三维软硬互层边坡的破坏模式与稳定性研究

工程科学学报，第39卷，第2期：182-189.2017年2月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.2:182-189,February 2017 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.003;http://journals.ustb.edu.cn 三维软硬互层边坡的破坏模式与稳定性研究 姚文敏)，胡斌四，余海兵12)，李华舟)，和大钊 1)中国地质大学工程学院，武汉4300742)武汉市政工程设计研究院有限责任公司.武汉430015 区通信作者，E-mail:40275083@qq.com 摘要采用FLAC3D强度折减法，研究在岩层倾角、岩层与边坡走向夹角变化时三维软硬互层边坡的稳定性状况，并对其破 坏模式进行辨识与归纳分析.结果表明：边坡破坏模式的判别应综合考虑岩层的倾角大小、岩层走向与边坡走向的夹角大小 及坡面上的剪出条件：当岩层与边坡走向夹角B<90°时，随着岩层倾角α的增大，边坡的破坏模式变化趋势为由蠕滑-压致 拉裂、塑流-拉裂、滑移-拉裂向滑移-弯曲、弯曲-拉裂转变：当B>90°时，边坡的破坏模式趋势为塑流-拉裂、滑移-弯曲、弯 曲-拉裂：边坡稳定性系数随走向夹角的增大先增加后减小，B=90°时最大，且α：越大，稳定性系数峰值越大：顺向时随着岩层 倾角的增大，边坡的破坏模式变化趋势为蠕滑-压致拉裂、滑移-拉裂、滑移-弯曲、弯曲一拉裂，稳定性系数变化先减小后增 大，存在一最不利岩层倾角，其对应的稳定性系数最小：反向坡的破坏模式变化趋势为蠕滑-压致拉裂和弯曲-拉裂，稳定性系 数逐渐增加. 关键词边坡：破坏模式：稳定性系数：强度折减法 分类号TU457 Numerical analysis of the failure modes and stability of 3D slopes with interbreeding of soft and hard rocks YAO Wen-min'),HU Bin),YU Hai-bing2),LI Hua-zhou,HE Da-zhao) 1)Faculty of Engineering.China University of Geosciences,Wuhan 430074,China 2)Wuhan Municipal Engineering Design Research Institute Co.Ltd.,Wuhan 430015,China Corresponding author,E-mail:40275083@qq.com ABSTRACT FLAC3D strength reduction method had been adopted to research on the stability of 3D slopes with interbedding of soft and hard rocks,when the dip angle of stratum and the angle between the strike direction of slope and stratum changed,and the failure modes were identified and analyzed.The results show that:to identify the failure modes of slopes,the angle of the rock stratum,the angle between the strike direction of slope and stratum and the cut off condition on the slope surface should be considered.When B (the intersecting angle between the strike direction of slope and that of strata)<90,with the increase of a (the strata inclination), the failure modes change from creeping-pressure induced ripping,plastic flowing-ripping,sliding-ripping to sliding-bending and bending-ripping;when B>90,the failure modes change from plastic flowing-ripping to sliding-bending,and then become bending- ripping.With the increase of the angle between the strike direction of slope and stratum,the slope stability coefficient increases at first and then decreases,it reaches the maximum when B=90,and the greater the a is,the greater the coefficient peak is.For the dip slope,with the increase of the angle of stratum,the trend of failure modes is:creeping-pressure induced ripping,sliding-ripping, sliding-bending,and bending-ripping.The stability coefficient decreases first and then increases,and there is a most unfavorable an- gle of the stratum,the corresponding stability coefficient is the least.As for the anti-dip slope,the trend of failure modes is creeping- pressure induced ripping and bending-ripping,and the stability coefficient increases gradually. KEY WORDS slopes;failure modes;stability;strength reduction method 收稿日期：2016-05-16

