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渗流条件下含反倾向软弱夹层岩质边坡稳定性分析钱华涛

发表时间：2021/7/27 来源：《基层建设》2021年第14期作者：钱华涛

[导读] 通过建立含反倾向软弱夹层三维边坡模型，分析渗流强度为0.03m3/s、0.05 m3/s、0.07 m3/s、0.1 m3/s时边坡沉降，夹层等效应力、夹层塑性

        重庆交通大学重庆 400074
        摘要：通过建立含反倾向软弱夹层三维边坡模型，分析渗流强度为0.03m3/s、0.05 m3/s、0.07 m3/s、0.1 m3/s时边坡沉降，夹层等效应力、夹层塑性区以及孔隙水压力的特点，确定了渗流作用下该类型边坡潜在危险滑动面，对相关研究具有一定的借鉴意义。
        关键词：软弱夹层、渗流、边坡、反倾向

        引言
        目前，一些国内外学者对此进行了大量的研究，利用MIDAS/GTS研究了岩质边坡在不同降雨条件下土体孔隙水压力的变化规律，得出随着降雨强度的增大，孔隙水压力逐渐的增大，但增大到一定的程度变化不明显，坡面达到饱和状态时降雨对边坡的稳定性影响较大。基于渗流与非饱和抗剪强度理论，提出了一种计算含有软弱夹层粘性土边坡稳定性分析的方法，并进一步利用该方法研究了强降雨条件下粘性土质边坡的渗流特性以及其安全系数的变化规律。研究了基于饱和-非饱和渗流和非饱和抗剪强度理论对是否含有软弱夹层的粘土边坡进行数值模拟，得出经历不同降雨历时后，两种工况下的边坡负孔隙水压力具有明显不同的变化规律，软弱夹层对于降雨条件下粘性边坡稳定性有很大的影响。对于含有软弱夹层的边坡不仅有学者分析了水对于其稳定性的影响，而且也有学者研究了其动力特性。研究了在地震作用下含不同厚度、倾角软弱夹层的反倾向岩质边坡的动力响应，得出随着夹层厚度的增加，其加速度放大系数并不是呈线性减小的规律，激励响应越弱，软弱夹层对地震波的削弱作用就越大的变化规律。基于动力时程原理，建立有限元数值分析模型，分析了含软弱夹层风化岩质边坡在地震波作用下的边坡应力、位移、加速度的变化规律，得出具有实际意义的研究成果。从动荷载作用下边坡内部的岩土体力学参数会发生变化的观点出发，以模型试验为基础，提出动荷载作用下的土体力学优化算法计算公式，并利用flac3d验证了优化算法公式的合理性。
        顺向软弱夹层往往比反向软弱夹层容易发生边坡垮塌、更危险，但在众多的边坡失稳案例中，也有很大一部分是含有反向倾斜软弱夹层的岩质边坡，因此研究不同渗流强度渗流作用下含反向软弱夹层的边坡稳定性具有一定的实际意义。
        1、建立数值模型及求解参数
        1.1数值模型的建立
        边坡模型尺寸为50m×32m×3m（X轴×Z轴×Y轴），下伏地层厚为8m，斜坡线性为折线形更符合实际地形起伏。软弱夹层于x轴负方向夹角为30°，其厚度为3.4m，距离坡顶11m。模型坡高和坡底X轴、Z轴采用固定约束，坡顶采用自由面。模型采用六面体和四面体混合划分网格，共划分为1314个实体单元。
        1.2模型边界条件及基本参数
        本次模拟研究不同渗流强度作用下边坡的稳定性，假设计算渗流强度分别为0.03m3/s、0.05 m3/s、0.07 m3/s、0.1 m3/s。岩体基本参数如表1所示。

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        表1岩体基本参数取值
        岩体类型密度
        （kg/m3）体积模量
        （pa）剪切模量
        （pa）粘聚力
        （N）内摩擦角
        （°）渗透系数抗拉强度
        （N/m2）
        基本岩体 2300 5.2e10 1.3e10 1.5e7 36 8.68e-20 1.2e7
        软弱夹层岩体 2000 4.8e9 1e9 1.2e5 30 3.12e-6 1.3e5

        2模型计算分析
        2.1竖向位移分析
        在渗流作用下边坡的最大沉降位置主要位于软弱夹层部分交界处，最大沉降值分别为：0.42mm、0.69mm、0.96mm、1.37mm，可以发现随着渗流强度的增加，软弱夹层坡脚处的沉降逐渐增大。通过四种降雨强度的竖向位移云图可以发现，随着坡体深度的增加，竖向位移逐渐减小，较大位移主要集中在坡体表面，这也充分地说明了坡体受降雨条件影响发生失稳破坏的预警点位于表层。
        2.2等效应力分析
        通过模拟不同渗流强度下含反向软弱夹层坡体的等效应力，可以发现随着渗流强度增加位于软弱夹层交界面处的等效应力值逐渐变大。岩土体的Mises等效应力表示岩体内部的应力分布情况，可以通过应力等值线来确定岩体最危险的区域。通过此数值模型可以发现等效应力等值线突变位置于软弱夹层于稳定岩体交界处，况且随着渗流强度增加，等效应力的变化幅度也呈非线性增加。通过分析此模型的等效应力变化情况，可以说明该边坡的最危险滑动面位于软弱夹层交界面。
        2.3不同渗流强度下塑性区
        模拟不同降雨渗流强度下含反倾向软弱夹层的岩质边坡，随渗流强度的增加软弱夹层内岩土体的塑性状态有很大的不同，渗流强度的增加，岩土体正处于剪切变形的区域大幅度扩展。不同渗流强度下软弱夹层处于剪切变形的岩土体分别占整个软弱夹层体积30%、35%、52%、89%，从另一种角度分析得出最危险位置位于软弱夹层处，刚好验证了等效应力的模拟结果。
        2.4不同渗流强度下孔隙水压力
        不同渗流强度下边坡孔隙水压力表现出不同的力学性质，通过计算可以发现孔隙水压力在软弱夹层处出现逐渐变化的一个过渡段，在软弱夹层于下伏岩体交界面的孔隙水压力随着渗流强度增加而增加，当渗流强度为0.03 m3/s时，最大孔隙水压力为5.98×106pa，当渗流强度为0.1 m3/s时，最大孔隙水压力为1.93×107pa，渗流强度的改变对于软弱夹层内的孔隙水压力影响较明显。在软弱夹层内，孔隙水压力从上往下呈增加趋势，软弱夹层与上层岩体的交界处孔隙水压力为0。由于软弱夹层的孔隙水压力的影响，可以推断边坡的潜在危险滑动面位于软弱夹层内。
        总结
        通过建立三维有限元含反倾向软弱夹层边坡在不同渗流强度的计算模型，得出随着渗流强度的增加，边坡沉降值、塑性区域、等效应力以及孔隙水压力都会有不同程度的增加；理论上反向夹层对边坡稳定性有利，但渗流影响会削弱含软弱夹层边坡的稳定性，推断边坡潜在危险面位于软弱夹层内。
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