)定性的研究主要集中在土質(zhì)、巖質(zhì)及土石混合邊坡三類，而對(duì)于二元結(jié)構(gòu)邊坡穩(wěn)定性的研究相對(duì)較少。Chen等[11]通過地震波動(dòng)理論研究了巖質(zhì)二元結(jié)構(gòu)邊坡的動(dòng)態(tài)響應(yīng)機(jī)制；唐曉松等[12]采用有限元強(qiáng)度折減法研究了上軟下硬的堆積層二元結(jié)構(gòu)邊坡變形破壞與滑動(dòng)面發(fā)生發(fā)展的全過程；趙波等[13]采用有限元法研究了底面位置、黏聚力及內(nèi)摩擦角等因素對(duì)二元結(jié)構(gòu)邊坡穩(wěn)定性的影響；梅林等[14]通過物理模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬手段研究了二元結(jié)構(gòu)邊坡的破壞過程，結(jié)果表明邊坡的最大水平位移位于交界面之上的邊坡中部；任青陽等[15]調(diào)查研究了貴州省某在建高速公路的泥巖-粉質(zhì)黏土二元結(jié)構(gòu)邊坡的裂縫發(fā)育及失穩(wěn)破壞特征，結(jié)果表明該邊坡失穩(wěn)破壞部位主要為上部粉質(zhì)黏土層?？梢娔壳搬槍?duì)二元結(jié)構(gòu)邊坡的研究都未考慮界面土層軟化對(duì)其穩(wěn)定性的影響。

鑒于此，采用有限元極限分析軟件OPTUM G2建立含軟化土層的二元結(jié)構(gòu)邊坡數(shù)值模型，分析基巖傾角、軟化土層厚度及軟化度對(duì)二元結(jié)構(gòu)邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律。研究結(jié)果可為施工及運(yùn)營(yíng)期二元結(jié)構(gòu)邊坡的設(shè)計(jì)及養(yǎng)護(hù)治理提供了理論支撐，具有實(shí)際工程意義。

1 有限元極限分析計(jì)算模型的建立

采用有限元極限分析軟件OPTUM G2建立邊坡的分析模型，在模型的左右邊界設(shè)置水平約束，在模型的底部邊界設(shè)置固定約束。二元結(jié)構(gòu)邊坡的計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 二元結(jié)構(gòu)邊坡計(jì)算模型圖

二元結(jié)構(gòu)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)土體、軟化土體、基巖的本構(gòu)模型均采用摩爾-庫倫模型，具體計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 二元結(jié)構(gòu)邊坡計(jì)算參數(shù)

有限元極限分析軟件OPTUM G2在計(jì)算二元結(jié)構(gòu)邊坡穩(wěn)定性時(shí)，采用強(qiáng)度折減法，邊坡的安全系數(shù)Fs定義為

(1)

式(1)中：ccr和φcr分別為二元結(jié)構(gòu)邊坡處于臨界滑動(dòng)狀態(tài)時(shí)巖土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角，c和φ分別為正常巖土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

圖2所示為采用有限元下限法計(jì)算二元結(jié)構(gòu)邊坡安全系數(shù)的分析流程。安全系數(shù)上限法與此類似，上限解輸出改為Fsmax(邊坡的最大安全系數(shù))。TOL為收斂精度，取0.001。

圖2 二元結(jié)構(gòu)邊坡有限元下限安全系數(shù)的分析流程

2 基巖傾角對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響分析

為分析基巖傾角對(duì)二元結(jié)構(gòu)邊坡穩(wěn)定性的影響，選取軟化土層的厚度為0.5 m，基巖傾角分別為0°、5°、10°、15°、20°，對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)基巖傾角在0°～20°變化時(shí)，二元結(jié)構(gòu)邊坡的下限安全系數(shù)從1.474降低至1.341，減小幅度約為9%；上限安全系數(shù)從1.509降低至1.383，減小幅度約為8%?？梢姡嗤能浕翆雍穸认?，隨著基巖傾角的增大，二元結(jié)構(gòu)邊坡下、上限安全系數(shù)減小幅度在10%左右。

