杜 偉 趙志根

（安徽理工大學地球與環(huán)境學院，安徽 淮南 232001）

0 引言

在《南譙區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風險調(diào)查（1∶50000）》項目的支持下，本研究對滁州市南譙區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害進行了全面的調(diào)查。在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，切坡開挖、坡腳建房的現(xiàn)象比較普遍，易引發(fā)崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。對不同切坡高度、不同坡度的斜坡穩(wěn)定性規(guī)律進行研究，有助于對南譙區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害規(guī)律的認識，同時對周邊縣區(qū)的斜坡也具有參考意義和借鑒價值。

目前，國內(nèi)學者為探究切坡建房對斜坡穩(wěn)定性的影響做了大量的研究。穆成林等［1］以邊坡巖體類型為基礎(chǔ)，選取了多種定性與定量指標，用未確知測度理論對此進行定性評價，建立了基于多種指標的新評價體系。杜顯祥等［2］利用有限元極限平衡法建立二維模型，模擬計算斜坡開挖后的應(yīng)力、應(yīng)變和安全系數(shù)變化規(guī)律，最后推算出開挖臨界值。鄔險峰等［3］以重慶市某臨江坡地建筑基坑及巖質(zhì)高切坡支護工程為例，對比巖體等效內(nèi)摩擦角公式、外傾結(jié)構(gòu)面抗剪強度公式和強度折減法計算邊坡側(cè)向巖石壓力的結(jié)果，并對邊坡開挖進行數(shù)值模擬分析。本研究主要是以安徽省滁州市南譙區(qū)為研究區(qū)域，分析該地區(qū)地災(zāi)隱患點的孕災(zāi)特征，將南譙區(qū)的斜坡概化為6 類不同坡度的斜坡三維模型，借助FLAC3D 5.0 軟件，通過FLAC 法（拉格朗日快速有限差分法）［4-6］與強度折減法［7-9］，模擬斜坡在不同坡度與不同開挖工況下的塑性區(qū)破壞規(guī)律、巖土體位移場變化規(guī)律及安全系數(shù)升降的規(guī)律。

1 地災(zāi)概況與模型建立

1.1 研究區(qū)域地災(zāi)概況

地形地貌是滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害形成的基礎(chǔ)條件，斜坡坡度的差異或坡體開挖進尺的大小都會導致不同規(guī)模的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生［10］。

南譙區(qū)位于滁州市東南部，地處長江北岸，面積為1 177.70 km2，多屬高丘、中丘、淺丘和平原。截至2022年7月，全區(qū)有各類地質(zhì)災(zāi)害（隱患）點14處，其中滑坡6處，崩塌8處。以沙河鎮(zhèn)-珠龍鎮(zhèn)-施集鎮(zhèn)的東部為界，西部（施集鎮(zhèn)、大柳鎮(zhèn)、章廣鎮(zhèn)、沙河鎮(zhèn)）處于中高丘地區(qū)，地勢高低起伏變化大，高陡臨空面普遍發(fā)育，且地質(zhì)構(gòu)造復雜、巖體風化破碎，人口相對集中，其筑路、建房較多，切坡密集，致使該地區(qū)災(zāi)害（隱患）點總數(shù)為12 處，災(zāi)害點密度為1.54處∕100 km2。

1.2 斜坡模型的構(gòu)建

根據(jù)以往對地質(zhì)災(zāi)害點的調(diào)查和本次項目的實地調(diào)研，獲得研究區(qū)斜坡的基本特征，典型的坡腳開挖、切坡建房情況如圖1所示。經(jīng)現(xiàn)場測量，大多數(shù)斜坡坡高約為25 m，切坡高度約為4～5 m，坡度在15°～50°之間，切坡與民房距離上部為2～3 m，底部接近2 m。根據(jù)實地勘測得出的高密度電法反演圖，結(jié)合工程鉆探、背景噪聲成像等資料的相互驗證，獲得本研究區(qū)斜坡的地層和巖性特征，為斜坡的穩(wěn)定性評價奠定基礎(chǔ)。本研究采用粉質(zhì)黏土、強風化巖石、中風化巖石三個巖層進行模擬，地質(zhì)模型剖面如圖2所示。

