李 勇，陳瑋龍，許方黨，周春梅

(武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,湖北 武漢 430070)

花崗巖中普遍發(fā)育著球狀風(fēng)化體(風(fēng)化孤石)，球狀風(fēng)化體的形成受原生節(jié)理及風(fēng)化作用的控制，常呈橢球狀或不規(guī)則球狀。粒徑大小不一的風(fēng)化球體易受外界因素的擾動(dòng)，形成高空落石或坡面滾石，堅(jiān)硬的風(fēng)化球體與殘積土或全風(fēng)化巖混雜的斜坡受降雨或開挖的影響易產(chǎn)生崩塌和滑坡，形成復(fù)雜的斜坡地質(zhì)災(zāi)害[1]。

花崗巖球狀風(fēng)化體具有分布不確定性、埋藏邊界的隱蔽性等特點(diǎn)，目前學(xué)者們對(duì)含塊石的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了一系列研究。如：張森等[2]提出了運(yùn)用離散元數(shù)值模型隨機(jī)生成技術(shù)(PFC2D)生成土石混合體邊坡數(shù)值模型，并運(yùn)用強(qiáng)度折減法(ABAQUS)開展了塊石含量對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的數(shù)值分析；劉順青等[3]利用MATLAB隨機(jī)生成了含石率從10%～60%的土石混合體邊坡數(shù)值模型，每種含石率均考慮8種不同的塊石分布位置，并采用有限元極限分析法對(duì)土石混合體邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值分析；劉曉華等[4]利用MATLAB建立了球狀風(fēng)化體花崗巖邊坡數(shù)值模型，采用DISTMESH2D對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并基于FLAC3D對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析;鐘宇等[5]利用自主研制的電火花震源等探測系統(tǒng)和地質(zhì)專家分析法，揭示了探測區(qū)域球狀風(fēng)化體的空間分布規(guī)律；嚴(yán)穎等[6]利用離散元軟件，研究了塊石含量和空間分布對(duì)土石混合體抗剪強(qiáng)度的影響；李建強(qiáng)等[7]采用地表調(diào)繪、鉆探、物探三種手段， 從不同角度對(duì)花崗巖球狀風(fēng)化的地表分布特征和地下分布特征進(jìn)行了研究， 并進(jìn)行了綜合對(duì)比分析；林鎮(zhèn)等[8]利用工程地質(zhì)分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了球狀風(fēng)化體花崗巖邊坡滾石的運(yùn)動(dòng)軌跡、停滯概率和沖擊特性等成災(zāi)規(guī)律，并模擬分析了坡形坡率優(yōu)化、平臺(tái)緩沖介質(zhì)和滾石攔擋措施的減災(zāi)機(jī)理和工程效果；黃恒儒[9]對(duì)花崗巖球狀風(fēng)化體的形成機(jī)制以及盾構(gòu)穿越球狀風(fēng)化體群產(chǎn)生的地面沉降、姿態(tài)控制、設(shè)備安全的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了研究；董榮[10]研究了花崗巖球狀風(fēng)化體的形成機(jī)理，認(rèn)為花崗巖球狀風(fēng)化是親水礦物吸水及失水造成的膨脹收縮的結(jié)果；李新峰等[11]通過對(duì)云南臨滄特殊風(fēng)化花崗巖建壩實(shí)踐和資料進(jìn)行分析，提出了壩基設(shè)計(jì)所需的關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)；黃獻(xiàn)文等[12]利用MIDAS GTS分析得出不同的較大塊石分布位置對(duì)土石混合體邊坡穩(wěn)定性的影響較大；Cao等[13]研究了基于干濕循環(huán)條件下鹽濃度對(duì)花崗巖風(fēng)化程度的影響；Qi等[14]通過物理模型試驗(yàn)，研究了降雨入滲條件下全風(fēng)化花崗巖邊坡的響應(yīng)規(guī)律；李凱等[15]通過物理力學(xué)試驗(yàn),研究了飽和度對(duì)濕熱地區(qū)風(fēng)化花崗巖雙層土質(zhì)邊坡抗剪強(qiáng)度的影響；盧有謙等[16]以不同風(fēng)化程度的花崗巖雙層土質(zhì)邊坡土體為研究對(duì)象,利用壓力板法和飽和鹽溶液蒸汽平衡法,研究了在全吸力范圍內(nèi)壓實(shí)樣的持水特性；李杰林等[17]通過凍融循環(huán)試驗(yàn)，研究了風(fēng)化巖石在凍融循環(huán)作用下物理特性的變化規(guī)律。

