閆佐菲，曾令強(qiáng)

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710064；2.北京市地質(zhì)基礎(chǔ)工程公司，北京 101500)

0 引言

巖體中的結(jié)構(gòu)面(如層面和節(jié)理等)是降低巖體強(qiáng)度和大變形的主要因素，尤其對(duì)于順層巖質(zhì)邊坡來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)面對(duì)其穩(wěn)定性的影響不容忽視。順層邊坡是指巖層走向和傾向和邊坡坡面一致的邊坡。實(shí)際工程中，常將走向與巖層走向夾角小于20°、層面傾向與邊坡傾向接近的邊坡視為順層邊坡[1-3]。順坡結(jié)構(gòu)面的存在及其特征對(duì)于邊坡的變形和破壞方式及規(guī)模具有決定性的控制作用。無(wú)論從位移、拉應(yīng)力區(qū)還是屈服區(qū)的分布特點(diǎn)來(lái)看，順坡結(jié)構(gòu)面在很大程度上削弱了巖體的穩(wěn)定性[4]。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者和專(zhuān)家通過(guò)工程實(shí)踐、數(shù)值計(jì)算分析、模型試驗(yàn)等方法，對(duì)于順層邊坡破壞模式、巖移機(jī)理等的研究已經(jīng)取得了一些成果，但這些經(jīng)驗(yàn)有很大的局限性[5-6]。在工程領(lǐng)域的土質(zhì)邊坡設(shè)計(jì)分析和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中，一般依據(jù)各向同性介質(zhì)理論，采用極限應(yīng)力法確定近似圓弧滑面作為邊坡穩(wěn)定性計(jì)算和設(shè)計(jì)參數(shù)選擇的依據(jù)。但對(duì)于順層巖質(zhì)邊坡，破壞模式由順層結(jié)構(gòu)面控制，由于結(jié)構(gòu)面的復(fù)雜性，用簡(jiǎn)單的極限平衡法來(lái)分析穩(wěn)定性顯然是不適合的[4]。

綜上，本次研究采用UDEC離散元數(shù)值分析軟件，對(duì)研究區(qū)域的一個(gè)典型順層巖質(zhì)邊坡的破壞進(jìn)行數(shù)值模擬[7-11]。UDEC最初是為節(jié)理巖石邊坡的穩(wěn)定性分析開(kāi)發(fā)的[12-15]，對(duì)于塊體不連續(xù)公式和運(yùn)動(dòng)方程則采用顯式時(shí)間步的求解方法，便于塊狀巖體邊坡的漸進(jìn)破壞分析和大變形運(yùn)動(dòng)研究。UDEC程序包括離散元與邊界元的耦合，除可以進(jìn)行節(jié)理巖體的力學(xué)分析，還可以模擬節(jié)理巖體的熱傳導(dǎo)以及流水、石油等在節(jié)理中流動(dòng)等問(wèn)題，是節(jié)理巖體分析的有效工具。

1 研究區(qū)域巖質(zhì)邊坡地質(zhì)概況

研究區(qū)不穩(wěn)定斜坡位于石景山區(qū)金頂街道模式口西里47號(hào)樓南側(cè)，距離居民樓7～10 m，斜坡整體呈東西走向，坡面傾向北，寬度約20 m，長(zhǎng)度約220 m，斜坡高度為8～16 m，平均高度約10 m，坡度50°～65°(圖1、圖2)。坡底前下方修建有高5～6 m的重力式鋼筋混凝土擋墻，距離不穩(wěn)定斜坡約52 m。坡腳為模式口西里小區(qū)的7號(hào)樓和45號(hào)樓，有大量人員居住。經(jīng)2012年7月21日暴雨后，斜坡有3處局部崩塌。經(jīng)調(diào)查，坡體上方匯水面積達(dá)20 000 m2，雨季坡頂匯聚的大量雨水沖刷坡體，局部仍存在失穩(wěn)的可能。受威脅人數(shù)約200人，潛在經(jīng)濟(jì)損失約3000萬(wàn)元人民幣。根據(jù)《北京市地質(zhì)災(zāi)害治理項(xiàng)目實(shí)施技術(shù)指南(試行)》的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，該不穩(wěn)定斜坡的地質(zhì)災(zāi)害防治工程等級(jí)為Ⅱ級(jí)。