圖3 不同基巖傾角下二元結(jié)構(gòu)邊坡下、上限安全系數(shù)

限于文章篇幅，分別選取基巖傾角為0°、20°時(shí)二元結(jié)構(gòu)邊坡下限剪切耗散，如圖4所示。由圖4可知，含軟化土層的二元結(jié)構(gòu)邊坡滑動(dòng)時(shí)，滑動(dòng)面都穿過軟化土層，且隨著基巖傾角的增大，滑動(dòng)圓弧穿過軟化土層的長(zhǎng)度越來越大，從而導(dǎo)致其安全系數(shù)越來越小。其他基巖傾角下的下限剪切耗散圖與此類似，不再列舉。

令dY/dt=0,y1*=0,y2*=1,X*=(B3-B2-C1-C2)/(B3-B2-C2)，如果激勵(lì)超出了政府的承受范圍，政府是不會(huì)釆取相應(yīng)激勵(lì)措施的，所以B3>B2+C1+C2。

圖4 不同基巖傾角下二元結(jié)構(gòu)邊坡的下限剪切耗散

3 軟化土層厚度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響分析

選取基巖傾角為10°，軟化土層厚度分別為0.3、0.5、0.7、0.9、1.0、1.2 m，分析軟化土層厚度對(duì)二元結(jié)構(gòu)邊坡穩(wěn)定性的影響，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，當(dāng)軟化土層厚度在0.3～1.2 m變化時(shí)，二元結(jié)構(gòu)邊坡的下限安全系數(shù)從1.427降低到1.334，減小幅度約為7%；上限安全系數(shù)從1.470降低到1.370，減小幅度約為7%。可見，相同的基巖傾角下，隨著軟化土層厚度的增大，二元結(jié)構(gòu)邊坡下、上限安全系數(shù)減小幅度在7%左右。

圖5 不同軟化土層厚度下二元結(jié)構(gòu)邊坡下、上限安全系數(shù)

限于文章篇幅，分別選取軟化土層為0.3、1.2 m時(shí)二元結(jié)構(gòu)邊坡的下限剪切耗散如圖6所示。由圖6可知，相同的基巖傾角下，隨著軟化土層厚度的不斷增大，滑動(dòng)面穿過軟化土層的總長(zhǎng)度逐漸變大，從而導(dǎo)致其安全系數(shù)逐漸減小。其他軟化土層厚度下的下限剪切耗散圖與此類似，不再列舉。

圖6 不同軟化土層厚度下二元結(jié)構(gòu)邊坡的下限剪切耗散

4 土層軟化程度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響分析

為定量分析土層軟化程度對(duì)二元結(jié)構(gòu)邊坡穩(wěn)定性的影響，定義土體的軟化度η：

(2)

式(2)中：f軟化土體、f土體分別為軟化土層及未軟化土層的土體參數(shù)。

前期研究表明，對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較大的土體參數(shù)為黏聚力及內(nèi)摩擦角[16]，因此主要考慮黏聚力和內(nèi)摩擦角的軟化。為了便于分析，采用相同的軟化度對(duì)黏聚力和內(nèi)摩擦角進(jìn)行折減。二元結(jié)構(gòu)邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)，選取基巖傾角為10°，軟化土層厚度為0.5 m，軟化度η分別取1.0、0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4、0.3，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，當(dāng)軟化度在1.0～0.3變化時(shí)，二元結(jié)構(gòu)邊坡的下限安全系數(shù)從1.633降低到0.934；上限安全系數(shù)從1.667降低到0.973?？梢姡缑嫱翆拥能浕瘜?duì)二元結(jié)構(gòu)邊坡穩(wěn)定性的影響很大。

圖7 不同軟化度下二元結(jié)構(gòu)邊坡下、上限安全系數(shù)