工程科学学报,第 39 卷,第 2 期:182鄄鄄189,2017 年 2 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 39, No. 2: 182鄄鄄189, February 2017 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2017. 02. 003; http: / / journals. ustb. edu. cn 三维软硬互层边坡的破坏模式与稳定性研究 姚文敏1) , 胡 斌1) 苣 , 余海兵1,2) , 李华舟1) , 和大钊1) 1) 中国地质大学工程学院, 武汉 430074 2) 武汉市政工程设计研究院有限责任公司, 武汉 430015 苣 通信作者, E鄄mail:40275083@ qq. com 收稿日期: 2016鄄鄄05鄄鄄16 摘 要 采用 FLAC 3D强度折减法,研究在岩层倾角、岩层与边坡走向夹角变化时三维软硬互层边坡的稳定性状况,并对其破 坏模式进行辨识与归纳分析. 结果表明:边坡破坏模式的判别应综合考虑岩层的倾角大小、岩层走向与边坡走向的夹角大小 及坡面上的剪出条件;当岩层与边坡走向夹角 茁 < 90毅时,随着岩层倾角 琢 的增大,边坡的破坏模式变化趋势为由蠕滑鄄鄄压致 拉裂、塑流鄄鄄拉裂、滑移鄄鄄拉裂向滑移鄄鄄弯曲、弯曲鄄鄄拉裂转变;当 茁 > 90毅时,边坡的破坏模式趋势为塑流鄄鄄拉裂、滑移鄄鄄弯曲、弯 曲鄄鄄拉裂;边坡稳定性系数随走向夹角的增大先增加后减小,茁 = 90毅时最大,且 琢 越大,稳定性系数峰值越大;顺向时随着岩层 倾角的增大,边坡的破坏模式变化趋势为蠕滑鄄鄄压致拉裂、滑移鄄鄄拉裂、滑移鄄鄄弯曲、弯曲鄄鄄拉裂,稳定性系数变化先减小后增 大,存在一最不利岩层倾角,其对应的稳定性系数最小;反向坡的破坏模式变化趋势为蠕滑鄄鄄压致拉裂和弯曲鄄鄄拉裂,稳定性系 数逐渐增加. 关键词 边坡; 破坏模式; 稳定性系数; 强度折减法 分类号 TU457 Numerical analysis of the failure modes and stability of 3D slopes with interbreeding of soft and hard rocks YAO Wen鄄min 1) , HU Bin 1) 苣 , YU Hai鄄bing 1,2) , LI Hua鄄zhou 1) , HE Da鄄zhao 1) 1) Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China 2) Wuhan Municipal Engineering Design & Research Institute Co. Ltd. , Wuhan 430015, China 苣 Corresponding author, E鄄mail: 40275083@ qq. com ABSTRACT FLAC 3D strength reduction method had been adopted to research on the stability of 3D slopes with interbedding of soft and hard rocks, when the dip angle of stratum and the angle between the strike direction of slope and stratum changed, and the failure modes were identified and analyzed. The results show that: to identify the failure modes of slopes, the angle of the rock stratum, the angle between the strike direction of slope and stratum and the cut off condition on the slope surface should be considered. When 茁 (the intersecting angle between the strike direction of slope and that of strata) < 90毅, with the increase of 琢 (the strata inclination), the failure modes change from creeping鄄鄄 pressure induced ripping, plastic flowing鄄鄄 ripping, sliding鄄鄄 ripping to sliding鄄鄄 bending and bending鄄鄄ripping; when 茁 > 90毅, the failure modes change from plastic flowing鄄鄄ripping to sliding鄄鄄 bending, and then become bending鄄鄄 ripping. With the increase of the angle between the strike direction of slope and stratum, the slope stability coefficient increases at first and