基于Midas的公路顺层岩质边坡破坏机理研究

李相松

（苏交科集团股份有限公司， 江苏 南京 211112）

0 引言

在交通强国战略支撑下，我国公路工程建设规模不断扩大，边坡稳定性是影响公路施工和运营的重要技术问题，边坡失稳事故带来的危害是巨大的，公路岩质边坡稳定性尤其是顺层岩质边坡的破坏机理成为该工程领域的热点、难点问题。

顺层岩质边坡是指岩层走向、倾向和边坡坡面一致的边坡，其岩体结构面是降低边坡强度的重要因素，导致边坡发生位移破坏，顺坡结构面的存在及其特征对于边坡的变形和破坏方式及规模具有决定性的控制作用。从位移、拉应力区分布特点和屈服区分布特征来看，顺层岩质边坡的顺坡结构对岩体稳定性影响较大，很大程度增加了坡体破坏的风险。本文基于Midas GTS有限元分析软件，对某公路顺层岩质边坡进行数值模拟研究，通过现场勘察、室内试验等技术手段获取其坡形尺寸、地层结构、材料参数，运用Midas GTS有限元数值模拟软件对边坡地质结构进行建模，并采用有限元法计算分析该边坡的稳定性及破坏机理。

1 工程概况

该公路顺层岩质边坡为东西走向，边坡岩层走向、倾向和边坡坡面一致，是典型的顺层岩质边坡。边坡长度约200米，坡高约10～15米，宽度约25米，坡度约40°～55°（如图1）。根据现场工程地质勘察成果，该岩质边坡地层岩性结构主要由人工填土、崩塌石块、残坡积层（Qheld）和板岩组成，其中，填土与崩塌石块厚度约0～3米；板岩出露区域较多，板岩强风化层厚约 1～2米，岩体破碎；板岩中风化层节理较发育，岩体较破碎。

该边坡区域内未发现较大的构造现象，岩体发育有多组节理面，节理面的延展性较好，且局部发育有X型节理，岩体内节理间距1～5米。

根据现场工程地质勘察成果，在钻探勘察深度中未揭露地下水，但存在孔隙水和基岩裂隙水，基岩裂隙水赋存于坡体板岩裂隙中。同时，受公路工程建设影响，坡脚存在人工开挖，坡体岩层暴露，为岩质边坡不稳定性埋下安全隐患。

通过野外现场勘察、室内试验等技术手段，获取该岩质边坡材料参数（见表1），为后续边坡数值模拟分析提供必要地层材料参数。

图1 岩质边坡示意图

1 结构面和岩体物理力学参数

介质 粘聚力（MPa）内摩擦角（°）体积模量（GPa）剪切模量（GPa）天然密度（Kg/m3）法相刚度（GPa/m）切向刚度（GPa/m）岩层面 0.283 25.9 / / / 10 1节理面 0.027 16.14 / / / 10 1中风化板岩 4.79 32.87 15.67 2.69 2700 / /未风化板岩 5.51 50.2 15.23 7.85 2700 / /

2 数值模拟与计算分析

2.1 计算模型

运用Midas GTS有限元分析软件对边坡进行数值模拟，Midas GTS是一款基于有限元分析算法和岩土结构专业性特点，将二者有机结合而开发的岩土体分析软件，具有专业性强、快速建模、准确分析、结果直观的特点，广泛应用于工程领域。

在本文边坡数值模型中，边坡坡形、地层结构、材料物理力学参数均采用相应的野外勘察成果与室内试验成果数据，在计算模型中将实际边坡进行概化处理，节理面概化为等间距分布（间距为 2米），且与层面相互垂直，数值模型的本构模型采用“摩尔-库伦”模型，且在模型左右及底部均设置边界约束，贴合实际工程。在不稳定坡体中共设置9个监测点，各监测点间距为5米，在岩体中分三层等间距分布，如图2所示，同时对边坡模型结构面网格划分，进行计算。

图2 模型监测点布置图

2.2 位移分析

边坡岩土体监测点水平位移监测点时程曲线如图3所示，从图中可以看出，顺层岩质边坡坡体位移具有一定的规律。由图5（a）、图5（b）、图5（c）可知:P1＞P2＞P3、P4＞P5＞P6、P7＞P8＞P9,说明无论在那一岩层坡体均表现出前部位移大于后部位移的特征；由图5（d）、图5（e）、图5（f）可知:P7＞P4＞P1、P8＞P5＞P2、P9＞P6＞P3,说明坡体位移表现出浅层位移大于深层位移的规律。顺层岩质边坡模型的变形破坏首先出现在坡角处，发生蠕变变形，后变形区域逐渐向坡体后部、坡体深部扩张，诱发整个坡体发生滑移破环，导致坡体发生“滑移-拉裂”式破环。

综上，顺层岩质边坡模型变形破坏表现特征表现为“先蠕变、后滑移”；破坏模式表现为“滑移-拉裂”式。且无论是蠕变变形阶段还是滑移变形阶段，顺层岩质坡体变形破坏过程均遵循“前部大、后部小”、“浅层大、深层小”的规律。

图3 水平位移时程曲线

2.3 应力分析

通过数值模型计算，坡体初始平衡状态剪应力云图、最后稳定状态剪应力云图分别如图4、图5所示。边坡坡体剪应力是分析岩质边坡稳定性和破坏机理的重要手段，能够较为直观地反应出不稳定边坡岩体内部力学分布特征、潜在滑动面位置、变形破坏趋势等边坡问题。

图4 初始平衡状态坡体剪应力云图

图5 最后稳定状态坡体剪应力云图

由图可知，在坡体内部，初始平衡阶段，坡角处呈现应力集中现象，在重力作用下，变形逐渐向边坡后部发展，且在岩层强弱风化接触面剪应力分布不均，表现为前部大、后部小的特征，但在滑体内部、坡体下部应力分布相对均匀。

剪应力分布规律表明，顺层岩质边坡变形破坏是从边坡坡角处开始发生蠕变，逐渐向坡体内部扩张的渐进式破坏过程。同时，剪应力分布位置为岩层强弱风化接触面，且有分布不均特征，但在滑体内部、坡体下部应力分布相对均匀，说明边坡滑体有沿强弱风化岩层接触面向临空面变形破坏趋势。

3 结论

采用野外现场勘察及室内试验成果，利用Midas GTS有限元数值模拟软件，对公路顺层岩质边坡进行数值模拟计算，通过岩体位移和应力两个方面进行分析，得出以下结论：

1）、顺层岩质边坡变形破坏特征表现为“先蠕变、后滑移”，破坏模式表现为“滑移-拉裂”式破坏，且具有“浅层大、深层小”、“前部大、后部小”的规律。

2）、顺层岩质边坡中，坡脚处出现剪应力集中，强弱风化接触面处剪应力较大，且分布不均，表现为前部剪应力大于后部剪应力；滑体内部、坡体下部剪应力较均匀，表明滑体有沿强弱风化接触面变形破坏的趋势。

3）、坡体滑动面为岩层面，岩体层面强度控制滑移面形态与坡体性。