圖1 典型的坡腳開挖、切坡建房

圖2 地質(zhì)模型剖面（單位：m）

①模型的剖面設(shè)定。以30°斜坡的建模流程為例（如圖2 所示），確定斜坡模型高度為25 m。只通過改變斜坡模型坡腳到坡頂?shù)乃骄嚯x，來達到改變坡度的目的。再通過從左端坡腳水平向右開挖，來實現(xiàn)不同的開挖進尺。

②本構(gòu)模型的確定。采用摩爾-庫倫模型［11］，該模型是邊坡穩(wěn)定性分析、地下開挖工程最常用的本構(gòu)模型。并設(shè)置粉質(zhì)黏土為滑體，強-中風化巖石為基巖。本試驗設(shè)置模型Y 軸方向的厚度為5 m。本數(shù)值模型共計53 406 個節(jié)點，43 520 個網(wǎng)格單元。

③邊界條件設(shè)定。在X軸與Y軸方向上，限制模型的兩端位移，在Z軸上，僅限制底部的位移。

④模型的應(yīng)力平衡。在進行開挖之前，需讓模型達到平衡狀態(tài)。其楊氏模量（E）、泊松比（V）、內(nèi)摩擦角（φ）、黏聚力（c）等參數(shù)可以先取較大值，防止模型在初始加載時就達到塑性狀態(tài)。

⑤數(shù)值計算。在模型平衡后，將模型的材料參數(shù)改為實際值，之后按照2 m、4 m、6 m、8 m、10 m的工況進行開挖，并以此計算其安全系數(shù)。

2 計算結(jié)果

數(shù)值模擬計算所采用的軟件為FLAC3D 5.0，與傳統(tǒng)的數(shù)值模擬軟件相比，F(xiàn)LAC3D 5.0 可以實現(xiàn)用較小的內(nèi)存空間來計算較大范圍的三維地質(zhì)材料流動或是塑性破壞，其內(nèi)置的強度折減法，基本上可以應(yīng)用于任意一種材料的安全系數(shù)的求解［12］。結(jié)合有限差分法與有限元強度折減法，可以在考慮巖土體本構(gòu)模型關(guān)系及變形對應(yīng)力的影響的條件下，模擬斜坡的破壞過程。

基于摩爾-庫倫塑性模型，采用的物理力學參數(shù)見表1。斜坡高度為25 m，6 類斜坡坡度分為15°、20°、25°、30°、35°、40°，6種開挖進尺分別為0 m、2 m、4 m、6 m、8 m、10 m，共計36種工況，見表2。

表1 地質(zhì)模型中材料的力學參數(shù)

表2 6類斜坡不同開挖工況下的安全系數(shù)

3 討論

3.1 安全系數(shù)變化規(guī)律

不同坡度下開挖10 m，發(fā)現(xiàn)在30°坡度下，開挖10 m 后，其安全系數(shù)降幅最大，為22.28%。不同開挖進尺下，坡度從15°增加到40°時，發(fā)現(xiàn)在開挖進尺為4 m 的情況下，其安全系數(shù)降幅最大，為60.18%。

安全系數(shù)隨坡度變化曲線如圖3 所示、安全系數(shù)隨開挖進尺變化曲線如圖4所示。圖3的曲線相對陡峭，圖4 的曲線相對平緩?？芍露葘Π踩禂?shù)的影響大于開挖進尺，此結(jié)果可為后續(xù)研究或穩(wěn)定性評價提供參考。

圖3 安全系數(shù)隨坡度變化曲線

圖4 安全系數(shù)隨開挖進尺變化曲線

3.2 塑性區(qū)變化規(guī)律

6類模型在開挖過程中的塑性區(qū)變化特征都基本相同，選取30°的斜坡模型數(shù)據(jù)進行穩(wěn)定性分析，結(jié)果如圖5 和圖6 所示。“shear-n”表示某區(qū)域正在處于剪切破壞階段（應(yīng)力進入屈服階段）；“shear-p”表示某區(qū)域過去曾發(fā)生過剪切破壞，后來由于應(yīng)力重新分布而退出了屈服狀態(tài)［13］。同理可得，“tension-n”與“tension-p”分別表示某區(qū)域正在發(fā)生拉張破壞和過去曾發(fā)生過拉張破壞。

圖6 30°斜坡10 m開挖工況下塑性區(qū)分布

在未開挖的初始狀態(tài)下，坡腳總體上正在發(fā)生剪切破壞，坡頂正發(fā)生張拉破壞，整個滑坡體下部的塑性區(qū)從坡腳一直蔓延到坡頂，形成連貫的一層剪切破壞滑動面?；瑒用尕灤┱麄€斜坡，將會嚴重影響斜坡的穩(wěn)定性。