then decreases, it reaches the maximum when 茁 = 90毅, and the greater the 琢 is, the greater the coefficient peak is. For the dip slope, with the increase of the angle of stratum, the trend of failure modes is: creeping鄄鄄 pressure induced ripping, sliding鄄鄄 ripping, sliding鄄鄄bending, and bending鄄鄄ripping. The stability coefficient decreases first and then increases, and there is a most unfavorable an鄄 gle of the stratum, the corresponding stability coefficient is the least. As for the anti鄄dip slope, the trend of failure modes is creeping鄄鄄 pressure induced ripping and bending鄄鄄ripping, and the stability coefficient increases gradually. KEY WORDS slopes; failure modes; stability; strength reduction method

姚文敏等：三维软硬互层边坡的破坏模式与稳定性研究 ·183· 我国西南地区煤系、红层、变质岩等地层分布广泛 连续介质考虑.边坡模型尺寸取为230m×50m×100 发育有大量软硬互层边坡.软硬互层边坡由于其互层岩 m,坡高50m,计算模型的左边界到坡脚的距离为坡高 层强度等力学性质差异显著的特性，差异风化作用更加 的1.5倍，右边界至坡顶的距离为坡高的2.5倍：边界 明显，较均质边坡更容易发生失稳破坏，如宣汉天台乡滑 条件为底部固定约束，模型四周采用法向约束，上部为 坡、重庆武隆鸡尾山滑坡、青海高原龙穆尔沟红层滑坡等. 自由边界；岩层与边坡走向夹角B范围为0°~180° 目前，已有部分学者对二维软硬互层边坡破坏模 (取0°、10°、30°、50°、70°、90°、100°、120°、140°、160°、 式、破坏机理等展开了研究.Hok等山将岩质边坡的180)，岩层倾角a范围为0°~90°（取0°、10°、20°、 破坏类型划分为4类.张倬元等)提出了5种斜坡变 30°、40°45°、60°、70°、90°)，边坡角度为50°.二维软 形破坏模式.林杭等]基于FLAC3D数值模拟软件，运 硬互层边坡破坏模式的研究结果显示]，在坡脚有软 用强度折减法研究层状边坡在不同岩层倾角对应下边 弱岩层剪出的条件下，当软硬岩层厚度在一定范围内 坡的破坏模式和稳定性情况.胡斌等以西南地区某 变化时，软硬岩厚度的不同组合对边坡破坏模式无显 边坡为例，研究了软硬互层边坡的崩塌机理.宋娅芬 著影响，对于岩层倾角较小的边坡稳定性影响也较小， 等[)采用模型试验方法模拟工程开挖及雨水浸润软化 因此本次研究中设定硬岩岩层厚度为8m,软岩岩层厚 过程作用下缓倾软硬互层边坡的变形破坏模式.宋玉 度为2m,软硬岩层间隔分布.采用有限元软件ANSYS 环6]以鲤鱼塘溢洪道边坡为例，对西南地区软硬互层 建立边坡模型，采用自编的ANSYS-LAC"接口程序 边坡变形破坏模式和稳定性分析进行了研究.Hungr 将模型导入到FLAC”软件中进行计算.考虑到单元 等)在滑坡调查统计的基础上，研究了边坡发生滑移、 数量对于计算效率的影响，首先经过试算，保证网格疏 倾倒等破坏的破坏机制.部分学者[s-]采用数值模拟 密程度满足计算精度要求.所采用的模型如图1 及模型试验等方法就岩层与边坡走向夹角对层状边坡 所示. 稳定性情况的影响做了部分研究.随着计算机技术及 数值模拟技术的发展，现在的边坡稳定性分析越来越 多地采用三维模型进行数值模拟研究，Dawson等[s]基 于强度折减法，研究了边界条件、模型形状对三维边坡 稳定性的影响规律.高永涛等采用离散元软件 3DEC研究了结构面倾角与边坡角变化情况下顺层岩 质边坡稳定性的发展规律，解释了顺层岩质边坡的变 形破坏特征.周元辅等]基于强度折减法对三维边 坡的失稳判据进行了研究，并建议在滑带明确的情况 下采用塑性区贯通率增量突变判据，在滑带未知的情 况下采用位移增量突变判据.Wei等[u]采用FLACD 强度折减法和极限平衡法对三维均质边坡的破坏模式 图1 FLAC3D数值模型示意图（单位：m) 进行了对比分析，结果显示两种计算方法的结果相吻 Fig.1 Numerical model in FLAC3D (unit:m) 合，研究表明含软弱夹层边坡夹层部位局部网格的划 分对边坡的失稳规律有很大的影响.刘红帅等)基 稳定性系数是评价边坡稳定性的重要指标，在模 于ABAOUS软件，采用有限元强度折减法研究了边界 型的计算过程中，坡顶临空面小规模软弱夹层是边坡 约束效应对于边坡稳定性的影响.以上诸多学者的研 稳定性最差的部分（如图1中a所示），软件的计算会 究极大地促进了强度折减法及边坡破坏模式方面的研 将该部分的稳定性系数作为整体边坡的稳定性系数， 究进展，但由于三维条件下软硬互层边坡的复杂性，对 但这显然是不合理的].因此，为了减小其对边坡整 于多因素影响下尤其是岩层与边坡走向夹角变化情况 体边坡稳定性系数的影响，在建模的过程中将坡顶小 下软硬互层边坡的变形破坏模式尚缺乏系统的研究. 规模软岩材料也赋值为硬岩从而使边坡的稳定性系数 本文拟采用FLAC”强度折减法，研究在岩层倾 更接近于真实值. 角、岩层与边坡走向夹角变化时三维软硬互层边坡的 本文是在边坡模型尺寸、边坡角度、软硬岩厚度固 变形破坏模式和稳定性状况. 定的条件下，调整岩层倾角及岩层与边坡走向夹角来 研究岩层倾角、岩层与边坡走向夹角变化时三维软硬 1数值模拟方法 互层边坡的稳定性状况，当各项条件改变时，边坡的破 1.1数值模型的建立 坏模式及稳定性系数变化趋势有所不同.在调整岩层 数值模型中，硬岩和软岩均采用实体单元模拟，按 倾角时，以边坡模型左下角点（即坐标原点）为圆心旋

