三峽庫(kù)區(qū)某含軟弱夾層順層岸坡三維有限元分析

三峽庫(kù)區(qū)某含軟弱夾層順層岸坡三維有限元分析

順層緣是自然界分布廣泛的邊緣。隨著人類工程活動(dòng)的規(guī)模和范圍日益擴(kuò)大,在水利水電,鐵路公路交通建設(shè),露天開(kāi)采,山區(qū)城市化建設(shè)等方面都遇到了大量的順層岸坡或邊坡問(wèn)題。岸坡的穩(wěn)定程度,變形發(fā)展過(guò)程以及在工程活動(dòng)影響下(如開(kāi)挖、蓄水、爆破等)的穩(wěn)定狀態(tài)及破壞后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與災(zāi)害程度,都是人們非常關(guān)心的問(wèn)題?；率前镀伦冃纹茐牡慕Y(jié)果,是河谷與岸坡演化的重要方式。順層岸坡最主要的結(jié)構(gòu)面是層面和軟弱夾層或?qū)娱g錯(cuò)動(dòng)面,特別是軟弱夾層對(duì)岸坡變形直至滑坡的發(fā)生,具有重要的控制性作用。三峽庫(kù)區(qū)某順層岸坡由外向里含4層頁(yè)巖-碳質(zhì)頁(yè)巖軟弱夾層(厚度<1.0m),蓄水后軟弱夾層會(huì)進(jìn)一步軟化,巖體強(qiáng)度降低,對(duì)岸坡巖體的應(yīng)力位移特征以及岸坡穩(wěn)定有很大的影響。研究含軟弱夾層順層岸坡巖體應(yīng)力位移特征對(duì)研究順層岸坡變形破壞機(jī)制,掌握庫(kù)區(qū)蓄水后岸坡的變形情況,制定預(yù)警措施具有重要的意義。一些學(xué)者對(duì)順層岸邊坡進(jìn)行了大量的研究,取得了顯著的成果。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上,通過(guò)三維有限元數(shù)值模擬,研究軟弱夾層對(duì)岸坡巖體應(yīng)力、位移的影響以及軟弱夾層巖土體的位移特征。1工程地質(zhì)巖組岸坡體位于某向斜東南翼,主要由石英砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖夾頁(yè)巖及碳質(zhì)頁(yè)巖組成。其中,多數(shù)頁(yè)巖、泥巖及碳質(zhì)頁(yè)巖含蒙脫石較多,易軟化、抗剪強(qiáng)度低,屬軟弱巖層。根據(jù)地層巖性工程地質(zhì)性質(zhì),可劃分為砂巖-粉砂巖-泥質(zhì)砂巖巖組、砂巖-粉砂巖-泥質(zhì)砂巖夾頁(yè)巖巖組、泥巖-頁(yè)巖夾砂巖巖組和頁(yè)巖-碳質(zhì)頁(yè)巖巖組等4個(gè)工程地質(zhì)巖組(圖1)。岸坡巖體除層理和層面外,還發(fā)育4組主要的節(jié)理(圖2),造成巖體不連續(xù),易風(fēng)化、含水等而使巖體強(qiáng)度降低。2分析模型的構(gòu)建和參數(shù)的選擇2.1圍巖變形破壞特征根據(jù)工程地質(zhì)特征,建立如圖3所示的數(shù)值分析模型。模型長(zhǎng)1200m,寬100m(可取>1.0m的任意值,為體現(xiàn)三維空間特點(diǎn),這里取100m),高528m。經(jīng)過(guò)有限元網(wǎng)格劃分共產(chǎn)生15111個(gè)節(jié)點(diǎn)和3120個(gè)平面應(yīng)變等參元;軟弱夾層采用實(shí)體單元,與臨近巖層正常接觸,未考慮接觸面單元;圍巖體左、右邊界水平方向面約束(X方向),前、后邊界水平方向面約束(Z方向),圍巖體頂部為自由面,底部豎直方向面約束(Y方向),未考慮構(gòu)造應(yīng)力的作用。屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則,其塑性判據(jù)表達(dá)式為:13J1sinφ+J′2???