反傾邊坡風化作用數值模擬研究

汪剛,高文號,劉鵬

摘 要：自然中環境巖體受太陽輻射和降雨等因素。溫度、濕度和氧氣的變化使得巖體內部發生變化，巖體質量逐漸變差，巖體強度參數逐漸降低。因自然環境中的風化作用因素較多，如何對巖體的風化程度進行定量評價成了邊坡研究中的難題。本文通過不同風化程度巖體參數的折減規律，采用數值分析方案，研究風化作用下反傾層狀邊坡的變形破壞規律和穩定性。

關鍵詞：片巖;反傾向邊坡;數值模擬;風化作用

0 引言

巖質邊坡中結構面對邊坡的變形破壞起控制作用，巖體內部發育節理裂隙越密集，風化作用對邊坡的穩定性影響較大[1-2]。在開挖卸荷作用下，巖體風化作用較為明顯，一方面加速了內部的節理裂隙，另一方面長期淋濾作用削弱巖體力學性質。反傾向邊坡的破壞形式為表層巖體風化剝蝕，巖體發生彎曲—折斷破壞。本文通過數值分析方法研究風化過程中邊坡的應力—應變發展過程，研究風化作用對邊坡的穩定性影響。

1 風化參數研究

根據片巖的物理力學試驗結果，不同風化程度巖層的強度參數如表1所示。

邊坡風化層力學參數根據風化層厚度呈逐步漸變，根據巖體參數隨深度變化的波茲曼函數公式，對上述數據進行擬合，則風化層內巖體強度參數隨深度變化曲線如圖1所示。

2 巖質邊坡風化作用研究

2.1 邊坡模型的建立

邊坡巖層產狀為反傾向70°，巖層厚8 m，巖體內發育一組傾角為20°反向節理，在新鮮巖層中節理間距為8 m，中風化和強風化層中間距為6 m，強風化層還發育一組傾角為8°作用近水平向節理，節理間距約2 m。根據風化層厚度將風化過程分為四個階段，風化層厚度為2 m、4 m、6 m、8 m，分別賦予風化層的強度參數。

2.2 邊坡風化過程中的位移場

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

（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 邊坡風化過程中穩定性

2.3.1 風化過程中邊坡破壞區發展

（a）d=2 m階段

（b）d=4 m階段

（c）d=6 m階段

（d）d=8 m階段

根據邊坡的破壞區分布如圖3所示，風化初始階段，坡腳處因應力集中導致部分巖體處于屈服狀態，塑性屈服區較小，邊坡穩定性較好。當邊坡風化層發展到一定厚度，塑性破壞區沿風化界面向上發展如圖3所示，當風化層發展到8 m時，邊坡塑性破壞區基本處于貫通狀態，巖體間出現位移松動。在自然環境和人工擾動作用下，邊坡會沿風化分界面發生垮塌。

2.3.2 風化過程中邊坡穩定性系數

邊坡穩定性系數是衡量邊坡穩定性的一個重要指標，采用強度折減法對不同風化進程邊坡進行穩定性系數，主要折減結構面和巖體的粘聚力、內摩擦角、抗拉強度參數。計算結果顯示風化過程中四階段穩定性系數分別為1.57、1.34、1.11、1.08，邊坡穩定性系數隨著風化層加厚逐漸降低，當邊坡風化層達到8 m時，邊坡穩定性最低，邊坡會沿風化界面發生彎曲—折斷—傾倒破壞。

3 結論

（1）巖體風化過程中，邊坡巖體力學參數采用波茲曼模型對其進行擬合是可行的;（2）邊坡的風化程度隨著風化層的厚度增加，巖體的物理力學參數折減系數也是逐步降低的，風化層越厚折減系數的折減幅度越低;（3）隨著風化層厚度和風化程度的增加，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展的，邊坡的穩定性系數隨著屈服程度的增加逐步降低。

參考文獻：

[1]趙華，李文龍，衛俊杰，等.反傾邊坡傾倒變形演化過程的模型試驗研究[J].工程地質學報，2018（3）：749-757.

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