基于udec的某顺层岩质边坡稳定性分析

基于udec的某顺层岩质边坡稳定性分析

1离散元法的特点分散元离散模型方法由curon首次提出。该方法在数值模拟理论和工程应用等方面取得了巨大进展。二维与三维可变形离散单元法亦已问世,并在岩石工程与岩石力学中得到了日益广泛的应用。由Cundall和他的合作者开发的UDEC是目前世界上最通用的离散元程序之一。从20世纪90年代开始,国内多家高校和科研单位引进了UDEC程序并应用于岩土工程的分析计算,在分析计算过程中积累了丰富的经验。运用离散元进行岸坡的稳定性分析,不管是对地震下高边坡的稳定性进行分析,还是对桥墩荷载下岸坡的稳定性进行评价,确定边坡的临界状态都是极为关键的。由于离散元是用时步来进行块体的应力应变计算,这就使得判断边坡的稳定临界状态很困难。一种观点认为,如果在模拟过程中出现单元的位移或转动,则判断为失稳;另一种观点认为,利用离散元模拟边坡存在很大问题,如果模拟的次数足够多,即使稳定的边坡也会破坏。离散元法是把节理岩体视为由离散的岩块和岩块的节理面所组成,它允许岩块平移、转动和变形,而节理面可被压缩、分离或滑动。因此其内部可存在大位移、旋转和滑动乃至块体的分离。故当出现单元的位移或转动,则判断边坡为失稳状态不甚妥当。在离散单元法中,一般将所研究的岩体假定为离散块体的集合体,而节理、裂隙和断层等结构面被当作是这些离散体之间相互合作的接触面。块体之间相互作用的力可以根据力和位移的关系求出,而单个块体的运动则完全根据该块体所受的不平衡力和不平衡力矩的大小,按牛顿运动定律确定。对于离散单元法而言,由于介质一开始就假定为离散块体的结合,故块体与块体之间没有变形协调的约束,但平衡方程仍需满足。从中可以看出离散元在计算时是力的分配以及消散过程,在每个时步的计算中,应力在释放,不平衡力在分配。由于岸坡受到边界条件的约束以及周围块体的反作用力,从而限制了位移无限制的发展和变化。并且块体间的节理面有抗滑力的存在,因此如果节理面的强度赋值正确的话,不可能出现块体的无限制运动。作者认为上述观点存在一定的局限性,应结合离散元的本身特点进行分析。为进一步确定离散元的收敛准则,本文将以一实际工程为例进行探讨。2离散元临界状态以金沙江大桥桥址在桥梁荷载下的稳定性分析为例,滇西北地处青藏高原东南缘与云贵高原的过渡地带,受青藏高原强烈隆起的影响,地壳变形十分强烈、地震活动频繁。铁路工程建设在很大程度上受到新构造运动、活动断裂及内外动力联合作用所产生的各类地质灾害的制约。故本例考虑到软弱夹层以及断层对高边坡的影响,以加载状况下高边坡的稳定进行数值分析,初步探讨离散元临界状态的判定准则。再通过岸坡的模型试验进行比对印证,确定模拟结果的有效性。2.1岩相特征岩体物理力学参数主桥墩处高程1950m左右,桥面高程为2050m。岸坡的数值模型采用1600m至2200m范围的平面截图模型,桥位断面模型建立如图1。图中,F1为那田增断层、F2为中落鱼断层、F3为阿昌过1#断层;〈1〉为片理化玄武岩夹砂质板岩、〈2〉为板岩、〈3〉为断层角砾岩、〈4〉为碎石土(岩体物理力学参数见表1);J1节理产状:N30°E/70°,J2节理产状:N70°W/63°,片理1产状:N20°W/34°,J3节理产状:N84°E/67°,J4节理产状:N53°E/24°,片理2产状:N37°W/55°。由于离散元模拟的是岩体结构,因此除去右岸表层的碎石土,岸坡块体模型见图2,具体参数见表1。42软弱结构2.2稳定边坡的加固加载后的边坡稳定性评价一般采用剩余推力法,此方法可以预估滑坡预施加的抗滑力,对于稳定边坡也可以算出稳定系数。用离散元不仅可以知道边坡失稳与否,而且可以非常形象地看出边坡的破坏形态以及滑动面的类型,对采用何种加固措施有很强的指导意义。考虑到加载情况下顺层边坡以及离散元的特点,本文提出了以下方法来判断边坡的临界状态。2.2.1关于边坡稳定状态的描述不管是加载下的边坡还是自然边坡,在离散元的计算过程中都有一个内力消散的过程,也就是不平衡力的传递与分配过程。即离散元计算边坡的过程可以理解为边坡的一个自然沉降的过程。当重力、外荷载分配给边坡岩体均匀后,形成一个稳定的力场,笔者认为此时的边坡就可以认为是边坡的稳定状态,也是离散元计算边坡稳定的初始时步。如果边坡的最大不平衡力一直有波动,当其达到不平衡力的低谷时由于一个微小的扰动使得不平衡力随着时步的增加,越积越大,块体的速度也从趋近零的水平线陡然增加,块体的位移因此也产生了变动,此种现象在岸坡的临界状态下尤为明显。故判断边坡稳定的依据应该为岸坡的最大不平衡力趋于零(最大不平衡力与代表性内力值降低到1%或0.1%,可被认为是平衡状态的可接受值),此为边坡稳定的充分条件。从图3中可以看出自然状况下40000次的模拟不平衡力为零,边坡模拟次数达到临界值。加载情况下85000次模拟不平衡力不为零,在100000次时不平衡力就变得很大,岸坡处在不稳定状态中。