劉偉杰 殷柯 陳海洋

[摘? 要]：大院子崩坡積體位于黔石高速公路里程K72+600～K72+980 m處，高程約550 m的低山河谷地區(qū)，區(qū)域內(nèi)修建干溪溝大橋。崩坡積體分布范圍廣，厚度大，上部為松散的碎、塊石土，下部為碎裂的巖土體，對施工建設(shè)與工程建筑有一定的影響，文章利用Midas GTS建立大院子崩坡積體的三維模型，通過對土體強度參數(shù)內(nèi)摩擦角的遞減、粘聚力的遞減、兩者同時遞減觀察崩坡積體的失穩(wěn)形態(tài)。并從三維模型中選取兩處斷面，建立二維模型，對比在二維模型與三維模型中，兩處斷面在遞減強度參數(shù)時的變化異同，給類似工程問題建立模型提供參考。并在分析其穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，提出相應(yīng)的治理措施。

[關(guān)鍵詞]：崩坡積體; 三維模型; 二維模型; 穩(wěn)定性分析;

P642.21A

不穩(wěn)定巖土體在自重、地震力、降雨等因素的影響下所發(fā)生的崩塌、滑落是工程中常見的地質(zhì)災(zāi)害。因地層巖性、物質(zhì)組成等的不同，崩塌的成因不同。大型崩塌后在坡腳或地勢較低處所堆積形成的崩坡積體也是需要考慮的地質(zhì)災(zāi)害，其穩(wěn)定性、變形、失穩(wěn)依據(jù)等需要進(jìn)行定量分析[1-4]。很多學(xué)者分析崩坡積體的理論、方法、軟件做了相關(guān)研究。謝山立等[5]研究了堆積體破壞的隨機(jī)模型;鄭穎人等[6]探討了有限元強度折減法在邊坡中的應(yīng)用;王寶軍等[7]研究了三維地質(zhì)的建模方法;尹小濤等[8]研究了強度變化對崩坡積體的影響，認(rèn)為黏聚力對巖土體保持直立有決定性影響，內(nèi)摩擦角對堆積體穩(wěn)定坡角有控制作用，并且強度參數(shù)的改變會導(dǎo)致破壞模式的改變;張玉、劉成、王小鋒等[9-11]對某大型堆積體進(jìn)行了三維穩(wěn)定性分析。但少有對曲面三維模型以及二維模型進(jìn)行對比分析，本文以大院子崩坡積體為例，對比在二維和三維模型下的計算結(jié)果，探討結(jié)果異同的原因，并給出相應(yīng)治理措施。

1 大院子崩坡積體特征

1.1 概述

大院子崩坡積體位于重慶市黔江區(qū)石會鎮(zhèn)，該區(qū)域為高程約550 m的低山河谷地貌。崩坡積體厚度大，分布范圍廣，上層一般為松散的碎、塊石土夾粉質(zhì)黏土，中下部主要以崩塌形成的碎裂巖塊體組成。巖層面傾角在0°～60°都有出現(xiàn)。上覆碎裂巖塊體與下伏基巖之間有明顯分土層與基巖分界面。大院子崩坡積體的衛(wèi)星地圖如圖1所示。

1.2 自然及工程地質(zhì)條件

（1）地形地貌：崩坡積體所在位置屬于構(gòu)造剝蝕深切中低山溝谷地貌。工程區(qū)溝底地面高程約520 m，兩側(cè)山體頂部高程約600 m，黔石高速公路主路線北西側(cè)為坡度較緩的梯田，坡度15°～18°，南東側(cè)為旱地和林地，溝邊一側(cè)自然邊坡坡度較陡，為50°～65°，坡面出露多為碎塊石土。

（2）地層巖性與地質(zhì)構(gòu)造：第四系崩坡積土層分布于干溪溝東西兩側(cè)山體一帶，分布面積大，崩坡積層上部為松散碎、塊石土夾粉質(zhì)黏土為主，灰黃色、灰色，碎、塊石主要為粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、頁巖等組成，中下部主要以崩塌形成的碎裂巖塊體組成。碎裂的巖塊體呈較破碎—破碎狀，中層傾角變化大，0°～60°，一般傾角在35°～50°。與底部大面積出露的穩(wěn)定區(qū)域巖層有較大差別。該區(qū)大地構(gòu)造位于揚子淮地臺重慶臺坳重慶陷褶束與上揚子臺坳渝東南陷褶束，重慶陷褶束與渝東南陷褶束以七曜山基底斷裂為界。巖層產(chǎn)狀115°～130°∠3°～5°，巖體發(fā)育有兩組裂隙。