綜上所述，目前有關(guān)花崗巖球狀風(fēng)化體的研究進(jìn)展較快，但針對(duì)球狀風(fēng)化體的存在對(duì)混合花崗巖邊坡穩(wěn)定性的影響未做系統(tǒng)的研究。為此，本文依托云南省墨江至臨滄公路SJ-4土建20標(biāo)段擬修建的工程實(shí)例，針對(duì)球狀風(fēng)化體對(duì)混合花崗巖邊坡穩(wěn)定性的影響做詳細(xì)研究。首先通過MATLAB平臺(tái)建立隨機(jī)場，并將MATLAB數(shù)據(jù)導(dǎo)入到CAD，再導(dǎo)入到GeoStudio數(shù)值模擬軟件，以此來建模；然后通過調(diào)整土體參數(shù)來模擬球狀風(fēng)化體混合花崗巖邊坡，從而進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，并研究球狀風(fēng)化體的含量、直徑和位置對(duì)混合花崗巖邊坡穩(wěn)定性的影響，以為球狀風(fēng)化體混合花崗巖邊坡設(shè)計(jì)與施工提供參考依據(jù)。

1 工程背景

擬修建公路工程位于云南省墨江至臨滄公路SJ-4土建20標(biāo)段，擬建路線右K248+495～右K248+800.86段地形起伏較大，設(shè)計(jì)擬以深挖路塹形式通過。該深挖路段總長為305.86 m，中心最大挖方高度約21.16 m，該深挖路塹段施工開挖后，將在右側(cè)形成高約62.31 m的巖土質(zhì)邊坡，該邊坡坡比按1∶0.75～1∶1.00選用，8～10 m分臺(tái)，平臺(tái)寬2 m。該邊坡巖土體巖性為粉質(zhì)黏土及全風(fēng)化花崗巖，全風(fēng)化花崗巖呈砂土狀散體結(jié)構(gòu)，遇水易崩解，加之球狀風(fēng)化體的存在易形成落石及崩塌，邊坡穩(wěn)定性較差，屬不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。該邊坡開挖橫斷面和縱剖面示意圖如圖1和圖2所示。

圖1 K248+640標(biāo)段球狀風(fēng)化體混合花崗巖邊坡橫 斷面示意圖

圖2 K248+640標(biāo)段球狀風(fēng)化體混合花崗巖邊坡縱 剖面示意圖

根據(jù)云南省墨江至臨滄公路地質(zhì)調(diào)查、鉆孔揭露和瞬變電磁法測試結(jié)果可知，挖方路塹段水文地質(zhì)條件較簡單，地下水水位埋深較深，對(duì)挖方路塹段的影響較小，因此在本次深挖段邊坡穩(wěn)定性計(jì)算分析中，未考慮地下水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

根據(jù)勘察和物探測試結(jié)果以及邊坡開挖后揭露情況，本文在邊坡穩(wěn)定性分析中，考慮全風(fēng)化花崗巖中裹有直徑約2 m左右的球狀風(fēng)化體(稱之為混合花崗巖)，球狀風(fēng)化體面積占斜坡截面積的5%～40%(按5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%和40%分別計(jì)算，視作球狀風(fēng)化體含量)，埋置深度隨機(jī)分布。