2.2.2速度、位移方向对边坡稳定性的影响当一个边坡稳定后其块体的位移是个定值,速度也必然为零,如边坡不稳定其关键点的速度非零,位移也在变化中。故可根据关键点的位移时程曲线与速度时程曲线趋势来验证边坡的稳定。但是边坡的失稳可能有很多因素造成,蠕滑阶段的边坡虽然位移稳定,速度几乎为零,但其边坡仍然是不稳定的,在不平衡力的作用下,滑坡位移可能出现突变的情况。故笔者认为,关键点的速度时程曲线趋于零,位移时程曲线趋于一定值,为边坡稳定的必要条件(见图4)。2.3模拟结果对比此岸坡评价进行了自然状况下及加载后的岸坡模拟过程。自然状况下进行40000次时岸坡的不平衡力已经为零,关键点的速度曲线为零,故认为此时的岸坡已经完成自然沉降,岸坡为稳定状态,和现场观测情况一致。加载状况下的岸坡进行了100000次的迭代,在85000次时岸坡的关键点位移,速度曲线为零,但不平衡力不为零,因此不能认为此时的岸坡模拟已达到稳定状态,还应继续进行迭代才能使结果不失真。当达到100000次时,从块体图中可以看出在岸坡沿着古滑坡的滑面有了明显的滑动,中间的断层破碎带有了明显的错动,关键点的速度曲线不为零,位移曲线呈上升趋势,此时的岸坡可以认为已经破坏。因此可以看出,由于边坡滑动是一个力与位移相互作用的结果,在判断边坡滑动破坏时,应从位移、不平衡力以及块体的变形三个方面来分析。2.4模型相似关系底摩擦法是以摩擦力在摩擦方向上的分布与重力场相似的性质,利用模型和底面之间的摩擦力来模拟模型体积力(重力)。其原理如下:将研究对象的剖面制成模型平放在可以持续移动的底板上并使原剖面的深度方向与底板移动方向一致,随着底板持续移动,模型也随之移动,在底板移动方向有一固定框架,当模型受到这一固定框架阻挡时,在模型与底板接触面上每一点就形成摩擦阻力F式中,P为作用于模型法向单位面积上的压力;γ为模型材料的重度;t为模型的厚度;μ为模型与接触面滑动摩擦系数。根据圣维南原理,当模型足够薄时,认为摩擦力均匀作用在整个厚度上,可以相当于原型物体在天然状态下受到的重力作用。此外,模型试验需要在几何条件、受力条件和摩擦系数等方面满足相似原理。本次试验相似关系如下:几何相似比CL=500,重度相似比Cγ=1,应力相似比Cσ=CγCL2=25000。这种方法的特点是试验可根据情况随时暂停下来,以便观测试验过程的各个细节,这也是其他许多方法所不能办到的(图5,图6)。此模型是按500∶1制作的,加载条件下金沙江大桥右岸桥墩下方的错落体出现整体向河谷方向滑移,滑移距离达到1cm,实际距离为5m,岸坡处于失稳状态。如果对其进行预加固或者桥墩基础位置适当后移,变形情况或岩体稳定状态将有明显改善。3模拟结果与模拟结果的比较1)根据金沙江桥址区的地质条件及滑坡体的结构特征,经过离散元模拟,此边坡自然状况下是稳定的,建桥后,在桥墩压力的作用下,会激活古滑坡,滑坡为典型的滑移型滑坡。2)模型试验的结果与UDEC模拟的结果非常吻合,证明了UDEC模拟岸坡变形是完全可行的,这可以为以后的试验节省很大资金与精力。3)块体的不平衡力为零是岸坡稳定的充分条件,关键点的速度曲线趋势为零以及位移曲线趋势平稳为岸坡稳定的必要条件。故关键点(有代表性的点)的速度位移曲线趋势不为零可以作为岸坡失稳的充分条件,结合块体的不平衡力是否为零,可判断岸坡的临界状态,以确定岸坡的稳定性。4)运用离散元不仅可以计算岸坡的稳定性系数,而且可以很直观地给出岸坡的破坏形式以及破坏范围,它是分析边坡变形和破坏形式的有力工具,可给工程上的加固处理措施提供重要依据。1地质模型桥面距河谷高度约300m,取河谷底部向下100m,桥面向上100m,做此边坡的地质模型。由于右岸表层为一定厚度的碎石土,离散元分析的是岩石类块体,故除去表层土。坡角及顶角均按地质剖面图计算。2视倾角金沙江右岸岩体有两组长大贯通节理,一组倾向290°∠79°,另一组倾向30°∠73°,模型断面的走向为158°,在计算断面上的视倾角按73°计算。3断面位置的确定野外考察,岩体层间结合好,无软弱夹层,产状为110°∠43°,模型断面走向为158°。为简化计算,在计算断面的视倾角按39°计算。为计算方便,模型节理间距按10m计算,节理迹线长度按10m计算。(1)下玄武质区、,走向SN至NW向,倾E,倾角40°~60°,属压性断层。金沙江左岸W盘为暗红色与灰绿色互层的薄片、薄板状玄武岩(Tβ);E盘为灰绿色片状、板状、块状玄武岩(Pβ),破碎带不甚明显,为节理密集的压碎玄武岩,宽度小于20m,见有厚约数十厘米的白色滑腻物质中含断层角砾。金沙江右岸W盘为深灰、灰黑色千枚岩夹板岩(T1);E盘为灰绿色片状、板状、块状玄武岩(Pβ),破碎带主要位于片岩中,为方解石脉发育、次生结构面极发育、片理混乱的压碎片岩或糜棱岩,玄武岩一侧挤压呈破碎的块石状。断层破碎带宽度约70~80m。受该断层影响,金沙江右岸千枚岩夹板岩(T1)地层中形成