形成边坡倾倒变形的作用机制及影响因素分析

王雪辉，李梅

（新疆建设职业技术学院，乌鲁木齐830000）

1 引言

当前我国经济发展速度不断加快，但是在发展的过程之中，边坡的问题日益明显。边坡在演变的过程之中，会出现不同形式以及规模的变形，例如，出现滑坡或者崩塌的情况。而边坡在形成的实际过程之中，其内部出现的应力状态会出现一定的变化，从而导致应力重分布或者应力集中等情况。而想要适应这种状态，便需要对于形成边坡倾倒出现变形的影响因素进行合理的分析判断。

2 反倾边坡的变形特征

一般情况下，岩体之中，大多数都含有结构面，而根据当前结构面的特征可以将其分成断层、层面以及节理和裂缝。而对于一些天然或者人工来进行开挖所形成的边坡，那么其变形的具体特征以及结构面的方位会有直接性的关系。例如，边坡如果有反倾结构面，在变形时，不仅结构面会出现错动之外，边坡上部也会出现十分明显的弯曲变形，也就是我们常说的“点头”[1]。而通过当前所进行的野外观测，以及在实验室进行的模拟实验，已经在力学的机制之上，进行了相应的定性描述，并且采取悬臂梁理论，进行了相应的早期的定量分析。

3 本构模型

在进行模型组构时，对于粘性特点进行分析，当前所使用的是粘塑性模型。可以将岩体的总变形分成弹性变形以及粘塑性变形这两部分：

而粘塑性的关系可以通过（2）式进行描述：

而在这之中，η 是粘滞系数，而F 则是屈服函数，其表达是应该是：

而对于结构面所构成的本构关系，都可以选择类似于岩体这种弹性以及粘塑性的模型。而由于当前结构面的厚度一般都比较小，所以位移以及应力之间的关系，都可以将其认为是近似线弹性的[2]。

4 工程案例以及结果的分析

4.1 工程案例

当前以水电工程作为实际的案例，进行相应的计算。该工程在进行开挖时，形成了台阶式的高陡边坡，而边坡有着一系列的反倾层面，其中的间隔为8～15m，其开挖的深度则是110m。当前为了可以更加简便进行计算，可以选择使用直坡开挖的方式来进行相应的模拟，将模拟的水平尺度记为500m，而垂直的尺度则是320m。而岩体则选择采用6 节点三角形单元，其层面可以选择相应的6 节点，非线性的节理元，其单元的总数记为1530个[3]。材料的参数如表1所示。

表1 材料参数

4.2 结果分析

根据构成的模型，可以了解，由于在挖洞时，岩体被层面切割之后，出现了十分明显的弯曲变形的状态，从而形成了“点头”的模式。而越靠近坡面，弯曲的变形也越来越大。而分割岩体这一系列层面都出现了相应的错动的现象。而这其实和在野外进行观测，以及在实验室模拟检测之后的结构都相似。通过模拟实验之后，可以看出含结构面的岩体，是要比不含结构面的岩体的最大位移要更大，而不含结构面的岩体，主要是在坡脚处，出现了应力集中，基本上拉应力已经不存在了[4]。而含有机构面的岩体，则是在边坡的上部，就已经出现了较大面积的拉应力区，二者存在较大的差别，而含有结构面的岩体的稳定性会更差一些。

5 反倾边坡倾倒变形的影响因素的分析

当前对于反倾边坡变形的程度产生影响的因素比较多，在归纳之后，可以分成以下几种：第一，初始应力场，这主要是指当前的水平应力；第二，则是边坡的初始坡度，这主要是指开挖之后的深度以及角度；第三，岩体自身的力学参数以及和结构面所形成的力学参数；第四，结构面的几何特性，也就是结构面的间距和倾角；第五，开挖之后，地下水位出现的变化；第六，当前岩体对于历史上应力，以及变形的记忆功能进行进一步的探究，而这些原因，对于倾倒的变形程度又有着较大的影响，但是其影响也会有一定的限制[5]。

而有一些因素其本身就是在一定的限定范围之内，例如，当前岩体之中的水平应力和垂直应力，所产生的比例都应该保持在一定的变化范围之内，而同一类的岩石的力学参数并不会出现较大的差异等。所以不难发现，这些因素并不是边坡倾倒出现变形的最主要因素，而是对于边坡的总体变形产生较大的影响。所以真正对于边坡倾倒出现变形影响的最大因素主要有两个，除了由于结构面的间距会产生影响，也就是我们常说的结构面之间板状岩体的长细比会产生一定的影响，另外一个就是结构面的力学参数，会导致边坡倾倒的变形出现影响。而岩体之中，结构面间距出现较大的差异，这主要是由于结构面自身的特性，断层之间的间距以及裂隙之间的间距有可能会有十分明显的差距，有时甚至会出现几个数量级的差距，而除此之外，不同类型的机构面其力学参数也会出现比较大的差异。

当前为了更好地进行分析，现不考虑法向变形变化的状况，还有四个相关的力学参数可以进行选择参考[6]。而对于不同的切向变形的刚度数值，所计算出的坡顶位移值数据如表2所示。而对于不同的结构面的间距，其计算出的坡顶位移值数据如表3所示。根据数据可以看出，这两项参数对于坡顶位移值有着十分大的影响。

表2 不同结构面间距对应的坡顶位移值

表3 不同结构面切向变形刚度对应的坡顶位移值

6 结论

对于边坡的倾倒变形来说，反倾结构面会对其具有直接性的控制性作用。而无论是通过位移、拉应力区，还是当前的屈服区分布的特征情况来看，反倾结构面对于岩体稳定性有着很大程度的减弱。而对于反倾边坡来说，最危险的区域并不是在坡脚，而是出现在坡顶，所以对于这一类边坡在进行稳定性研究时，极限平衡法并不适用。所以在边坡的设计时，一项十分重要的问题，便是如何在反倾边坡的坡顶进行加固。