2 球狀風(fēng)化體混合花崗巖邊坡數(shù)值模型構(gòu)建

2. 1 隨機(jī)場理論引入數(shù)值模型

花崗巖中普遍發(fā)育球狀風(fēng)化體(即風(fēng)化孤石),孤石分布具有不均勻、離散性強(qiáng)的特點(diǎn)，因此引入隨機(jī)場理論模擬孤石的實(shí)際分布情況。特殊區(qū)域的孤石分布規(guī)律具有相似性，因此該結(jié)論可為具有相似條件的地區(qū)提供參考。對(duì)于目標(biāo)段K248，要考慮風(fēng)化層中裹有直徑約為2 m左右的球狀風(fēng)化體，基于MATLAB平臺(tái)，用直徑為2 m的圓來近似模擬球狀風(fēng)化體。對(duì)于此邊坡，取其深挖工程地質(zhì)斷面圖進(jìn)行二維分析。簡化邊坡面為一條直線，坡高為78.0 m，靠近公路邊坡高為15.8 m，長為62.3 m，坡度近似為45°，以這個(gè)梯形近似模擬該擬建公路項(xiàng)目的邊坡。利用MATLAB平臺(tái)在此梯形內(nèi)設(shè)立隨機(jī)圓，圓的面積分別占梯形總面積的5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%和40%(即球狀風(fēng)化體含量)，以此來模擬球狀風(fēng)化體在邊坡體中的隨機(jī)分布?；贛ATLAB平臺(tái)作出的球狀風(fēng)化體隨機(jī)分布圖(以球狀風(fēng)化體含量10%為例)，見圖3。

圖3 球狀風(fēng)化體隨機(jī)分布圖(球狀風(fēng)化體含量為10%)

本文將針對(duì)花崗巖球狀風(fēng)化這一特殊的邊坡穩(wěn)定性問題，先利用隨機(jī)場理論，基于MATLAB平臺(tái)，生成球狀風(fēng)化體在混合花崗巖邊坡內(nèi)的隨機(jī)分布場；然后將MATLAB數(shù)據(jù)導(dǎo)入到CAD，再導(dǎo)入到GeoStudio數(shù)值模擬軟件，以此來建模；最后通過調(diào)整土體參數(shù)來模擬混合花崗巖邊坡，從而進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析。

2. 2 球狀風(fēng)化體混合花崗巖邊坡數(shù)值模型構(gòu)建

根據(jù)當(dāng)?shù)鼗聰?shù)據(jù)并結(jié)合文獻(xiàn)[11]可知，該地區(qū)滑動(dòng)面深度平均在20～30 m之間，因此結(jié)合已獲取的球狀風(fēng)化體分布隨機(jī)場模型，本文構(gòu)建了兩個(gè)不同的球狀風(fēng)化體混合花崗巖邊坡數(shù)值模型：球狀風(fēng)化體僅分布在最危險(xiǎn)滑動(dòng)面以上的混合花崗巖邊坡數(shù)值模型[見圖4(a)];在此基礎(chǔ)上最危險(xiǎn)滑動(dòng)面以下隨機(jī)分布球狀風(fēng)化體的混合花崗巖邊坡數(shù)值模型[見圖4(b)]。構(gòu)建這兩個(gè)邊坡數(shù)值模型的目的是研究球狀風(fēng)化體對(duì)混合花崗巖邊坡穩(wěn)定性的影響，以及球狀風(fēng)化體的分布對(duì)混合花崗巖邊坡穩(wěn)定性的影響。

圖4 球狀風(fēng)化體混合花崗巖邊坡數(shù)值模型

根據(jù)勘察報(bào)告給出的材料參數(shù)，并結(jié)合試驗(yàn)及現(xiàn)場勘探，獲得用于數(shù)值計(jì)算的球狀風(fēng)化體混合花崗巖邊坡巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，如表1所示。