姚文敏等: 三维软硬互层边坡的破坏模式与稳定性研究 我国西南地区煤系、红层、变质岩等地层分布广泛, 发育有大量软硬互层边坡. 软硬互层边坡由于其互层岩 层强度等力学性质差异显著的特性,差异风化作用更加 明显,较均质边坡更容易发生失稳破坏,如宣汉天台乡滑 坡、重庆武隆鸡尾山滑坡、青海高原龙穆尔沟红层滑坡等. 目前,已有部分学者对二维软硬互层边坡破坏模 式、破坏机理等展开了研究. Hoek 等[1] 将岩质边坡的 破坏类型划分为 4 类. 张倬元等[2]提出了 5 种斜坡变 形破坏模式. 林杭等[3] 基于 FLAC 3D数值模拟软件,运 用强度折减法研究层状边坡在不同岩层倾角对应下边 坡的破坏模式和稳定性情况. 胡斌等[4]以西南地区某 边坡为例,研究了软硬互层边坡的崩塌机理. 宋娅芬 等[5]采用模型试验方法模拟工程开挖及雨水浸润软化 过程作用下缓倾软硬互层边坡的变形破坏模式. 宋玉 环[6]以鲤鱼塘溢洪道边坡为例,对西南地区软硬互层 边坡变形破坏模式和稳定性分析进行了研究. Hungr 等[7]在滑坡调查统计的基础上,研究了边坡发生滑移、 倾倒等破坏的破坏机制. 部分学者[8鄄鄄12] 采用数值模拟 及模型试验等方法就岩层与边坡走向夹角对层状边坡 稳定性情况的影响做了部分研究. 随着计算机技术及 数值模拟技术的发展,现在的边坡稳定性分析越来越 多地采用三维模型进行数值模拟研究,Dawson 等[13]基 于强度折减法,研究了边界条件、模型形状对三维边坡 稳定性的影响规律. 高永涛等[14] 采用离散元软件 3DEC 研究了结构面倾角与边坡角变化情况下顺层岩 质边坡稳定性的发展规律,解释了顺层岩质边坡的变 形破坏特征. 周元辅等[15] 基于强度折减法对三维边 坡的失稳判据进行了研究,并建议在滑带明确的情况 下采用塑性区贯通率增量突变判据,在滑带未知的情 况下采用位移增量突变判据. Wei 等[16] 采用 FLAC 3D 强度折减法和极限平衡法对三维均质边坡的破坏模式 进行了对比分析,结果显示两种计算方法的结果相吻 合,研究表明含软弱夹层边坡夹层部位局部网格的划 分对边坡的失稳规律有很大的影响. 刘红帅等[17] 基 于 ABAQUS 软件,采用有限元强度折减法研究了边界 约束效应对于边坡稳定性的影响. 以上诸多学者的研 究极大地促进了强度折减法及边坡破坏模式方面的研 究进展,但由于三维条件下软硬互层边坡的复杂性,对 于多因素影响下尤其是岩层与边坡走向夹角变化情况 下软硬互层边坡的变形破坏模式尚缺乏系统的研究. 本文拟采用 FLAC 3D 强度折减法,研究在岩层倾 角、岩层与边坡走向夹角变化时三维软硬互层边坡的 变形破坏模式和稳定性状况. 1 数值模拟方法 1郾 1 数值模型的建立 数值模型中,硬岩和软岩均采用实体单元模拟,按 连续介质考虑. 边坡模型尺寸取为 230 m 伊 50 m 伊 100 m,坡高 50 m,计算模型的左边界到坡脚的距离为坡高 的 1郾 5 倍,右边界至坡顶的距离为坡高的 2郾 5 倍;边界 条件为底部固定约束,模型四周采用法向约束,上部为 自由边界;岩层与边坡走向夹角 茁 范围为 0毅 ~ 180毅 (取 0毅、10毅、30毅、50毅、70毅、90毅、100毅、120毅、140毅、160毅、 180毅),岩层倾角 琢 范围为 0毅 ~ 90毅 (取 0毅、10毅、20毅、 30毅、40毅、45毅、60毅、70毅、90毅),边坡角度为 50毅. 二维软 硬互层边坡破坏模式的研究结果显示[18] ,在坡脚有软 弱岩层剪出的条件下,当软硬岩层厚度在一定范围内 变化时,软硬岩厚度的不同组合对边坡破坏模式无显 著影响,对于岩层倾角较小的边坡稳定性影响也较小, 因此本次研究中设定硬岩岩层厚度为8 m,软岩岩层厚 度为 2 m,软硬岩层间隔分布. 采用有限元软件 ANSYS 建立边坡模型,采用自编的 ANSYS鄄鄄 FLAC 3D接口程序 将模型导入到 FLAC 3D软件中进行计算. 考虑到单元 数量对于计算效率的影响,首先经过试算,保证网格疏 密程度 满 足 计 算 精 度 要 求. 所 采 用 的 模 型 如 图 1 所示. 图 1 FLAC 3D数值模型示意图(单位:m) Fig. 1 Numerical model in FLAC 3D (unit: m) 稳定性系数是评价边坡稳定性的重要指标,在模 型的计算过程中,坡顶临空面小规模软弱夹层是边坡 稳定性最差的部分(如图 1 中 a 所示),软件的计算会 将该部分的稳定性系数作为整体边坡的稳定性系数, 但这显然是不合理的[8] . 因此,为了减小其对边坡整 体边坡稳定性系数的影响,在建模的过程中将坡顶小 规模软岩材料也赋值为硬岩从而使边坡的稳定性系数 更接近于真实值. 本文是在边坡模型尺寸、边坡角度、软硬岩厚度固 定的条件下,调整岩层倾角及岩层与边坡走向夹角来 研究岩层倾角、岩层与边坡走向夹角变化时三维软硬 互层边坡的稳定性状况,当各项条件改变时,边坡的破 坏模式及稳定性系数变化趋势有所不同. 在调整岩层 倾角时,以边坡模型左下角点(即坐标原点)为圆心旋 ·183·