（3）地震：地震區(qū)域地震動峰值加速度為0.05g，地震基本烈度為VI度，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。

（4）水文地質(zhì)：該區(qū)域下坡處地下水貧乏，干溪溝常年洪水位529.697 m。地下水主要是第四系孔隙水和基巖裂隙水，第四系孔隙水主要受大氣降雨補給，徑流途徑短，長度土體厚度大，分布連續(xù)，為透水性好的的碎塊石、砂土等。中風(fēng)化裂隙不發(fā)育，巖體較完整，頁巖為相對隔水層，地下水水量小。強風(fēng)化帶裂隙較發(fā)育，存在少量地下水，主要為大氣降雨補給。綜上，該區(qū)域第四系孔隙水潛水地下水發(fā)育，無基巖風(fēng)化帶裂隙地下水。

1.3 結(jié)構(gòu)特征

該區(qū)域工程地質(zhì)橫斷面如圖2所示，上層覆蓋第四系崩坡積層，第二層為強風(fēng)化基巖，平均厚度近3 m，崩坡積層和強風(fēng)化帶巖石力學(xué)性質(zhì)差、完整性差、承載力低。最下層為中風(fēng)化基巖，主要成分是頁巖，巖性完整、厚度大、承載力高。

2 崩坡積體穩(wěn)定性分析

2.1 三維模型建立

黔石高速公路在大院子崩坡積體處以干溪溝大橋的形式通過，利用Midas GTS軟件建立干溪溝大橋橋區(qū)周圍的崩坡積體三維模型，模型地形面、巖土分界面、強中風(fēng)化基巖分界面均采用曲面，更加真實模擬實際地形的起伏變化。三維模型如圖3所示。模型長338 m，寬199 m，共有約110 000個節(jié)點、90 000個單元、260 000個方程。主要分析內(nèi)摩擦角的遞減對崩坡積體穩(wěn)定性的影響，觀察崩坡積體的失穩(wěn)形態(tài)，確定失穩(wěn)時的強度參數(shù)。

2.2 二維模型建立

選取在三維模型計算結(jié)果中位移較大的2個斷面，建立二維模型，用同樣的方法進(jìn)行計算，與三維模型計算結(jié)果進(jìn)行對比。A、B斷面的模型如圖4、圖5所示。

2.3 參數(shù)設(shè)置

崩坡積體的穩(wěn)定性主要取決于粘聚力和內(nèi)摩擦角，這2個強度參數(shù)的確定需要考慮巖土體的特性、各類巖土體的組成成分、含量等因素。崩坡積層、強風(fēng)化巖層、中風(fēng)化巖層始強度參數(shù)如表1所示。

因主要研究崩坡積層在不同強度參數(shù)下的形態(tài)與穩(wěn)定性，因此設(shè)立了3個計算方案，計算方案1對崩坡積層的粘聚力進(jìn)行折減，共設(shè)立18個工況，對工況1進(jìn)行位移清零，從工況2開始遞減粘聚力值，每次遞減0.25 kN·m-2;計算方案2對崩坡積層的內(nèi)摩擦角進(jìn)行折減，共設(shè)立18個工況，從工況2開始遞減內(nèi)摩擦角，每次遞減1°計算方案3對兩者同時遞減，每次遞減內(nèi)摩擦角1°，遞減粘聚力0.25 kN/m2，三維模型和二維模型都按此3種方案設(shè)立，強度參數(shù)和不同工況。強風(fēng)化巖層和中風(fēng)化巖層的強度參數(shù)在各計算方案和工況下保持初始強度參數(shù)值不變。計算方案見表2。

2.4 結(jié)果分析

2.4.1 計算方案1結(jié)果分析

位移方面，A斷面、B斷面最大合位移值與粘聚力的關(guān)系如圖6所示。

模型位移值隨粘聚力的遞減而增長，大致呈現(xiàn)線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，且當(dāng)崩坡積層的粘聚力降到5.5 kN/m2時，三維模型中的最大合位移值不足0.02 m，說明當(dāng)崩坡積層的內(nèi)摩擦角維持一定值時，粘聚力對其位移的發(fā)展以及穩(wěn)定性的影響不大。二維模型的位移值小于三維模型斷面的位移值，說明二維模型的計算結(jié)果偏安全。