表1 球狀風(fēng)化體混合花崗巖邊坡巖土體物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

通過以上兩個(gè)不同的球狀風(fēng)化體混合花崗巖邊坡數(shù)值模型得到的邊坡位移圖，如圖5所示。

圖5 球狀風(fēng)化體混合花崗巖邊坡位移圖

由圖5可以看出：當(dāng)有球狀風(fēng)化體分布在混合花崗巖邊坡中時(shí)，邊坡的位移曲線并不是圓弧狀，而是會(huì)繞開球狀風(fēng)化體，呈現(xiàn)出明顯的繞石效應(yīng)；當(dāng)滑動(dòng)面發(fā)生在邊坡的中下緣，且當(dāng)整體球狀風(fēng)化體含量提高時(shí)，滑動(dòng)面位置會(huì)因?yàn)橹亓ψ饔孟蜻吰孪虏科?；?dāng)球狀風(fēng)化體含量繼續(xù)提高時(shí)，球狀風(fēng)化體會(huì)逐漸取代土體的骨架作用，趨向于巖質(zhì)邊坡，因此邊坡的最大位移變小。

通過數(shù)值計(jì)算后兩個(gè)不同混合花崗巖邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)如下：僅最危險(xiǎn)滑動(dòng)面以上分布球狀風(fēng)化體混合花崗巖邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.17；隨機(jī)分布球狀風(fēng)化體混合花崗巖邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.17。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)最危險(xiǎn)滑動(dòng)面以下增加球狀風(fēng)化體時(shí)，對(duì)混合花崗巖邊坡整體穩(wěn)定性的影響很小。因此在接下來的建模中，將忽略最危險(xiǎn)滑動(dòng)面以下球狀風(fēng)化體對(duì)混合花崗巖邊坡穩(wěn)定性的影響，僅考慮最危險(xiǎn)滑動(dòng)面以上球狀風(fēng)化體對(duì)混合花崗巖邊坡穩(wěn)定性的影響。

3 球狀風(fēng)化體混合花崗巖邊坡穩(wěn)定性分析

本文選用GeoStudio軟件中的SLOPE/W模塊(邊坡穩(wěn)定分析模塊)和SIGMA/W模塊(巖土應(yīng)力變形分析模塊)對(duì)球狀風(fēng)化體混合花崗巖邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并運(yùn)用經(jīng)典土力學(xué)理論極限平衡法研究邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律。

3. 1 球狀風(fēng)化體含量對(duì)混合花崗巖邊坡穩(wěn)定性的影響

在球狀風(fēng)化體混合花崗巖邊坡中，球狀風(fēng)化體含量(PR)的多少可能會(huì)影響邊坡的穩(wěn)定性。根據(jù)上一節(jié)的結(jié)論，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面以下的球狀風(fēng)化體對(duì)混合花崗巖邊坡穩(wěn)定性的影響較小，且平均風(fēng)化深度在30 m以內(nèi)，因此本文的建模均僅考慮風(fēng)化層厚度為30 m以內(nèi)的球狀風(fēng)化體。根據(jù)勘察報(bào)告可知，該地區(qū)球狀風(fēng)化體含量在30%以內(nèi)，故在建模分析時(shí)本文考慮球狀風(fēng)化體含量最高為40%，以探索球狀風(fēng)化體含量對(duì)混合花崗巖邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律。本文考慮球狀風(fēng)化體含量PR分別為0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%和40%時(shí)，通過計(jì)算球狀風(fēng)化體混合花崗巖邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)FS，并搜索最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，從而得到不同球狀風(fēng)化體含量下混合花崗巖邊坡內(nèi)部巖土體抗剪強(qiáng)度和穩(wěn)定性系數(shù)及其穩(wěn)定性變化規(guī)律，見圖6至圖8。