·184· 工程科学学报，第39卷，第2期 转岩层：调整岩层与边坡走向夹角时，以纵坐标轴(z 表1岩体物理力学参数表 轴)为轴旋转岩层 Table I Physio-mechanical parameters of rock mass 1.2计算方法 弹性模量/泊松内聚力/内摩擦角/重度/抗拉强度/ 岩体 FLAC”软件基于三维显式有限差分原理，采用 GPa比MPa ((kN-m-3)MPa “混合离散法”来模拟材料的塑性破坏和塑性流动，可 硬岩7.00 0.21.00 35 25 0.500 采用非线性本构模型求解大变形问题，因此在岩土工 软岩。 0.68 0.30.02 20 20 0.016 程领域应用广泛. 强度折减法于20世纪70年代由Zienkiewiczl]首 构判断边坡的剪出条件，以边坡临界破坏（即计算不 收敛)时的位移云图、速度矢量图进行分析，图中不同 先提出，其计算原理为对岩土体抗剪强度参数c和P 同时除以折减系数K进行折减，然后进行计算，通过 颜色代表不同的水平位移值，颜色越深（棕色一橙 不断调整折减系数直至边坡处于临界破坏状态，此时 色一黄色一绿色一蓝色)，位移值越大：箭头表示速度 的折减系数K即为边的稳定性系数： 矢量，主要代表岩土体运动方向，参考刘汉超对于坡体 结构的分类方法[]，对不同坡体结构进行分类，依据 'tan g'tang K (1) 张倬元提出的5种层状边坡变形破坏模式[)，对计算 式中，黏聚力c和内摩擦角p为折减前的岩土体抗剪 所得边坡变形破坏模式进辨识（目前三维软硬岩层状 强度参数，'、p'为折减后的抗剪强度参数，K为折减后 边坡的破坏模式尚缺乏统一的定量评价标准，本文在 边坡处于临界状态的稳定性系数 数值模拟计算结果的基础上，采用定性的方法对边坡 随着计算机技术的发展，目前强度折减法可应用 的破坏模式进行辨识)，将边坡结构与破坏模式归纳 于各类数值模拟软件中，在破坏判据与计算精度方面 如表2所示，并选取各破坏模式中典型示例分述 也有了长足的进步[20].结合数值模拟软件的强度折 2.1蠕滑-压致拉裂 减法不需要事先假定滑动面，根据数值模拟软件的不 如图2(a)所示，对于近水平层状边坡，受到自重 同，可对边坡的应力-应变、位移发展特征及其渐进性 影响，边坡坡顶临空面附近首先产生向下的滑移，由于 破坏过程进行研究 软岩的蠕滑特性，使硬岩产生沿软岩的卸荷回弹，在坡 本次计算选用能同时考虑关联流动拉伸屈服和非 脚及坡面上岩层面产生张拉裂缝，由于上部岩体的蠕 关联流动剪切屈服的Mohr-Coulomb屈服准则，其表达 滑及压应力作用，下部岩体顺软岩层面向临空面方向 式如下。 产生滑移，坡脚及附近岩体被挤出.这类滑动具有压 剪切屈服准则： 剪性质，该类边坡的破坏模式属于蠕滑-压致拉裂. f=I1sinp/3-ccos p+√J2(cos0。+sin0,/5)=0. 如图2(b)所示，对于近直立近正交斜向倾内层状 (2) 边坡，由于岩层走向与边坡走向大于90°，岩体不具有 拉伸屈服准则： 向临空面方向滑移的岩层结构，同近水平层状边坡变 f=03-0 (3) 形破坏机理基本一致，边坡发生蠕滑-压致拉裂破坏. 式中：f(分别表示剪切和拉伸屈服函数；山，、J2分别为 2.2滑移-拉裂 应力张量第一不变量和应力偏量第二不变量：。为应 如图3(a)所示，对于缓倾角、中倾角顺向层状边 力罗德角：c、P分别为黏聚力和内摩擦角；σ为抗拉强 坡、缓倾角近顺向层状边坡及中倾角、陡倾角近正交斜 度：03为第三主应力. 向倾外层状边坡，坡脚或坡面上有软岩出露，具备剪出 强度折减法的失稳判别标准目前主要有数值计算 条件，岩体在重力的作用下沿软硬岩层界面发生滑移， 的不收敛、塑性区的贯通、特征部位位移的突变)]. 坡顶产生张裂缝，滑体各部分位移及速度方向基本一 本次以数值计算不收敛（不平衡力比率小于105）作 致.随着走向夹角的增大，边坡软岩在重力的作用下 为失稳判据. 沿软硬岩层界面向岩层倾向方向发生滑移，由于侧限 1.3模型参数 作用的原因，滑动方向有发生变化的趋势，但因为走向 本次计算以沪蓉高速公路西昌一恩施段出露的三 夹角较小，滑体滑动速度方向并无明显的改变，因此剪 叠系巴东组粉砂质泥岩和灰岩为软、硬岩层代表，结合 出口位置、堆积体大小沿边坡走向方向无明显差异，边 勘察报告和室内试验得到模型计算所需岩体物理力学 坡发生顺软硬岩层界面的滑移-拉裂破坏. 参数如表1所示. 如图3(b)所示，对于缓倾角、中倾角斜向倾外层 状边坡，随着走向夹角的增大，滑体在滑动时速度方向 2边坡变形破坏模式分析 发生较明显的改变，沿软硬岩层界面向边坡临空面滑 对于数值计算所得结果，综合边坡的岩层分布结 出，剪出口沿边坡走向方向不在同一高度，坡脚一侧由

工程科学学报,第 39 卷,第 2 期 转岩层;调整岩层与边坡走向夹角时,以纵坐标轴( z 轴)为轴旋转岩层. 1郾 2 计算方法 FLAC 3D软件基于三维显式有限差分原理,采用 “混合离散法冶来模拟材料的塑性破坏和塑性流动,可 采用非线性本构模型求解大变形问题,因此在岩土工 程领域应用广泛. 强度折减法于 20 世纪 70 年代由 Zienkiewicz [19]首 先提出,其计算原理为对岩土体抗剪强度参数 c 和 渍 同时除以折减系数 K 进行折减,然后进行计算,通过 不断调整折减系数直至边坡处于临界破坏状态,此时 的折减系数 K 即为边的稳定性系数: c忆 = c K ,tan 渍忆 = tan 渍 K . (1) 式中,黏聚力 c 和内摩擦角 渍 为折减前的岩土体抗剪 强度参数,c忆、渍忆为折减后的抗剪强度参数,K 为折减后 边坡处于临界状态的稳定性系数. 随着计算机技术的发展,目前强度折减法可应用 于各类数值模拟软件中,在破坏判据与计算精度方面 也有了长足的进步[20鄄鄄22] . 结合数值模拟软件的强度折 减法不需要事先假定滑动面,根据数值模拟软件的不 同,可对边坡的应力鄄鄄应变、位移发展特征及其渐进性 破坏过程进行研究. 本次计算选用能同时考虑关联流动拉伸屈服和非 关联流动剪切屈服的 Mohr鄄鄄Coulomb 屈服准则,其表达 式如下。 剪切屈服准则: f = I1 sin 渍/ 3 - ccos 渍 + J2 (cos 兹滓 + sin 兹滓 / 3) = 0. (2) 拉伸屈服准则: f t = 滓3 - 滓 t . (3) 式中:f、f t 分别表示剪切和拉伸屈服函数;I1 、J2 分别为 应力张量第一不变量和应力偏量第二不变量;兹滓 为应 力罗德角;c、渍 分别为黏聚力和内摩擦角;滓 t 为抗拉强 度;滓3 为第三主应力. 强度折减法的失稳判别标准目前主要有数值计算 的不收敛、塑性区的贯通、特征部位位移的突变[15] . 本次以数值计算不收敛(不平衡力比率小于 10 - 5 ) 作 为失稳判据. 