基于UDEC的某山区公路的危岩体成因机理研究

董 磊 张广甫 李福壮 郝 鹏

（1.西藏自治区地质矿产勘查开发局第二地质大队 拉萨 850000 2.郑州中核岩土工程有限公司 郑州 450008 3.华北水利水电大学资源与环境学院 河南郑州 450045）

危岩是指由多组岩体结构面切割并位于陡崖或陡坡上稳定性较差的岩石块体及组合[1]。

我国是一个多山的国家，在山区修建公路、铁路等线状工程往往需要进行不同程度的切坡工程，这就形成不同高度的路堑边坡[2]。路堑边坡在后期风化卸荷、降雨、地震等作用下，容易发生滑坡、崩塌等地质灾害，这类地质灾害的特点是事发点多、覆盖面广、路线长，在后期往往要耗费大量的人力财力进行治理，但是治理效果一般。危岩体失稳是瞬间行为，危岩失稳后在重力的作用下突然下落，这就形成崩塌。由于危岩体孕育过程的渐进性、失稳的突变性和存在的隐蔽性，危岩体的失稳往往造成较大的破坏性。对危岩体进行成因机理研究对后期危岩体的治理方式选择具有指导意义[3]。本文以S233斗武线山区段某典型危岩体为研究对象，对其成因机理进行研究。

1 危岩体的坡体结构特征

危岩体所在斜坡走向N12°W，坡面近直立，坡脚由于开挖形成倒坡。地层岩性主要为厚层状泥灰岩，地层产状80°∠6°。该路段发育一组区域性节理（走向340°，近垂直），节理密度13个/m。坡面因节理裂隙切割及风化溶蚀作用，在该段形成一大型凹腔，凹腔长约18m，高约28m。

2 危岩体的变形破坏特征

危岩底部高程：687.4m，顶部高程：691.4m，坡脚高程672.0m。危岩体长约2.1m，高约4.0m，厚度约1.2m，体积约9.0m3。危岩体后缘裂隙已贯通，后缘裂隙产状78°∠86°，裂隙宽度3～5cm。危岩体顶部为层面位置，危岩体的稳定性主要受顶部岩体的抗拉强度控制，当顶部抗拉能力小于危岩体的质量时，危岩体会发生失稳坠落，如图2所示。

图1 危岩体所在坡体现状

3 危岩体的成因类型

国内外对危岩体的成因类型分类上，对于不同的侧重点（规模、破坏模式、岩体结构、失稳力学机理等），有不同的分类方法[4～7]。现阶段，国内对危岩体稳定性进行定量计算[8～15]，比较成熟的计算公式是采用危岩体的破坏模式进行分类的，将危岩体分为倾倒式、坠落式、滑移式。若要后期对危岩体进行分析研究就必须从危岩体的破坏模式方面出发。破坏模式的确定才能为危岩体后期的稳定性分析、治理措施奠定基础。根据野外勘查结果，将该危岩体定名为坠落式，若加以失稳时的力学机理将该危岩体定名为拉裂坠落式危岩体，该危岩体的典型示意模型如图3所示。此类危岩体在重力、孔隙水压力、地震力的作用下，危岩体顶部受拉力作用，当重力大于顶面的抗拉强度时，危岩体顶面会迅速破坏，形成崩塌。

4 危岩体的数值模型建立及模拟结果分析

根据野外剖面测量，危岩体剖面如图4所示，将危岩体剖面转化为UDEC模型，如图5所示。所需要的材料参数如下：岩石块体参数：危岩体密度 d=2780kg/m3；体积模量 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；内摩擦角 φ=35°。结构面参数：层面：黏聚力c=1.7×105Pa；内摩擦角 φ=30°。

图2 危岩体现状

图3 拉剪坠落型危岩体示意图

图4 危岩体典型剖面

图5 危岩体UDEC模型

图6 3000时步剪应力云图

图7 3000时步最大主应力云图

图8 7813时步剪应力云图

图9 7813时步最大主应力云图

本模型主要是模拟危岩体的成因机理及破坏模式，故只对危岩体附近区域进行分析。从图6模型剪应力云图可知，在3000时步时，贯通段与层面交汇点处显示有应力集中现象，受剪切力作用，剪应力最大值可达0.3MPa。从图7最大主应力云图可知，危岩体顶部层面位置显示张拉应力集中现象，最大值可达0.2MPa。

从图8模型剪应力云图可知，在7813时步时，贯通段与层面交汇点处显示有应力集中现象，受剪切力作用，剪应力集中区面积较3000时步减小，剪应力最大值可达0.2MPa。从图8最大主应力云图可知，危岩体顶部层面位置显示张拉应力集中现象，较3000时步，集中区域面积减小，最大值可达0.2MPa。

综上所述，危岩体顶部层面位置出现张拉应力集中现象，危岩体的稳定性主要受顶部岩体的抗拉强度控制，这与将危岩体的成因类型定名拉裂坠落型是一致的，7813时步模型响应终止，此时危岩体处于稳定状态与危岩体野外调查结果是一致的。

5 结论

本文利用数值模拟分析的方法研究危岩体的成因机理，对野外判定的危岩体破坏模式进行验证，得到以下结论：

（1）危岩体破坏模式判定对危岩体的稳定性计算评价及治理方案的选择具有决定性意义，直接决定治理效果的有效性。通过对危岩体成因机理研究，确定危岩体的破坏模式，能够更加有效的选择危岩体的治理方案。

（2）工程实例中依据危岩体的数值模拟分析结果定名与野外判定结果基本一致。稳定性也与野外调查结果一致，天然状态下处于基本稳定状态。