2.4.2 計算方案2結(jié)果分析

位移方面，A斷面、B斷面最大合位移值與內(nèi)摩擦角的關(guān)系如圖7所示。

可以看到，三維模型的A、B斷面在內(nèi)摩擦角為36°～27°范圍內(nèi)的位移值變化不大，當(dāng)內(nèi)摩擦角從26°逐漸降低時，合位移最大值急劇上升，崩坡積層的內(nèi)摩擦角在25°時位移都接近2 m，在24°時計算不收斂，達(dá)到失穩(wěn)狀態(tài)，2個斷面的三維模型計算結(jié)果一致，說明在三維模型中，當(dāng)粘聚力為一定值時，內(nèi)摩擦角對崩坡積層的穩(wěn)定性影響較大，但B斷面的二維模型出現(xiàn)了不同的發(fā)展趨勢，A斷面的二維模型在內(nèi)摩擦角降低到18°時仍然處于穩(wěn)定狀態(tài)，位移值不超過0.5 m，B斷面的二維模型在內(nèi)摩擦角在26°時已經(jīng)失穩(wěn)，且在28°時位移值超過了三維模型計算結(jié)果值。出現(xiàn)此結(jié)果的原因可能是B斷面右上方是一個寬約28 m，高約21 m的陡坡，斜坡角度近40°，在二維模型中，只有兩側(cè)和底部施加有位移限制，凸出的堆積體受到重力作用，出現(xiàn)局部失穩(wěn)，在三維模型中，底部與四周都有位移限制，且縱向有連續(xù)土體，有利于力的傳遞，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。將B斷面最右側(cè)進(jìn)行削坡，高度降低10 m，斜坡坡度降為22°重新計算，模型在19個工況下全部收斂，內(nèi)摩擦角為18°時的位移不超過0.003 m，削坡前和削坡后的位移對比如圖8所示。

2.4.3 計算方案3結(jié)果分析

A、B斷面的位移在粘聚力與內(nèi)摩擦角同時遞減時隨粘聚力和內(nèi)摩擦角的變化如圖9、圖10所示。

A、B斷面三維模型和二維模型的變化在強度參數(shù)同時遞減時和只遞減內(nèi)摩擦角時是一致的，說明內(nèi)摩擦角對堆積體位移變形與穩(wěn)定性的影響比粘聚力更大，尤其是在穩(wěn)定坡角方面有控制作用。B斷面二維模型比三維模型更易失穩(wěn)的原因在計算結(jié)果2中作了探討。

3 結(jié)論

（1）隨著巖土體粘聚力的降低，崩坡積層的合位移最大值逐漸增大，粘聚力與崩坡積體的最大位移值大致呈現(xiàn)線性反比關(guān)系，當(dāng)且當(dāng)內(nèi)摩擦角符合要求時，粘聚力的降低對崩坡積層的位移變形與穩(wěn)定性影響不大。

（2）隨著巖土體內(nèi)摩擦角的降低到一定值時，位移會急劇增大，出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。三維模型中內(nèi)摩擦角與崩坡積體的最大位移值大致呈現(xiàn)指數(shù)反比關(guān)系。當(dāng)同時遞減2個強度參數(shù)時，位移的變化曲線與只遞減內(nèi)摩擦角位移的變化曲線一致，說明內(nèi)摩擦角對崩坡積層的位移影響更大。

（3）總體上，三維模型比二維模型的位移計算結(jié)果值更大，二維模型計算結(jié)果偏安全。但在一些特殊斷面，如坡度較陡的斷面，二維模型計算結(jié)果在強度參數(shù)較高時就先于三維模型失穩(wěn)，進(jìn)行治理后，位移值大大降低。因此在以后判斷類似崩坡積體的穩(wěn)定性時，可以用三維模型進(jìn)行整體的穩(wěn)定性評價，再對特殊斷面用二維模型計算，可以使結(jié)果更加準(zhǔn)確，有利于充分評價崩坡積層的穩(wěn)定性。

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