1郾 3 模型参数 本次计算以沪蓉高速公路西昌—恩施段出露的三 叠系巴东组粉砂质泥岩和灰岩为软、硬岩层代表,结合 勘察报告和室内试验得到模型计算所需岩体物理力学 参数如表 1 所示. 2 边坡变形破坏模式分析 对于数值计算所得结果,综合边坡的岩层分布结 表 1 岩体物理力学参数表 Table 1 Physio鄄mechanical parameters of rock mass 岩体 弹性模量/ GPa 泊松 比 内聚力/ MPa 内摩擦角/ (毅) 重度/ (kN·m -3 ) 抗拉强度/ MPa 硬岩 7郾 00 0郾 2 1郾 00 35 25 0郾 500 软岩 0郾 68 0郾 3 0郾 02 20 20 0郾 016 构判断边坡的剪出条件,以边坡临界破坏(即计算不 收敛)时的位移云图、速度矢量图进行分析,图中不同 颜色代表不同的水平位移值,颜色越深 ( 棕色—橙 色—黄色—绿色—蓝色),位移值越大;箭头表示速度 矢量,主要代表岩土体运动方向,参考刘汉超对于坡体 结构的分类方法[23] ,对不同坡体结构进行分类,依据 张倬元提出的 5 种层状边坡变形破坏模式[2] ,对计算 所得边坡变形破坏模式进辨识(目前三维软硬岩层状 边坡的破坏模式尚缺乏统一的定量评价标准,本文在 数值模拟计算结果的基础上,采用定性的方法对边坡 的破坏模式进行辨识),将边坡结构与破坏模式归纳 如表 2 所示,并选取各破坏模式中典型示例分述. 2郾 1 蠕滑鄄鄄压致拉裂 如图 2(a)所示,对于近水平层状边坡,受到自重 影响,边坡坡顶临空面附近首先产生向下的滑移,由于 软岩的蠕滑特性,使硬岩产生沿软岩的卸荷回弹,在坡 脚及坡面上岩层面产生张拉裂缝,由于上部岩体的蠕 滑及压应力作用,下部岩体顺软岩层面向临空面方向 产生滑移,坡脚及附近岩体被挤出. 这类滑动具有压 剪性质,该类边坡的破坏模式属于蠕滑鄄鄄压致拉裂. 如图 2(b)所示,对于近直立近正交斜向倾内层状 边坡,由于岩层走向与边坡走向大于 90毅,岩体不具有 向临空面方向滑移的岩层结构,同近水平层状边坡变 形破坏机理基本一致,边坡发生蠕滑鄄鄄压致拉裂破坏. 2郾 2 滑移鄄鄄拉裂 如图 3(a)所示,对于缓倾角、中倾角顺向层状边 坡、缓倾角近顺向层状边坡及中倾角、陡倾角近正交斜 向倾外层状边坡,坡脚或坡面上有软岩出露,具备剪出 条件,岩体在重力的作用下沿软硬岩层界面发生滑移, 坡顶产生张裂缝,滑体各部分位移及速度方向基本一 致. 随着走向夹角的增大,边坡软岩在重力的作用下 沿软硬岩层界面向岩层倾向方向发生滑移,由于侧限 作用的原因,滑动方向有发生变化的趋势,但因为走向 夹角较小,滑体滑动速度方向并无明显的改变,因此剪 出口位置、堆积体大小沿边坡走向方向无明显差异,边 坡发生顺软硬岩层界面的滑移鄄鄄拉裂破坏. 如图 3( b)所示,对于缓倾角、中倾角斜向倾外层 状边坡,随着走向夹角的增大,滑体在滑动时速度方向 发生较明显的改变,沿软硬岩层界面向边坡临空面滑 出,剪出口沿边坡走向方向不在同一高度,坡脚一侧由 ·184·

姚文敏等：三维软硬互层边坡的破坏模式与稳定性研究 ·185· 表2三维软硬互层边坡变形破坏模式 Table 2 Failure modes of 3D slopes with interbedding of soft and hard rocks 岩层倾角，a 岩层走向与边坡走向的夹角，B 边坡类型 破坏模式 0°≤a<10° 0°≤B<180 近水平层状边坡 蠕滑-压致拉裂 0°≤β<30° 缓倾角顺向、近顺向层状边坡 滑移-拉裂 30°≤B<70° 缓倾角斜向倾外层状边坡 转动型滑移-拉裂 10°≤a≤20 70°≤B≤90° 缓倾角近正交斜向倾外层状边坡 塑流-拉裂 90°<B<180° 缓倾角斜向倾内层状边坡 塑流-拉裂 B=180° 缓倾角反向层状边坡 蠕滑-压致拉裂 B=0° 中倾角顺向层状边坡 滑移-拉裂 0°<B<70° 中倾角近顺向、斜向倾外层状边坡 转动型滑移-拉裂 20°<a≤50° 70°≤B≤90° 中倾角近正交斜向倾外层状边坡 滑移-拉裂 90°<B<160 中倾角斜向倾内层状边坡 滑移-弯曲 160°<B≤180° 中倾角近反向、反向层状边坡 弯曲-拉裂 B=0° 陡倾角顺向层状边坡 滑移-弯曲 0°<B<70° 陡倾角近顺向、斜向倾外层状边坡 转动型滑移-弯曲 50°<a≤70° 70°≤B<90° 陡倾角近正交斜向倾外层状边坡 滑移-拉裂 90°≤B≤180° 陡倾角斜向倾内、近反向、反向层状边坡 弯曲-拉裂 B=0° 近直立顺向层状边坡 弯曲-拉裂 0°<β<70° 近直立近顺向、斜向倾外层状边坡 转动型弯曲-拉裂 70°<a≤90° 70°≤B<90° 近直立近正交斜向倾外层状边坡 弯曲-拉裂 90°≤B≤120° 近直立近正交斜向倾内层状边坡 蠕滑-压致拉裂 120°<B≤180° 近直立斜向倾内、近反向、反向层状边坡 弯曲-拉裂 (b) 图2蠕滑-压致拉裂破坏模式.(a)a=0°；(b)B=120°，a= 90°：(c)二维示意图(B=120°，a=90) 图3滑移-拉裂破坏模式.（a)B=10°，a=20°；(b)B=50°， Fig.2 Failure modes of creeping-pressure induced ripping:(a)a= a=20°；(c)B=70°，a=45°；(d)二维示意图(B=70°，a= 0°；(b)B=120°，a=90°；(c）two-dimensional sketch map(B= 45°) 120°，a=90°) Fig.3 Failure mode of sliding-ripping:(a）B=l0°，d=20°；(b) 于滑体的压应力作用被挤出，边坡发生顺软硬岩层界 B=50°，a=20°；(c)B=70°，a=45:(d)two-dimensional 面的转动型滑移-拉裂破坏. sketch map(B=70°，a=45) 如图3()所示，对于缓倾角、中倾角近正交斜向 2.3塑流-拉裂 倾外层状边坡，边坡坡面上有软岩出露，具备剪出条 如图4(a)所示，对于缓倾角近正交斜向倾外层状 件，在重力和侧限作用下，坡顶产生张裂缝，岩体沿软 边坡，上部岩体在重力的作用下向下产生变形，软岩在 硬岩层界面向边坡临空面方向发生滑移，滑体为以软 坡面上出露，成为良好的剪出条件，下部岩体在上覆岩 岩层面为底的楔形体，滑体各部分位移及速度方向基 体的压力作用下，产生塑性流动并向临空面方向挤出， 本一致，边坡产生顺软硬岩界面的滑移-拉裂破坏. 从而使上覆岩体及上部岩体被拉裂缝切割后，临空侧