隨著開挖的深入，坡腳的臨空面逐漸后移且升高。開挖到2 m 時，以滑動面為分界線，臨空面上部附近開始發(fā)生張拉破壞，下部剪切破壞區(qū)域貫穿整個張拉破壞區(qū)域。開挖到10 m 時，坡頂張拉破壞區(qū)域幾乎消失，張拉破壞區(qū)集中臨空面附近，剪切破壞區(qū)平行于滑動面且分布于不同巖層的接觸面；即臨空面內(nèi)部不同巖層沿著滑動面剪切滑移，同時同一巖土層又正發(fā)生張拉破壞。相比之下，塑性流動區(qū)域集中在臨空面處，坡頂反而相對穩(wěn)定。

3.3 位移場變化規(guī)律

6類模型在開挖過程中的位移場變化特征都基本相同，以30°斜坡模型為例進行分析。

①在Z軸方向上：如圖7 和圖8 所示，未開挖前，斜坡滑動面上方的巖土體在自身重力的作用下發(fā)生沉降，坡頂處沉降量最大，為2.30 cm，但坡腳土體由于擠壓而略有上升。隨著開挖的進行，坡頂?shù)某两盗坎粩鄿p小，斜坡中部的沉降量不斷增大。開挖到6 m 時，最大沉降量集中到坡腳開挖臨空面處，為4.55 cm；開挖至8 m、10 m時，亦是如此。

圖7 30°斜坡0 m開挖工況下臨空面Z軸位移（單位：m）

圖8 30°斜坡10 m開挖工況下臨空面Z軸位移（單位：m）

②在X軸方向上：如圖9 和圖10 所示，未開挖前，巖土體在自身重力作用下，最大水平位移位于坡面中部，為2.84 cm。隨著開挖進尺的不斷增加，最大水平位移逐漸由坡體中部轉(zhuǎn)移集中到臨空面處，為8.67cm。分析其原因是，經(jīng)開挖后，坡腳處上覆巖土體形成約90°的臨空面，以滑動面為交界線，交界線上部為粉質(zhì)黏土層，下部為較堅硬的基巖層，粉質(zhì)黏土層更容易產(chǎn)生較大的彎曲變形。實際的開挖工作會對臨空面產(chǎn)生一定的水平慣性力，這將加速臨空面下部巖層的傾倒和斷裂，為上覆粉質(zhì)黏土層提供破壞變形的空間。

圖9 30°斜坡0 m開挖工況下臨空面X軸位移（單位：m）

圖10 30°斜坡10 m開挖工況下臨空面X軸位移（單位：m）

4 結(jié)論

本研究利用FLAC3D 模擬斜坡坡腳開挖，通過對滁州南譙區(qū)斜坡坡腳開挖模型的數(shù)值模擬分析，揭示了不同坡度下坡腳開挖進尺與安全系數(shù)的函數(shù)關(guān)系，以及位移場、塑性區(qū)變化規(guī)律，得出以下結(jié)論。

①坡度對安全系數(shù)的影響大于坡腳開挖，在工程建設(shè)中，要提高對高陡邊坡安全性的重視。尤其是在與本研究類似地質(zhì)條件下，要注意坡度變?yōu)?0°或開挖進尺為4 m時的斜坡穩(wěn)定性。

②初始狀態(tài)下的斜坡在自身重力的加持下，坡腳易發(fā)生剪切破壞，坡頂易發(fā)生張拉破壞。從初始狀態(tài)開挖到10 m，坡頂?shù)膹埨茐乃苄粤鲃訁^(qū)域消失，坡頂?shù)氖Х€(wěn)概率小于臨空面。臨空面的剪切破壞區(qū)域逐漸轉(zhuǎn)移到滑移面附近，最終臨空面內(nèi)部不同巖層沿著滑動面剪切滑移，同時同一巖土層又正發(fā)生張拉破壞。

③在初始狀態(tài)下，最大水平位移發(fā)生在坡體中部，之后隨著開挖進尺的增加，發(fā)生在臨空面的上部。最大沉降量在初始時，發(fā)生在坡頂，之后隨著開挖的進行，也發(fā)生在臨空面上部。