圖6 不同球狀風(fēng)化體含量(PR)下混合花崗巖邊坡 內(nèi)部巖土體的抗剪強(qiáng)度

由圖6至圖8可以看出：隨著球狀風(fēng)化體含量的增加，混合花崗巖邊坡內(nèi)部巖土體的抗剪強(qiáng)度和穩(wěn)定性系數(shù)(即安全系數(shù)FS)發(fā)生了很大的變化，具體分析如下:

(1) 對(duì)于該混合花崗巖邊坡巖土體的抗剪強(qiáng)度，沿著水平方向均呈拋物線型，即邊坡巖土體抗剪強(qiáng)度先增加后減少，隨著球狀風(fēng)化體含量的增加，其滑動(dòng)面處巖土體抗剪強(qiáng)度不斷增加，巖土體最大抗剪強(qiáng)度出現(xiàn)在邊坡中間60～70 m部位；隨著球狀風(fēng)化體含量由0%變化到30%，邊坡巖土體最大抗剪強(qiáng)度由180 kPa變化為400 kPa(見圖6)。這是因?yàn)樵谇驙铒L(fēng)化體含量較低時(shí)，球狀風(fēng)化體在整個(gè)巖土結(jié)構(gòu)中是懸浮狀態(tài)，其整體結(jié)構(gòu)仍可認(rèn)為是土質(zhì)邊坡；隨著球狀風(fēng)化體含量不斷提升，球狀風(fēng)化體在巖土結(jié)構(gòu)中所占比重越來越大，逐漸成為整個(gè)邊坡的骨架，此時(shí)呈現(xiàn)的狀態(tài)類似于巖質(zhì)邊坡，因此其抗剪強(qiáng)度在不斷提高。邊坡巖土體抗剪強(qiáng)度的突變現(xiàn)象，是由于在極限平衡法的條分過程中，條塊底部，也就是與滑動(dòng)面接觸的部分穿過了球狀風(fēng)化體，而球狀風(fēng)化體的抗剪強(qiáng)度是很高的，類似于巖質(zhì)結(jié)構(gòu)，因此在圖6(b)中會(huì)存在邊坡巖土體抗剪強(qiáng)度突變現(xiàn)象。該觀點(diǎn)與文獻(xiàn)[6]觀點(diǎn)一致。

(2) 隨著球狀風(fēng)化體含量(0%～40%之間)的增加，混合花崗巖邊坡的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面位置越來越往深部發(fā)展，同時(shí)邊坡的穩(wěn)定性逐漸增大(見圖7)。這是因?yàn)殡S著球狀風(fēng)化體含量的增加，球狀風(fēng)化體構(gòu)成了混合花崗巖邊坡內(nèi)部的受力骨架，提高了邊坡巖土體整體的抗剪強(qiáng)度，邊坡的穩(wěn)定性提高。

(3) 將混合花崗巖邊坡穩(wěn)定性系數(shù)(FS)與球狀風(fēng)化體含量(PR)進(jìn)行分段線性擬合，有：

圖7 不同球狀風(fēng)化體含量(PR)下混合花崗巖邊坡 的穩(wěn)定性系數(shù)(FS)和最危險(xiǎn)滑動(dòng)面位置

圖8 不同球狀風(fēng)化體含量(PR)下混合花崗巖邊坡 穩(wěn)定性的變化規(guī)律

(1)

對(duì)于該混合花崗巖邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)FS，當(dāng)球狀風(fēng)化體含量在5%以內(nèi)時(shí)，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)基本不變；當(dāng)球狀風(fēng)化體含量在5%～20%之間時(shí)，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)呈快速增加的趨勢(shì)；當(dāng)球狀風(fēng)化體含量超過20%時(shí)，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)呈緩慢增加趨勢(shì)(見圖8)。