圖1 典型順層巖質(zhì)邊坡現(xiàn)場(chǎng)照片

圖2 典型不穩(wěn)定斜坡工程地質(zhì)剖面

1.1 地形地貌

模式口西里47號(hào)樓南側(cè)不穩(wěn)定斜坡所在區(qū)域?qū)偾鹆甑孛玻环€(wěn)定斜坡所在的丘坡，坡頂高程190 m，坡腳高程95～110 m，相對(duì)高程為80～95 m，山坡平均坡度20°～30°，局部有40°～90°的陡坡。

1.2 地層巖性

根據(jù)工程地質(zhì)勘查報(bào)告，不穩(wěn)定斜坡地層巖性為第四系全新統(tǒng)崩積塊石、人工填土、殘坡積層以及下部層狀板巖。

塊石分布于居民區(qū)附近的坡腰平臺(tái)處；素填土分布于不穩(wěn)定斜坡坡腰的平臺(tái)處和坡腳的平地處，根據(jù)鉆探和物探揭露，厚度為1～8 m；黏質(zhì)粉土主要分布在坡頂，厚度為0～8 m；板巖在坡面大部分區(qū)域均有出露，強(qiáng)風(fēng)化層平均厚度為1～2 m，巖體破碎，中等風(fēng)化層，節(jié)理發(fā)育，巖體較破碎—破碎。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)域未發(fā)現(xiàn)大的構(gòu)造現(xiàn)象，巖層產(chǎn)狀基本穩(wěn)定(42°∠40°)。斜坡坡體發(fā)育兩組節(jié)理面，產(chǎn)狀分別為NW60°～80° / SE68°～75°和SW15°～40° / NW55°～70°。前者為一組走向與坡體走向近垂直的陡傾結(jié)構(gòu)面，后者為一組走向與坡體走向平行的傾斜坡內(nèi)或坡外的中—陡傾結(jié)構(gòu)面。節(jié)理間距1.0～5 m，延展性好，且局部發(fā)育有X型節(jié)理。

1943年11月，毛澤東總結(jié)了一年來(lái)生產(chǎn)運(yùn)動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為1942年高級(jí)干部會(huì)議的方針是正確的。他說(shuō)：“高級(jí)干部會(huì)議方針的主要點(diǎn)，就是把群眾組織起來(lái)，把一切老百姓的力量、一切部隊(duì)機(jī)關(guān)學(xué)校的力量、一切男女老少的全勞動(dòng)力半勞動(dòng)力，只要是可能的，就要毫無(wú)例外地動(dòng)員起來(lái)，組織起來(lái)，成為一只勞動(dòng)大軍。”［4］928他指出，把群眾組織起來(lái)，這是一種方針。與此相反的方針是，不注意把廣大群眾組織起來(lái)，而只注意組織財(cái)政機(jī)關(guān)、供給機(jī)關(guān)、貿(mào)易機(jī)關(guān)的一小部分人；不把經(jīng)濟(jì)工作看做是一個(gè)廣大的運(yùn)動(dòng)，一個(gè)廣大的戰(zhàn)線，而只看做用以補(bǔ)救財(cái)政不足的臨時(shí)手段。這是一種錯(cuò)誤的方針。

1.4 水文地質(zhì)條件

勘查區(qū)地下水類(lèi)型主要為第四系土層孔隙水和基巖裂隙水。第四系土層孔隙水分布在低洼處的第四系全新統(tǒng)崩積層(Qhcol)、殘坡積層(Qheld)土層中，斜坡勘查區(qū)內(nèi)僅在雨季在第四系土層中存在上層滯水?；鶐r裂隙水賦存于場(chǎng)地內(nèi)的下侏羅統(tǒng)南大嶺組(J1n)板巖裂隙中，但該類(lèi)型地下水埋深大，勘查期間勘探深度內(nèi)未揭露。