姚文敏等: 三维软硬互层边坡的破坏模式与稳定性研究 表 2 三维软硬互层边坡变形破坏模式 Table 2 Failure modes of 3D slopes with interbedding of soft and hard rocks 岩层倾角,琢 岩层走向与边坡走向的夹角,茁 边坡类型 破坏模式 0毅臆琢 < 10毅 0毅臆茁 < 180毅 近水平层状边坡 蠕滑鄄鄄压致拉裂 0毅臆茁 < 30毅 缓倾角顺向、近顺向层状边坡 滑移鄄鄄拉裂 30毅臆茁 < 70毅 缓倾角斜向倾外层状边坡 转动型滑移鄄鄄拉裂 10毅臆琢臆20毅 70毅臆茁臆90毅 缓倾角近正交斜向倾外层状边坡 塑流鄄鄄拉裂 90毅 < 茁 < 180毅 缓倾角斜向倾内层状边坡 塑流鄄鄄拉裂 茁 = 180毅 缓倾角反向层状边坡 蠕滑鄄鄄压致拉裂 茁 = 0毅 中倾角顺向层状边坡 滑移鄄鄄拉裂 0毅 < 茁 < 70毅 中倾角近顺向、斜向倾外层状边坡 转动型滑移鄄鄄拉裂 20毅 < 琢臆50毅 70毅臆茁臆90毅 中倾角近正交斜向倾外层状边坡 滑移鄄鄄拉裂 90毅 < 茁 < 160毅 中倾角斜向倾内层状边坡 滑移鄄鄄弯曲 160毅 < 茁臆180毅 中倾角近反向、反向层状边坡 弯曲鄄鄄拉裂 茁 = 0毅 陡倾角顺向层状边坡 滑移鄄鄄弯曲 50毅 < 琢臆70毅 0毅 < 茁 < 70毅 陡倾角近顺向、斜向倾外层状边坡 转动型滑移鄄鄄弯曲 70毅臆茁 < 90毅 陡倾角近正交斜向倾外层状边坡 滑移鄄鄄拉裂 90毅臆茁臆180毅 陡倾角斜向倾内、近反向、反向层状边坡 弯曲鄄鄄拉裂 茁 = 0毅 近直立顺向层状边坡 弯曲鄄鄄拉裂 0毅 < 茁 < 70毅 近直立近顺向、斜向倾外层状边坡 转动型弯曲鄄鄄拉裂 70毅 < 琢臆90毅 70毅臆茁 < 90毅 近直立近正交斜向倾外层状边坡 弯曲鄄鄄拉裂 90毅臆茁臆120毅 近直立近正交斜向倾内层状边坡 蠕滑鄄鄄压致拉裂 120毅 < 茁臆180毅 近直立斜向倾内、近反向、反向层状边坡 弯曲鄄鄄拉裂 图 2 蠕滑鄄鄄压致拉裂破坏模式 郾 (a) 琢 = 0毅; (b) 茁 = 120毅, 琢 = 90毅; (c) 二维示意图(茁 = 120毅, 琢 = 90毅) Fig. 2 Failure modes of creeping鄄鄄pressure induced ripping: (a) 琢 = 0毅; (b) 茁 = 120毅, 琢 = 90毅; (c) two鄄dimensional sketch map ( 茁 = 120毅, 琢 = 90毅) 于滑体的压应力作用被挤出,边坡发生顺软硬岩层界 面的转动型滑移鄄鄄拉裂破坏. 如图 3(c)所示,对于缓倾角、中倾角近正交斜向 倾外层状边坡,边坡坡面上有软岩出露,具备剪出条 件,在重力和侧限作用下,坡顶产生张裂缝,岩体沿软 硬岩层界面向边坡临空面方向发生滑移,滑体为以软 岩层面为底的楔形体,滑体各部分位移及速度方向基 本一致,边坡产生顺软硬岩界面的滑移鄄鄄拉裂破坏. 图 3 滑移鄄鄄拉裂破坏模式 郾 (a) 茁 = 10毅, 琢 = 20毅; (b) 茁 = 50毅, 琢 = 20毅; (c) 茁 = 70毅, 琢 = 45毅; ( d) 二维示意图( 茁 = 70毅, 琢 = 45毅) Fig. 3 Failure mode of sliding鄄鄄ripping: (a) 茁 = 10毅, 琢 = 20毅; (b) 茁 = 50毅, 琢 = 20毅; ( c) 茁 = 70毅, 琢 = 45毅; ( d) two鄄dimensional sketch map (茁 = 70毅, 琢 = 45毅) 2郾 3 塑流鄄鄄拉裂 如图 4(a)所示,对于缓倾角近正交斜向倾外层状 边坡,上部岩体在重力的作用下向下产生变形,软岩在 坡面上出露,成为良好的剪出条件,下部岩体在上覆岩 体的压力作用下,产生塑性流动并向临空面方向挤出, 从而使上覆岩体及上部岩体被拉裂缝切割后,临空侧 ·185·

·186· 工程科学学报，第39卷，第2期 的危岩体由于下伏岩体的挤出、风化、剥蚀和淘空导致 危岩体重心向外偏移，坡脚及其前方岩体发生大范围 的挤出与位移，当其倾倒力矩大于抗倾力矩时，块体就 发生倾倒破坏24]，边坡发生塑流-拉裂的破坏. 图5滑移-弯曲破坏模式.(a)B=0°，a=70°：(b)B=30° a=70°：(c)B=120°，a=45°：(d)二维示意图(B=30°，a= 70°) 图4塑流-拉裂破坏模式.(a)B=70°，a=20°：(b)B=140°， Fig.5 Failure mode of sliding-bending:(a)B=0°，a=70°：(b) a=20°：(c）二维示意图(B=140°，a=20°) B=30°，a=70°；(c）B=120°，a=45°；(d)tbwo-dimensional Fig.4 Failure mode of flowing-ripping:(a）B=70°，a=20°； sketch map(B=30°，a=70°) (b)B=140°，a=20°；(c）two-dimensional sketch map(B= 破坏 140°，a=20°） 2.5弯曲-拉裂 如图4(b)所示，对于缓倾角斜向倾内层状边坡， 如图6(a)所示，对于近直立顺向层状边坡，边坡 上部岩体在重力的作用下向下产生变形，软岩在坡面 坡面及坡脚不具备剪出条件，边坡坡顶临空面附近软 上出露，虽然岩层倾向坡体内部，但由于岩层夹角较 岩首先发生上部向临空面的弯曲变形，并进一步影响 小，仍能成为良好的剪出条件，同缓倾角近正交斜向倾 坡面和坡顶岩体，软硬岩界面产生较大的裂缝（尤其 外层状边坡变形破坏机理一致，边坡发生塑流-拉裂 是坡面上)，边坡发生弯曲-拉裂破坏 的破坏 (a 2.4滑移-弯曲 如图5(a)所示，对于陡倾角顺向层状边坡，边坡 坡面及坡脚不具备剪出条件，上部岩体在重力的作用 下沿软岩层面发生向下的滑移，坡顶产生张裂缝，但由 于坡脚及以下岩体的阻滑作用，岩体发生由坡脚向上， 沿软岩层面的弯曲，坡面上软硬岩界面有较大的张裂 缝，边坡发生滑移-弯曲破坏. 