3.2 球狀風(fēng)化體直徑對(duì)混合花崗巖邊坡穩(wěn)定性的影響

由于球狀風(fēng)化體直徑(D)大小不同，故本文考慮了球狀風(fēng)化體直徑可能對(duì)混合花崗巖邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。結(jié)合地勘報(bào)告可知，該地區(qū)球狀風(fēng)化體直徑在2 m左右，因此在控制球狀風(fēng)化體含量一定的情況下(球狀風(fēng)化體含量為滑動(dòng)面以上土體總面積的15%)，本文選取D分別為1.4 m、1.7 m、2.2 m、3.0 m和3.8 m的球狀風(fēng)化體對(duì)混合花崗巖邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析研究。建立的邊坡穩(wěn)定性分析模型如圖9所示,邊坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)面位置變化如圖10所示，計(jì)算出的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)如表2所示。

圖9 不同球狀風(fēng)化體直徑(D)下混合花崗巖邊坡的穩(wěn) 定性分析模型

圖10 不同球狀風(fēng)化體直徑(D)下混合花崗巖邊坡的 最危險(xiǎn)滑動(dòng)面位置

由圖10可知：當(dāng)球狀風(fēng)化體直徑逐漸變大時(shí)，混合花崗巖邊坡的滑動(dòng)面深度是先變深后變淺，這是由于當(dāng)球狀風(fēng)化體直徑較小且球狀風(fēng)化體含量并不高時(shí)，整個(gè)邊坡仍屬于土質(zhì)邊坡，因此滑動(dòng)面仍為土質(zhì)邊坡的滑動(dòng)面；隨著球狀風(fēng)化體直徑的增大，存在球狀風(fēng)化體部分的土體與球狀風(fēng)化體有足夠的咬合力形成一個(gè)整體，整個(gè)邊坡呈現(xiàn)一部分巖質(zhì)邊坡的特性，因此滑動(dòng)面深度加大；當(dāng)球狀風(fēng)化體直徑繼續(xù)增大時(shí)，由于其直徑過大，這時(shí)的球狀風(fēng)化體又成為一個(gè)孤立的塊體，邊坡又以土體為骨架結(jié)構(gòu)，因此滑動(dòng)面逐漸變小。

由表2可知，當(dāng)球狀風(fēng)化體直徑逐漸變大時(shí)，混合花崗巖邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)逐漸減小。因此，對(duì)于大直徑球狀風(fēng)化體，可能會(huì)對(duì)混合花崗巖邊坡造成不利的影響，尤其是邊坡表層有球狀風(fēng)化體，且存在開挖或降雨因素時(shí)，易形成落石及崩塌，屬不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測和防范。但需要注意的是，本文在此僅考慮了球狀風(fēng)化體直徑的影響，未考慮球狀風(fēng)化體位置的影響，通過計(jì)算可知，當(dāng)大直徑球狀風(fēng)化體集中在混合花崗巖邊坡下部時(shí)，邊坡穩(wěn)定性會(huì)有提高，因此有必要對(duì)球狀風(fēng)化體位置對(duì)混合花崗巖邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行討論。

表2 不同球狀風(fēng)化體直徑(D)下混合花崗巖邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)(FS)

3.3 球狀風(fēng)化體位置對(duì)混合花崗巖邊坡穩(wěn)定性的影響

在控制球狀風(fēng)化體含量和直徑一定的情況下，本文分別研究了當(dāng)球狀風(fēng)化體分布在混合花崗巖邊坡上、中、下部以及分布在邊坡淺層和深層時(shí)邊坡的穩(wěn)定性變化規(guī)律。故本文選取直徑為2.2 m的球狀風(fēng)化體，建立的邊坡穩(wěn)定性分析模型如圖11所示，計(jì)算出的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)如表3所示。

圖11 不同球狀風(fēng)化體位置下混合花崗巖邊坡的穩(wěn) 定性分析模型

表3 不同球狀風(fēng)化體位置下混合花崗巖邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)(FS)

