基于UDEC的某山區(qū)公路的危巖體成因機(jī)理研究

董 磊 張廣甫 李福壯 郝 鵬

（1.西藏自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)大隊(duì) 拉薩 850000 2.鄭州中核巖土工程有限公司 鄭州 450008 3.華北水利水電大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 河南鄭州 450045）

危巖是指由多組巖體結(jié)構(gòu)面切割并位于陡崖或陡坡上穩(wěn)定性較差的巖石塊體及組合[1]。

我國是一個(gè)多山的國家，在山區(qū)修建公路、鐵路等線狀工程往往需要進(jìn)行不同程度的切坡工程，這就形成不同高度的路塹邊坡[2]。路塹邊坡在后期風(fēng)化卸荷、降雨、地震等作用下，容易發(fā)生滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，這類地質(zhì)災(zāi)害的特點(diǎn)是事發(fā)點(diǎn)多、覆蓋面廣、路線長，在后期往往要耗費(fèi)大量的人力財(cái)力進(jìn)行治理，但是治理效果一般。危巖體失穩(wěn)是瞬間行為，危巖失穩(wěn)后在重力的作用下突然下落，這就形成崩塌。由于危巖體孕育過程的漸進(jìn)性、失穩(wěn)的突變性和存在的隱蔽性，危巖體的失穩(wěn)往往造成較大的破壞性。對(duì)危巖體進(jìn)行成因機(jī)理研究對(duì)后期危巖體的治理方式選擇具有指導(dǎo)意義[3]。本文以S233斗武線山區(qū)段某典型危巖體為研究對(duì)象，對(duì)其成因機(jī)理進(jìn)行研究。

1 危巖體的坡體結(jié)構(gòu)特征

危巖體所在斜坡走向N12°W，坡面近直立，坡腳由于開挖形成倒坡。地層巖性主要為厚層狀泥灰?guī)r，地層產(chǎn)狀80°∠6°。該路段發(fā)育一組區(qū)域性節(jié)理（走向340°，近垂直），節(jié)理密度13個(gè)/m。坡面因節(jié)理裂隙切割及風(fēng)化溶蝕作用，在該段形成一大型凹腔，凹腔長約18m，高約28m。

2 危巖體的變形破壞特征

危巖底部高程：687.4m，頂部高程：691.4m，坡腳高程672.0m。危巖體長約2.1m，高約4.0m，厚度約1.2m，體積約9.0m3。危巖體后緣裂隙已貫通，后緣裂隙產(chǎn)狀78°∠86°，裂隙寬度3～5cm。危巖體頂部為層面位置，危巖體的穩(wěn)定性主要受頂部巖體的抗拉強(qiáng)度控制，當(dāng)頂部抗拉能力小于危巖體的質(zhì)量時(shí)，危巖體會(huì)發(fā)生失穩(wěn)墜落，如圖2所示。

圖1 危巖體所在坡體現(xiàn)狀

3 危巖體的成因類型

國內(nèi)外對(duì)危巖體的成因類型分類上，對(duì)于不同的側(cè)重點(diǎn)（規(guī)模、破壞模式、巖體結(jié)構(gòu)、失穩(wěn)力學(xué)機(jī)理等），有不同的分類方法[4～7]。現(xiàn)階段，國內(nèi)對(duì)危巖體穩(wěn)定性進(jìn)行定量計(jì)算[8～15]，比較成熟的計(jì)算公式是采用危巖體的破壞模式進(jìn)行分類的，將危巖體分為傾倒式、墜落式、滑移式。若要后期對(duì)危巖體進(jìn)行分析研究就必須從危巖體的破壞模式方面出發(fā)。破壞模式的確定才能為危巖體后期的穩(wěn)定性分析、治理措施奠定基礎(chǔ)。根據(jù)野外勘查結(jié)果，將該危巖體定名為墜落式，若加以失穩(wěn)時(shí)的力學(xué)機(jī)理將該危巖體定名為拉裂墜落式危巖體，該危巖體的典型示意模型如圖3所示。此類危巖體在重力、孔隙水壓力、地震力的作用下，危巖體頂部受拉力作用，當(dāng)重力大于頂面的抗拉強(qiáng)度時(shí)，危巖體頂面會(huì)迅速破壞，形成崩塌。