如图5(b)所示，对于陡倾角近顺向、斜向倾外层 状边坡，边坡坡面及坡脚不具备剪出条件，上部岩体在 重力的作用下沿软岩层面先岩层倾向方向发生向下的 图6弯曲-拉裂破坏模式.(a)B=0°，a=70°：(b)B=30° 滑移，坡顶产生张裂缝，但由于侧边界、坡脚及以下岩 a=70°：(c)B=120°，a=45°：(d)二维示意图(B=140°，a= 体的阻滑作用，岩体发生由坡脚向上、沿软岩层面的弯 70°) 曲，坡面上软硬岩层界面有较大的张裂缝，边坡发生转 Fig.6 Failure mode of bending-ripping:(a）B=0°，a=70°：(b) 动型滑移-弯曲破坏，同时由于侧边界的侧限作用，滑 B=30°，a=70°；(c)B=120°，a=45°：(d)two-dimensional sketch map(β=140°，a=70) 动体岩层倾向一侧弯曲程度更大. 如图5(c)所示，对于中倾角近反向层状边坡，上 如图6(b)所示，对于近直立近顺向、斜向倾外层 部岩体在重力的作用下，发生向斜坡临空面方向的滑 状边坡，边坡坡面及坡脚不具备剪出条件，边坡坡顶临 移，并沿软硬岩层界面挤出，从而使岩层产生弯曲，伴 空面附近软岩首先发生上部向临空面的弯曲变形，并 随着上部岩体向临空面产生弯曲，坡顶产生张裂缝，越 进一步影响坡面和坡顶岩体，软硬岩界面产生较大的 靠近下部的岩体在上覆岩体压力的作用下滑移距离越 裂缝（尤其是坡面上），边坡发生转动型弯曲-拉裂破 长，下部坡脚及其下部岩体由于滑动体的冲击产生弯 坏.由于侧边界的侧限作用，滑动体岩层倾向一侧弯 曲，坡脚前岩体大范围被挤出，边坡发生滑移-弯曲的 曲程度更大.进一步发展下部岩体将发生断裂，从而

工程科学学报,第 39 卷,第 2 期 的危岩体由于下伏岩体的挤出、风化、剥蚀和淘空导致 危岩体重心向外偏移,坡脚及其前方岩体发生大范围 的挤出与位移,当其倾倒力矩大于抗倾力矩时,块体就 发生倾倒破坏[24] ,边坡发生塑流鄄鄄拉裂的破坏. 图4 塑流鄄鄄拉裂破坏模式郾 (a) 茁 = 70毅, 琢 = 20毅; (b) 茁 = 140毅, 琢 = 20毅; (c) 二维示意图(茁 = 140毅, 琢 = 20毅) Fig. 4 Failure mode of flowing鄄鄄 ripping: ( a) 茁 = 70毅, 琢 = 20毅; (b) 茁 = 140毅, 琢 = 20毅; ( c) two鄄dimensional sketch map ( 茁 = 140毅, 琢 = 20毅) 如图 4( b)所示,对于缓倾角斜向倾内层状边坡, 上部岩体在重力的作用下向下产生变形,软岩在坡面 上出露,虽然岩层倾向坡体内部,但由于岩层夹角较 小,仍能成为良好的剪出条件,同缓倾角近正交斜向倾 外层状边坡变形破坏机理一致,边坡发生塑流鄄鄄 拉裂 的破坏. 2郾 4 滑移鄄鄄弯曲 如图 5(a)所示,对于陡倾角顺向层状边坡,边坡 坡面及坡脚不具备剪出条件,上部岩体在重力的作用 下沿软岩层面发生向下的滑移,坡顶产生张裂缝,但由 于坡脚及以下岩体的阻滑作用,岩体发生由坡脚向上, 沿软岩层面的弯曲,坡面上软硬岩界面有较大的张裂 缝,边坡发生滑移鄄鄄弯曲破坏. 如图 5( b)所示,对于陡倾角近顺向、斜向倾外层 状边坡,边坡坡面及坡脚不具备剪出条件,上部岩体在 重力的作用下沿软岩层面先岩层倾向方向发生向下的 滑移,坡顶产生张裂缝,但由于侧边界、坡脚及以下岩 体的阻滑作用,岩体发生由坡脚向上、沿软岩层面的弯 曲,坡面上软硬岩层界面有较大的张裂缝,边坡发生转 动型滑移鄄鄄弯曲破坏,同时由于侧边界的侧限作用,滑 动体岩层倾向一侧弯曲程度更大. 如图 5(c)所示,对于中倾角近反向层状边坡,上 部岩体在重力的作用下,发生向斜坡临空面方向的滑 移,并沿软硬岩层界面挤出,从而使岩层产生弯曲,伴 随着上部岩体向临空面产生弯曲,坡顶产生张裂缝,越 靠近下部的岩体在上覆岩体压力的作用下滑移距离越 长,下部坡脚及其下部岩体由于滑动体的冲击产生弯 曲,坡脚前岩体大范围被挤出,边坡发生滑移鄄鄄 弯曲的 图 5 滑移鄄鄄弯曲破坏模式 郾 ( a) 茁 = 0毅, 琢 = 70毅; ( b) 茁 = 30毅, 琢 = 70毅; (c) 茁 = 120毅, 琢 = 45毅; ( d) 二维示意图( 茁 = 30毅, 琢 = 70毅) Fig. 5 Failure mode of sliding鄄鄄bending: (a) 茁 = 0毅, 琢 = 70毅; (b) 茁 = 30毅, 琢 = 70毅; ( c) 茁 = 120毅, 琢 = 45毅; ( d) two鄄dimensional sketch map (茁 = 30毅, 琢 = 70毅) 破坏. 2郾 5 弯曲鄄鄄拉裂 如图 6(a)所示,对于近直立顺向层状边坡,边坡 坡面及坡脚不具备剪出条件,边坡坡顶临空面附近软 岩首先发生上部向临空面的弯曲变形,并进一步影响 坡面和坡顶岩体,软硬岩界面产生较大的裂缝(尤其 是坡面上),边坡发生弯曲鄄鄄拉裂破坏. 图 6 弯曲鄄鄄拉裂破坏模式 郾 ( a) 茁 = 0毅, 琢 = 70毅; ( b) 茁 = 30毅, 琢 = 70毅; (c) 茁 = 120毅, 琢 = 45毅; (d) 二维示意图( 茁 = 140毅, 琢 = 70毅) Fig. 6 Failure mode of bending鄄ripping: (a) 茁 = 0毅, 琢 = 70毅; (b) 茁 = 30毅, 琢 = 70毅; ( c) 茁 = 120毅, 琢 = 45毅; ( d) two鄄dimensional sketch map (茁 = 140毅, 琢 = 70毅) 如图 6( b)所示,对于近直立近顺向、斜向倾外层 状边坡,边坡坡面及坡脚不具备剪出条件,边坡坡顶临 空面附近软岩首先发生上部向临空面的弯曲变形,并 进一步影响坡面和坡顶岩体,软硬岩界面产生较大的 裂缝(尤其是坡面上),边坡发生转动型弯曲鄄鄄 拉裂破 坏. 由于侧边界的侧限作用,滑动体岩层倾向一侧弯 曲程度更大. 进一步发展下部岩体将发生断裂,从而 ·186·