由表3可知：當(dāng)球狀風(fēng)化體分布在混合花崗巖邊坡的上部時(shí)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)最小，分布在混合花崗巖邊坡的中部時(shí)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)次之，當(dāng)球狀風(fēng)化體分布在混合花崗巖邊坡的下部時(shí)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)最大。這是由于壓腳作用越來越明顯，高密度和高強(qiáng)度的球狀風(fēng)化體，使得混合花崗巖邊坡的抗滑力顯著提升，對(duì)于提高邊坡穩(wěn)定性有積極的作用。與此同時(shí)，球狀風(fēng)化體分布在混合花崗巖邊坡淺層時(shí)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)比球狀風(fēng)化體分布在混合花崗巖邊坡深層時(shí)大。由前述可知，位置越深的球狀風(fēng)化體，對(duì)混合花崗巖邊坡穩(wěn)定性的影響越小，且球狀風(fēng)化體存在本身對(duì)邊坡穩(wěn)定性有積極的影響，因此球狀風(fēng)化體位置越淺的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)越高。

本文認(rèn)為球狀風(fēng)化體位置對(duì)土石混合體邊坡穩(wěn)定性的影響較大，影響大小關(guān)系表現(xiàn)為：邊坡下部>邊坡中部>邊坡上部，邊坡淺層>邊坡深層。該結(jié)論與文獻(xiàn)[12]的觀點(diǎn)一致。

3. 4 繞石效應(yīng)分析

在假設(shè)邊坡為近似圓弧滑動(dòng)的基礎(chǔ)上通過分析可知，當(dāng)孤石出現(xiàn)在邊坡滑動(dòng)面上時(shí)，邊坡滑動(dòng)面明顯不會(huì)穿過孤石，這是由于孤石抗剪強(qiáng)度過高，如果邊坡滑動(dòng)面穿過孤石，邊坡的抗滑力會(huì)大幅度提高而邊坡下滑力并沒有發(fā)生明顯的變化，故并不會(huì)發(fā)生滑坡，進(jìn)而不存在邊坡滑動(dòng)面。因此，需要對(duì)于孤石對(duì)邊坡滑動(dòng)面的影響進(jìn)行分析。通過Slope建立分析模型，在無孤石邊坡[見圖12(a)]的基礎(chǔ)上增加孤石，讓邊坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)面穿過孤石，即建立兩種模型：一種是孤石位置偏向邊坡滑動(dòng)面上方[見圖12(c)]；一種是孤石位置偏向邊坡滑動(dòng)面下方[見圖12(e)]。建立的繞石效應(yīng)分析模型以及對(duì)應(yīng)的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，見圖12。圖中黑色的線代表無孤石情況下的邊坡滑動(dòng)面，綠色區(qū)域代表加入孤石以后的邊坡滑動(dòng)面。

通過對(duì)這兩種邊坡滑動(dòng)面進(jìn)行對(duì)比分析可知：邊坡滑動(dòng)面上加入孤石以后，邊坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)面會(huì)隨著孤石的加入而發(fā)生改變，并呈現(xiàn)明顯的繞開孤石的效應(yīng)，即繞石效應(yīng)，但其不是僅在孤石附近繞，而是呈現(xiàn)整體式繞開孤石；當(dāng)孤石位置偏向邊坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)面上方時(shí)，邊坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)面會(huì)從孤石下方繞[見圖12(d)]；當(dāng)孤石位置偏向邊坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)面下方時(shí)，邊坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)面會(huì)從孤石上方繞[見圖12(f)]。由此可得，當(dāng)邊坡滑動(dòng)面上出現(xiàn)孤石時(shí)，邊坡滑動(dòng)面不會(huì)穿過孤石，而是會(huì)繞過孤石，而且繞過孤石的方式是選擇 “更近”的路徑。這是由于當(dāng)邊坡滑動(dòng)面要發(fā)生改變時(shí)，必然要消耗能量，因此為了保證消耗的能量最低，必然會(huì)選擇 “最近”的路徑繞過孤石。

圖12 繞石效應(yīng)分析模型及對(duì)應(yīng)的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)(FS)