4 危巖體的數(shù)值模型建立及模擬結(jié)果分析

根據(jù)野外剖面測量，危巖體剖面如圖4所示，將危巖體剖面轉(zhuǎn)化為UDEC模型，如圖5所示。所需要的材料參數(shù)如下：巖石塊體參數(shù)：危巖體密度 d=2780kg/m3；體積模量 k=2.8×109Pa；剪切模量 G=1.5×109Pa；泊松比μ=0.25；黏聚力 C=2.1×105Pa；內(nèi)摩擦角 φ=35°。結(jié)構(gòu)面參數(shù)：層面：黏聚力c=1.7×105Pa；內(nèi)摩擦角 φ=30°。

圖2 危巖體現(xiàn)狀

圖3 拉剪墜落型危巖體示意圖

圖4 危巖體典型剖面

圖5 危巖體UDEC模型

圖6 3000時(shí)步剪應(yīng)力云圖

圖7 3000時(shí)步最大主應(yīng)力云圖

圖8 7813時(shí)步剪應(yīng)力云圖

圖9 7813時(shí)步最大主應(yīng)力云圖

本模型主要是模擬危巖體的成因機(jī)理及破壞模式，故只對(duì)危巖體附近區(qū)域進(jìn)行分析。從圖6模型剪應(yīng)力云圖可知，在3000時(shí)步時(shí)，貫通段與層面交匯點(diǎn)處顯示有應(yīng)力集中現(xiàn)象，受剪切力作用，剪應(yīng)力最大值可達(dá)0.3MPa。從圖7最大主應(yīng)力云圖可知，危巖體頂部層面位置顯示張拉應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大值可達(dá)0.2MPa。

從圖8模型剪應(yīng)力云圖可知，在7813時(shí)步時(shí)，貫通段與層面交匯點(diǎn)處顯示有應(yīng)力集中現(xiàn)象，受剪切力作用，剪應(yīng)力集中區(qū)面積較3000時(shí)步減小，剪應(yīng)力最大值可達(dá)0.2MPa。從圖8最大主應(yīng)力云圖可知，危巖體頂部層面位置顯示張拉應(yīng)力集中現(xiàn)象，較3000時(shí)步，集中區(qū)域面積減小，最大值可達(dá)0.2MPa。

綜上所述，危巖體頂部層面位置出現(xiàn)張拉應(yīng)力集中現(xiàn)象，危巖體的穩(wěn)定性主要受頂部巖體的抗拉強(qiáng)度控制，這與將危巖體的成因類型定名拉裂墜落型是一致的，7813時(shí)步模型響應(yīng)終止，此時(shí)危巖體處于穩(wěn)定狀態(tài)與危巖體野外調(diào)查結(jié)果是一致的。

5 結(jié)論

本文利用數(shù)值模擬分析的方法研究危巖體的成因機(jī)理，對(duì)野外判定的危巖體破壞模式進(jìn)行驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

（1）危巖體破壞模式判定對(duì)危巖體的穩(wěn)定性計(jì)算評(píng)價(jià)及治理方案的選擇具有決定性意義，直接決定治理效果的有效性。通過對(duì)危巖體成因機(jī)理研究，確定危巖體的破壞模式，能夠更加有效的選擇危巖體的治理方案。

（2）工程實(shí)例中依據(jù)危巖體的數(shù)值模擬分析結(jié)果定名與野外判定結(jié)果基本一致。穩(wěn)定性也與野外調(diào)查結(jié)果一致，天然狀態(tài)下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。