限于文章篇幅，分別選取軟化度為1.0、0.3 m時(shí)二元結(jié)構(gòu)邊坡的下限剪切耗散如圖8所示。由圖8可知，相同的基巖傾角及軟化土層厚度下，隨著軟化度的不斷減小，二元結(jié)構(gòu)邊坡滑動(dòng)面穿過軟化土層的長(zhǎng)度逐漸變大，滑體總體積不斷增大。其他軟化度下的下限剪切耗散圖與此類似，不再列舉。

圖8 不同軟化度下二元結(jié)構(gòu)邊坡的下限剪切耗散

(3)

式(3)中：Fi、F0分別為不同軟化度與土層未軟化(軟化度為1.0)時(shí)二元結(jié)構(gòu)邊坡的安全系數(shù)。

為使問題更清晰，按式(3)分別計(jì)算不同軟化度下二元結(jié)構(gòu)邊坡安全系數(shù)的絕對(duì)衰減率，計(jì)算結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，當(dāng)軟化土層的軟化度在1.0～0.3變化時(shí)，二元結(jié)構(gòu)邊坡下限安全系數(shù)的絕對(duì)衰減率在0～42.8%變化，上限安全系數(shù)的絕對(duì)衰減率在0～41.6%變化?？梢?，界面土層的軟化對(duì)二元結(jié)構(gòu)邊坡穩(wěn)定性的影響很大。所以對(duì)于天然及治理后的二元結(jié)構(gòu)邊坡應(yīng)做好坡面防水工作，盡量減小降雨的入滲，以防此類邊坡滑坡的發(fā)生。

圖9 不同軟化度下二元結(jié)構(gòu)邊坡下限安全系數(shù)和上限安全系數(shù)的絕對(duì)衰減率

5 工程實(shí)例驗(yàn)證

選取西音水利樞紐庫區(qū)某二元結(jié)構(gòu)庫岸邊坡[17]對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算模型如圖10所示。二元結(jié)構(gòu)庫岸邊坡穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)覆蓋土、全風(fēng)化巖、軟化土的本構(gòu)模型均采用摩爾-庫倫模型，具體的計(jì)算參數(shù)如表2所示。

圖10 庫岸二元結(jié)構(gòu)邊坡計(jì)算模型

表2 二元結(jié)構(gòu)庫岸邊坡計(jì)算參數(shù)

二元結(jié)構(gòu)庫岸邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如表3所示。由表3可知，該二元結(jié)構(gòu)庫岸邊坡不考慮土層軟化時(shí)，邊坡下限安全系數(shù)、上限安全系數(shù)分別為1.189、1.223，考慮土層軟化時(shí)，邊坡下限安全系數(shù)、邊坡上限安全系數(shù)分別為0.777、0.822，邊坡下限安全系數(shù)、邊坡上限安全系數(shù)分別降低了34.7%、32.8%。可見，界面土層軟化對(duì)該二元結(jié)構(gòu)庫岸邊坡的穩(wěn)定性有著極其不利的影響，研究結(jié)論與分析結(jié)果一致。

表3 二元結(jié)構(gòu)庫岸邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果

6 結(jié)論

(1)相同的軟化土層厚度下，隨著基巖傾角的增大，二元結(jié)構(gòu)邊坡下、上限安全系數(shù)減小幅度在10%左右。

(2)相同的基巖傾角下，隨著軟化土層厚度的增大，二元結(jié)構(gòu)邊坡下、上限安全系數(shù)減小幅度在7%左右。

(3)相同的基巖傾角及軟化土層厚度下，土層的軟化度對(duì)二元結(jié)構(gòu)邊坡穩(wěn)定性的影響很大，邊坡下、上限安全系數(shù)的絕對(duì)衰減率都超過40%。

(4)隨著界面土層的不斷軟化，二元結(jié)構(gòu)邊坡滑動(dòng)面穿過軟化土層的長(zhǎng)度逐漸變大，滑體總體積不斷增大。