4 討 論

(1) 僅考慮滑動(dòng)面以上分布球狀風(fēng)化體和整體隨機(jī)分布球狀風(fēng)化體，混合花崗巖邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)一致。當(dāng)在滑動(dòng)面以下增加球狀風(fēng)化體時(shí)，對(duì)整體邊坡穩(wěn)定性的影響很小。因此在建模中，本文忽略滑動(dòng)面以下球狀風(fēng)化體對(duì)混合花崗巖邊坡穩(wěn)定性的影響，僅考慮滑動(dòng)面以上球狀風(fēng)化體對(duì)混合花崗巖邊坡穩(wěn)定性的影響。

(2) 當(dāng)考慮球狀風(fēng)化體隨機(jī)分布時(shí)，相對(duì)于實(shí)際來說球狀風(fēng)化體仍是分布較均勻的，而實(shí)際混合花崗巖邊坡中可能存在部分位置球狀風(fēng)化體分布較集中、部分位置較分散的情況，因此建模與實(shí)際情況有一定的差異。

(3) 在混合花崗巖邊坡穩(wěn)定性計(jì)算中，假設(shè)球狀風(fēng)化體是均質(zhì)、規(guī)則且剛度大的球形，而實(shí)際的球狀風(fēng)化體并非規(guī)則的球形，且可能存在一些微裂紋，這與實(shí)際球狀風(fēng)化體有些區(qū)別，但這并不影響對(duì)混合花崗巖邊坡穩(wěn)定性的分析。

5 結(jié) 論

(1) 球狀風(fēng)化體的含量對(duì)混合花崗巖邊坡穩(wěn)定性有一定的影響。隨著球狀風(fēng)化體含量由0%增加到40%，混合花崗巖邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)整體呈上升趨勢(shì)。當(dāng)球狀風(fēng)化體含量由10%增加至20%時(shí)，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)增加較快；當(dāng)球狀風(fēng)化體含量超過20%時(shí)，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)基本不變。隨著球狀風(fēng)化體含量的增加，混合花崗巖邊坡的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面向深部發(fā)展。

(2) 球狀風(fēng)化體直徑對(duì)混合花崗巖邊坡穩(wěn)定性有影響。當(dāng)球狀風(fēng)化體直徑變大時(shí)，滑動(dòng)面深度先變大后變小，混合花崗巖邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)逐漸變小。當(dāng)邊坡表層有大直徑球狀風(fēng)化體時(shí)，由于開挖或降雨因素易形成落石及崩塌，屬不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測和防范。

(3) 球狀風(fēng)化體位置對(duì)混合花崗巖邊坡穩(wěn)定性有一定的影響。當(dāng)球狀風(fēng)化體分布在混合花崗巖邊坡的上部時(shí)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)最小，分布在混合花崗巖邊坡中部時(shí)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)次之，分布在混合花崗巖邊坡下部時(shí)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)最大；球狀風(fēng)化體分布在混合花崗巖邊坡淺層時(shí)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)比分布在深層時(shí)大。球狀風(fēng)化體位置分布對(duì)混合花崗巖邊坡穩(wěn)定性具體的影響關(guān)系表現(xiàn)為：邊坡下部>邊坡中部>邊坡上部，邊坡淺層>邊坡深層。

(4) 在無孤石邊坡的基礎(chǔ)上加入孤石以后，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面會(huì)隨著孤石的加入而發(fā)生改變，并呈現(xiàn)明顯的繞開孤石的效應(yīng)，但最危險(xiǎn)滑動(dòng)面不是僅在孤石附近繞，而是呈現(xiàn)整體式繞開孤石。當(dāng)孤石分布在邊坡滑動(dòng)面偏向上方時(shí)，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面會(huì)從孤石下方繞；當(dāng)孤石分布在邊坡滑動(dòng)面偏向下方時(shí)，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面會(huì)從孤石上方繞。