反傾邊坡風(fēng)化作用數(shù)值模擬研究

汪剛,高文號(hào),劉鵬

摘 要：自然中環(huán)境巖體受太陽(yáng)輻射和降雨等因素。溫度、濕度和氧氣的變化使得巖體內(nèi)部發(fā)生變化，巖體質(zhì)量逐漸變差，巖體強(qiáng)度參數(shù)逐漸降低。因自然環(huán)境中的風(fēng)化作用因素較多，如何對(duì)巖體的風(fēng)化程度進(jìn)行定量評(píng)價(jià)成了邊坡研究中的難題。本文通過不同風(fēng)化程度巖體參數(shù)的折減規(guī)律，采用數(shù)值分析方案，研究風(fēng)化作用下反傾層狀邊坡的變形破壞規(guī)律和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：片巖;反傾向邊坡;數(shù)值模擬;風(fēng)化作用

0 引言

巖質(zhì)邊坡中結(jié)構(gòu)面對(duì)邊坡的變形破壞起控制作用，巖體內(nèi)部發(fā)育節(jié)理裂隙越密集，風(fēng)化作用對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響較大[1-2]。在開挖卸荷作用下，巖體風(fēng)化作用較為明顯，一方面加速了內(nèi)部的節(jié)理裂隙，另一方面長(zhǎng)期淋濾作用削弱巖體力學(xué)性質(zhì)。反傾向邊坡的破壞形式為表層巖體風(fēng)化剝蝕，巖體發(fā)生彎曲—折斷破壞。本文通過數(shù)值分析方法研究風(fēng)化過程中邊坡的應(yīng)力—應(yīng)變發(fā)展過程，研究風(fēng)化作用對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響。

1 風(fēng)化參數(shù)研究

根據(jù)片巖的物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，不同風(fēng)化程度巖層的強(qiáng)度參數(shù)如表1所示。

邊坡風(fēng)化層力學(xué)參數(shù)根據(jù)風(fēng)化層厚度呈逐步漸變，根據(jù)巖體參數(shù)隨深度變化的波茲曼函數(shù)公式，對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，則風(fēng)化層內(nèi)巖體強(qiáng)度參數(shù)隨深度變化曲線如圖1所示。

2 巖質(zhì)邊坡風(fēng)化作用研究

2.1 邊坡模型的建立

邊坡巖層產(chǎn)狀為反傾向70°，巖層厚8 m，巖體內(nèi)發(fā)育一組傾角為20°反向節(jié)理，在新鮮巖層中節(jié)理間距為8 m，中風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化層中間距為6 m，強(qiáng)風(fēng)化層還發(fā)育一組傾角為8°作用近水平向節(jié)理，節(jié)理間距約2 m。根據(jù)風(fēng)化層厚度將風(fēng)化過程分為四個(gè)階段，風(fēng)化層厚度為2 m、4 m、6 m、8 m，分別賦予風(fēng)化層的強(qiáng)度參數(shù)。

2.2 邊坡風(fēng)化過程中的位移場(chǎng)

風(fēng)化過程中各階段的變形如圖2所示。邊坡表層的風(fēng)化層較薄，坡腳處受力較大，坡腳處變形較大。隨著風(fēng)化作用持續(xù)，變形區(qū)逐步向深部和上部發(fā)展，風(fēng)化層發(fā)展到一定厚度，坡腳發(fā)生表層巖體剝落。坡腳處的剝落和垮塌，牽引上部巖體變形，當(dāng)變形發(fā)展到一定程度，邊坡沿著風(fēng)化分界線發(fā)生折斷垮塌。

（a）d=2 m階段

（b）d=4 m階段

（c）d=6 m階段

（d）d=8 m階段

2.3 邊坡風(fēng)化過程中穩(wěn)定性

2.3.1 風(fēng)化過程中邊坡破壞區(qū)發(fā)展

（a）d=2 m階段

（b）d=4 m階段

（c）d=6 m階段

（d）d=8 m階段

根據(jù)邊坡的破壞區(qū)分布如圖3所示，風(fēng)化初始階段，坡腳處因應(yīng)力集中導(dǎo)致部分巖體處于屈服狀態(tài)，塑性屈服區(qū)較小，邊坡穩(wěn)定性較好。當(dāng)邊坡風(fēng)化層發(fā)展到一定厚度，塑性破壞區(qū)沿風(fēng)化界面向上發(fā)展如圖3所示，當(dāng)風(fēng)化層發(fā)展到8 m時(shí)，邊坡塑性破壞區(qū)基本處于貫通狀態(tài)，巖體間出現(xiàn)位移松動(dòng)。在自然環(huán)境和人工擾動(dòng)作用下，邊坡會(huì)沿風(fēng)化分界面發(fā)生垮塌。

2.3.2 風(fēng)化過程中邊坡穩(wěn)定性系數(shù)

邊坡穩(wěn)定性系數(shù)是衡量邊坡穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo)，采用強(qiáng)度折減法對(duì)不同風(fēng)化進(jìn)程邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性系數(shù)，主要折減結(jié)構(gòu)面和巖體的粘聚力、內(nèi)摩擦角、抗拉強(qiáng)度參數(shù)。計(jì)算結(jié)果顯示風(fēng)化過程中四階段穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.57、1.34、1.11、1.08，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨著風(fēng)化層加厚逐漸降低，當(dāng)邊坡風(fēng)化層達(dá)到8 m時(shí)，邊坡穩(wěn)定性最低，邊坡會(huì)沿風(fēng)化界面發(fā)生彎曲—折斷—傾倒破壞。

3 結(jié)論

（1）巖體風(fēng)化過程中，邊坡巖體力學(xué)參數(shù)采用波茲曼模型對(duì)其進(jìn)行擬合是可行的;（2）邊坡的風(fēng)化程度隨著風(fēng)化層的厚度增加，巖體的物理力學(xué)參數(shù)折減系數(shù)也是逐步降低的，風(fēng)化層越厚折減系數(shù)的折減幅度越低;（3）隨著風(fēng)化層厚度和風(fēng)化程度的增加，邊坡的屈服變形也是逐步加劇，巖體的屈服是從邊坡底部向上逐步發(fā)展的，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)隨著屈服程度的增加逐步降低。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙華，李文龍，衛(wèi)俊杰，等.反傾邊坡傾倒變形演化過程的模型試驗(yàn)研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2018（3）：749-757.

[2]顏廷舟，段謨東，歐顏雨馨，等.反傾片巖質(zhì)邊坡破壞模式研究[J].路基工程，2018（5）：49-54.