√(cosθ?13√sinθsinφ)?c=0(1)13J1sinφ+J′2(cosθ-13sinθsinφ)-c=0(1)式(1)中:J1——第一應(yīng)力不變量;J′2——第二應(yīng)力偏量不變量;c、φ——分別為材料的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角;θ=13arcsin(33√J32J32√)θ=13arcsin(33J32J23)2.2巖體力學(xué)參數(shù)根據(jù)有關(guān)地質(zhì)勘察報(bào)告、文獻(xiàn)和相關(guān)規(guī)范,選取不同工程地質(zhì)巖組的巖體力學(xué)參數(shù),在地表、地下水入滲深度范圍內(nèi)采用飽和強(qiáng)度指標(biāo)。當(dāng)三峽庫(kù)區(qū)蓄水至175m時(shí),175m以下按地下水入滲深度范圍選取巖體力學(xué)參數(shù)(表1)。3數(shù)值模擬結(jié)果及其分析3.1岸坡巖體應(yīng)力集中分析在未蓄水的條件下,岸坡巖體應(yīng)力、位移特征如圖4和圖5所示。當(dāng)庫(kù)水位達(dá)到175m時(shí),岸坡巖體應(yīng)力、位移特征如圖6和圖7所示?？梢钥闯?1)除剪應(yīng)力外,2種情況下的最大主應(yīng)力和位移變化特征類似,只是量值不同;第四層軟弱夾層以外,巖體變形較協(xié)調(diào)。2)未蓄水時(shí),岸坡巖體的最大主應(yīng)力為-13.642～-0.683MPa(壓應(yīng)力),水平方向位移為-0.273～-0.014m,豎向位移為-0.567～-0.008m;剪應(yīng)力在中上部第二、第三、第四軟弱夾層處形成3個(gè)應(yīng)力集中區(qū),最大值為0.383MPa,中下部軟弱夾層應(yīng)力集中不明顯。3)當(dāng)蓄水至175m時(shí),岸坡巖體的最大主應(yīng)力為-13.757～-0.688MPa;水平方向位移為-0.370～-0.019m,比未蓄水時(shí)增大0.097～0.005m;豎向位移為-0.622～-0.033m,比未蓄水時(shí)增大0.025～0.055m;剪應(yīng)力在中上部第二至第四軟弱夾層和175m附近的軟弱夾層處皆形成3個(gè)應(yīng)力集中區(qū),中上部最大值為0.390MPa,175m附近剪應(yīng)力集中值為0.222～0.306MPa。4)根據(jù)岸坡巖體應(yīng)力和位移特征,初步推斷第四層軟弱夾層是最危險(xiǎn)的潛在破壞面。可見(jiàn),順層岸坡軟弱夾層對(duì)巖體應(yīng)力、位移特征有很大的影響,對(duì)邊坡穩(wěn)定具有控制性作用。3.2中心層期變形隨高程的變化岸坡由外向里,4層軟弱夾層在未蓄水和蓄水至175m高程時(shí),2種情況下的高程-位移特征如圖8所示。可以看出:1)每層軟弱夾層在2種情況下的水平方向位移差值隨著高程的增高而逐漸減小,最后趨于一致,且其差值具有自第一層到第四層逐漸減小的特征;2)每層軟弱夾層在兩種情況下的豎向位移差值在175m以下隨著高程的增高逐漸增大,175m以上位移差值變化不大;3)由外向里,4層軟弱夾層的位移逐漸減小,2種情況下的差值也逐漸減小。4層軟弱夾層的水平方向最大位移分別增大0.099m、0.097m、0.092m和0.075m,豎向最大位移分別增大0.080m、0.079m、0.071m和0.057m;4)第一至第四層軟弱夾層的豎向位移分別在145.0m、125.0m、101.5m和101.5m高程以上變形較協(xié)調(diào),表明岸坡沿不同軟弱夾層破壞時(shí)的最危險(xiǎn)剪出高程分別在145.0m、125.0m、101.5m和101.5m附近。4岸坡巖體位移順層岸坡中的軟弱夾層是岸坡變形破壞的控制性結(jié)構(gòu)面。庫(kù)區(qū)蓄水后岸坡巖體特別是軟弱夾層的強(qiáng)度降低,岸坡位移和應(yīng)力增大,增加了岸坡的不穩(wěn)定性。通過(guò)岸坡應(yīng)力、位移特征的有限元數(shù)值模擬,可以初步確定岸坡最危險(xiǎn)的潛在破壞面以及剪出高程。當(dāng)蓄水至175m時(shí),該岸坡巖體水平方向位移增大35.5%～35.7%,豎向位移增大9.7%～312.5%;由外向里,4層軟弱夾層的水平方向最大位移分別增大33.9%、34.