1.5 工程特性

該邊坡坡腳經(jīng)人工開(kāi)挖形成高度20 m、水平長(zhǎng)度50～60 m、坡角50°～60°的開(kāi)挖面，開(kāi)挖面傾向與巖層傾向基本相同。開(kāi)挖面高度大且陡，使坡體中巖石層面暴露于開(kāi)挖面內(nèi)，為以后邊坡的滑塌破壞埋下了隱患。

2 數(shù)值模擬及分析

2.1 計(jì)算模型和計(jì)算參數(shù)

采用UDEC軟件對(duì)模型邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬。模型前部為斜坡坡腳平整場(chǎng)地，后部為斜坡坡頂，數(shù)值邊坡幾何尺寸為邊坡原型尺寸(其斜坡坡角概化為40°，臨空面概化為58°)；巖土體力學(xué)參數(shù)相應(yīng)采用原型邊坡中參數(shù)，本構(gòu)模型則采用“摩爾-庫(kù)倫”屈服條件和“Coulomb Slip”接觸面模型，數(shù)值邊坡底部和左右方向均設(shè)置約束。數(shù)值邊坡模型及其位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖3。模型邊坡結(jié)構(gòu)面分為層面和節(jié)理面，節(jié)理概化為2 m等間距分布，且與層面互相垂直。監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距設(shè)為5 m，共設(shè)置9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分為三層等間距設(shè)置。模型邊坡結(jié)構(gòu)面及其布置的計(jì)算網(wǎng)格見(jiàn)圖4。

圖3 數(shù)值邊坡模型及其位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

圖4 數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格劃分

本文采用的邊坡地形數(shù)據(jù)及材料參數(shù)均取自野外調(diào)查測(cè)量和室內(nèi)試驗(yàn)，巖體材料參數(shù)見(jiàn)表1。

2.2 邊坡位移分析

坡體監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移時(shí)程曲線(圖5)顯示坡體位移具有兩個(gè)特點(diǎn)：同一層面的3個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)具有P1>P2>P3、P4>P5>P6、P7>P8>P9的規(guī)律，說(shuō)明坡體位移變形具有從表層向深層遞減的特征。

模型位移過(guò)程顯示坡腳處首先出現(xiàn)蠕變變形，蠕變區(qū)域逐漸向整個(gè)坡面擴(kuò)展，同時(shí)向坡體后部和坡體深部發(fā)展。蠕變變形導(dǎo)致坡體巖石塊體的松動(dòng)及應(yīng)力松弛，最終誘發(fā)坡體的“滑移-拉裂”式破壞。無(wú)論是坡體的蠕變變形還是滑動(dòng)位移，其變形位移均具有“前部大，后部小，表層大，深部小”的特征。

表1 巖體和結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)

圖5 各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移時(shí)程曲線Fig.5 Horizontal displacement time curve diagram of the monitoring points

2.3 邊坡應(yīng)力分析

為適應(yīng)坡體的位移變形，坡體內(nèi)部最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力等發(fā)生調(diào)整以達(dá)到新的平衡。坡體最大主應(yīng)力云圖(圖6a)顯示，斜坡體淺表層處于與層面平行的受壓狀態(tài)。坡體的最小主應(yīng)力云圖(圖6b)顯示，斜坡體淺表層處于與坡面垂直的受壓狀態(tài)。這樣，斜坡的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)表現(xiàn)為坡體淺表層沿著與坡面平行的方向蠕變甚至滑移。

