基于3DEC模拟的倾倒变形破坏模式定性分析

【摘要】倾倒变形现象对越来越多的工程造成直接影响，甚至引发工程事故。在前人总结的倾倒变形体力学机制的基础上，新增外荷载因素导致的倾倒变形破坏的力学机制，并利用3DEC进行模拟论证。提出了“推覆式倾倒”和“牵引式倾倒”两种破坏模式，并针对不同的破坏模式选择适当的支护措施。

【关键词】倾倒变形；力学机制；推覆式倾倒；牵引式倾倒

1、引言

国内外诸多工程中，倾倒变形破坏对边坡和围岩的稳定性影响已经越来越受到人们的重视。由于倾倒变形是岩体在卸荷、地应力、外荷载、重力等诸多因素长期共同作用下形成的岩体的变形破坏，其成因机制复杂，影响程度重，使得倾倒变形已成为工程中需要重点考虑的问题。皖南山区的某高速公路施工期间，三个标段便发现有五处大规模的倾倒变形体[1]。黄登水电站、苗尾水电站、古水水电站等均遇到不同程度的倾倒变形现象。煤矿开采过程中，围岩倾倒变形破坏的现象也频繁遇到。研究倾倒变形体的变形破坏机制和破坏模式，有利于对倾倒变形体进一步发展进行有效控制，预防工程事故，提升工程效率。

2、力学机制

综合国内外研究现状，目前对倾倒变形体成因的力学机制解释主要有地质体作用、地应力作用、卸荷作用、重力作用[2]。其力学示意图如图1中（a）、（b）、（c）所示。上述因素均已有相关文献解释，此处不再赘述。

在我国西南的高山峡谷地区，倾倒变形体的主要因素还应包括外荷载作用。其力学示意图如图1中（d）所示。该地区的雪山经过气温的升降变化，山顶积雪融化形成的冰水堆积体直接覆盖在层状基岩之上。其冰碛物的运动时动力作用以及冰水堆积体向下运动趋势的静力作用，是形成倾倒变形体的主要因素。

外荷载作用是西南高山地区典型的倾倒变形成因。冰碛物的动力作用将沿坡面的下滑力传递至层状基岩的上部，同时，冰水堆积体在重力作用下向下运动的趋势也将下滑力传递给基岩。将层状基岩看作叠合悬臂梁，梁的自由端长期受顺坡向力导致叠合悬臂梁产生弯曲变形。当弯曲变形达到岩体的抗拉极限时，岩体将断裂，并将逐渐形成切层裂隙。切层裂隙贯穿时，边坡将发生塌落、滑坡等地质灾害。

以下通过3DEC模拟被冰水堆积物覆盖的边坡仅在重力作用下形成的倾倒变形破坏。对比图2中（a）为被冰水堆积体覆盖边坡，（b）为没有被冰水堆积体覆盖的边坡，（a）中边坡在循环14856步后，边坡的底部已经产生岩层的架空，而没有被冰水堆积体覆盖的边坡循环至18000步未见明显倾倒变形现象。可见一定厚度的冰水堆积体对倾倒变形的影响不容忽视。

3、破坏模式

研究倾倒变形的力学成因机制的基础上，定义倾倒变形体的破坏模式，有助于比选倾倒变形体的支护措施，使得理论与工程应用相结合。在一定数量的对比分析基础上，倾倒变形破坏主要有推覆式倾倒和牵引式倾倒。以下针对地质体作用、地应力作用、卸荷作用和外荷载作用等因素分析倾倒变形破坏的模式，在此只考虑反倾层状岩体边坡。

3.1 推覆式倾倒

地质体作用。在重力和地应力作用下，边坡后缘的块状硬质岩体向坡外蠕变，迫使反倾的层状岩体上部承受来自块状岩体压力，便产生向坡外的弯曲变形。随着块状岩体的进一步变形，岩体内部产生顺坡向的裂隙，使得块状岩体作用在层状岩体上的力逐渐增大，层状岩体的弯曲变形也进一步增加。这将促使后缘块状岩体继续产生卸荷变形，并将形成与层状岩体相同产状的一组平行裂隙，形成块状岩体的板裂化，加剧了倾倒变形的发展。随着层状岩体后缘上部承受推力越来越大，变形逐渐增加，后缘上部的层状岩体首先产生切层裂隙，并逐渐贯穿至边坡的前缘。如图3所示，表现为推覆式倾倒。

外荷载作用。冰碛物向下运动的动力直接或间接作用在层状岩体的上部，产生顺坡向推力，使层状岩体变形、破坏。覆盖于层状岩体之上的冰水堆积体，在重力作用下或受到后缘冰水堆积体的推力，具有向下运动的趋势。作用到基岩上表现为岩体上部的顺坡向的推力。由于诸多情况下边坡底部都沉积较厚的冰水堆积物，这对层状岩体是个很好的支撑作用。边坡的后缘上部岩体便首先形成切层裂隙并向下贯穿。如图2（a）所示，主要表现为推覆式倾倒。

3.2 牵引式倾倒

卸荷作用。边坡内应力在开挖卸荷后重新分布，边坡前缘底部的卸荷作用将生成向坡外的应力，称其为负向支撑力。在负向支撑力的作用下，层状岩体的上部首先发生弯曲变形，临近开挖面位置的岩体由于失去支撑，极易产生弯曲折变形，形成切层裂隙并逐渐向边坡的后缘上部贯穿。如图4所示，主要表现为牵引式倾倒。

在煤矿开采、隧道开挖等地下空间的开拓过程中，释放了岩体底部的应力，高地应力地区层状岩体将出现明显的倾倒变形，底部首先弯曲变形，并形成切层裂隙，逐渐向基岩内部延伸[3]。主要表现为牵引式倾倒。

地应力作用。应力场的复杂性并需要综合考虑边坡的形态，地应力作用下的边坡的倾倒变形不能确定其破坏模式。

4、支护措施

针对不同破坏模式的倾倒变形体，应采取不同的支护措施才能有效而经济。

推覆式倾倒要对边坡后缘和坡面的岩体和堆积体进行减载，减小顺坡向的推力。同时可考虑锚固后缘的板裂化的块状岩体。清除坡面已发生极强倾倒的岩体，避免其在外力作用下下滑造成事故。

牵引式倾倒的支护主要对人工开挖或者自然形成的卸荷区及时进行锚固支护，以抵消或较大程度减小负向支撑力。

为了防止静水压力作用下的倾倒变形。同时地下水的作用，也会使岩体的强度发生变化。因此，不论是推覆式倾倒还是牵引式倾倒，倾倒变形体边坡都应增加截排水措施。

5、结论

（1）倾倒变形体的形成除了地质体作用、卸荷作用、地应力作用、重力等因素外，还应包括外荷载作用，并且外荷载作用是倾倒变形体形成的主要因素之一。

（2）倾倒变形的破坏模式可分为推覆式倾倒和牵引式倾倒。以地质体作用、外荷载作用为主形成的倾倒变形体主要表现为推覆式倾倒，以坡底卸荷作用及地下空间开拓为主形成的倾倒变形主要表现为牵引式倾倒。

（3）针对不同的倾倒变形破坏模式应采取不同的支护措施才会有效而经济。