圖7為邊坡由初始平衡狀態(tài)(圖7a)及最后穩(wěn)定時(shí)(圖7b)的剪應(yīng)力分布云圖。由于坡體內(nèi)部應(yīng)力尚未調(diào)整完成，坡體內(nèi)剪應(yīng)力分布不均勻。坡腳附近出現(xiàn)剪應(yīng)力集中現(xiàn)象，剪應(yīng)力大小為0.10 MPa～0.15 MPa，表明坡腳處巖體對(duì)上部滑體的滑動(dòng)起到抗滑作用?；w內(nèi)剪應(yīng)力分布具有一定規(guī)律，坡體前部的剪應(yīng)力顯著大于坡體后部的剪應(yīng)力，臨空面內(nèi)剪應(yīng)力大小為0.05 MPa～0.15 MPa(負(fù)值)，而滑體后部的剪應(yīng)力大小為0.05 MPa～0.10 MPa(正值)，造成邊坡變形由坡體前部向后部逐漸發(fā)展。坡體下部和滑體內(nèi)部的剪應(yīng)力分布比較均勻，坡腳附近的剪應(yīng)力集中條帶沿臨空面底部巖層發(fā)展至坡體上部，強(qiáng)弱風(fēng)化接觸面附近剪應(yīng)力可達(dá)0.30 Mpa。此現(xiàn)象表明，坡體將會(huì)有上部滑體沿著強(qiáng)弱風(fēng)化接觸面向臨空面變形破壞的趨勢(shì)。

2.4 破壞運(yùn)動(dòng)過(guò)程

采用UDEC中的剛體模型，模擬坡體由初始小變形到大規(guī)?；频恼麄€(gè)破壞過(guò)程，UDEC能夠模擬坡體滑動(dòng)過(guò)程中塊體的平移、轉(zhuǎn)動(dòng)和拋起等運(yùn)動(dòng)形式，較真實(shí)地還原坡體的滑動(dòng)破壞過(guò)程。模擬之前，為了能夠更好地觀察坡體的漸進(jìn)破壞過(guò)程，巖石塊體只設(shè)置密度參數(shù)，數(shù)值與原始邊坡數(shù)值相同(2700 kg/m3)，節(jié)理面和層面設(shè)置參照室內(nèi)物理模型邊坡實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)面參數(shù)(表1)。

圖6 坡體最大主應(yīng)力云圖(a)與最小主應(yīng)力云圖(b)

圖7 初始階段(a)與最終穩(wěn)定階段(b)坡體剪應(yīng)力云圖

圖8 邊坡破壞運(yùn)動(dòng)過(guò)程

滑動(dòng)破壞過(guò)程中坡體表現(xiàn)出漸進(jìn)式破壞的特點(diǎn)，坡體由坡腳向坡頂逐步滑移并解體為散體狀(圖8)。邊坡臨空面內(nèi)的坡體首先沿層面向坡前持續(xù)蠕滑變形，在坡體一定位置形成拉張裂縫。隨著前部坡體的位移，裂縫進(jìn)一步向坡體深部發(fā)展，最終裂縫前的坡體沿層面滑動(dòng)破壞。

3 結(jié)論及建議

通過(guò)用UDEC軟件對(duì)模型邊坡數(shù)值模擬，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1) 順層產(chǎn)狀巖質(zhì)邊坡的破壞模式為“滑移-拉裂”式破壞。在滑動(dòng)破壞過(guò)程中表現(xiàn)出漸進(jìn)式破壞的特點(diǎn)，巖體沿節(jié)理面斷裂而解體。邊坡表層靠近臨空面內(nèi)的坡體首先向坡前蠕變變形，并向坡體內(nèi)部擴(kuò)展，造成坡體一定位置形成拉張裂縫和應(yīng)力集中。

2) 坡體滑動(dòng)面為單一巖層面，層面強(qiáng)度起到控制滑移面形態(tài)的作用，對(duì)坡體穩(wěn)定性亦起到?jīng)Q定作用。

3) 坡體的位移具有“前部大、后部小、表層大、深層小”的特點(diǎn)，間接反映了坡體破壞的模式，坡體前部首先變形，繼而向坡體后部和深層擴(kuò)展，最終發(fā)生滑動(dòng)破壞。

由于研究區(qū)附近居民眾多，考慮到居民生活環(huán)境舒適度，建議在該順層巖質(zhì)邊坡的防治過(guò)程中，除了必要的穩(wěn)定性防治措施(如修建擋墻、錨桿+主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)、截排水溝等)外，應(yīng)進(jìn)行防治區(qū)域的綠化工作(如撒播草籽、移植灌木等)，同時(shí)盡量避免和減少噪聲以及工程震動(dòng)對(duì)居民造成危害。