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

【摘 要】论文通过对当前边坡倾倒的变形特征角度进行相关的阐述，从而对边坡倾倒变形的力学机制进行分析探究。并且在这基础之上，了解结构面间距以及力学参数对变形的影响。通过对岩体的应力、位移等分布特点进行讨论，从而了解反倾边坡的稳定性状态，需要注意的一点是该岩体之中含有機构面。

【Abstract】This paper analyzes and probes into the mechanical mechanism of slope toppling deformation by expatiating the deformation characteristic angle of current slope dumping. On this basis， the influence of structural plane spacing and mechanical parameters on deformation is understood. By discussing the distribution characteristics of stress and displacement of the rock mass， the stability state of the anti-dip slope is understood. It is important to note that the rock mass contains the mechanism plane.

【关键词】边坡倾倒变形;作用机制;影响因素;特征;分布特点

【Keywords】 slope toppling deformation; action mechanism; influencing factors; characteristics; distribution characteristics

【中图分类号】TU761                                                【文献标志码】A                                【文章编号】1673-1069（2019）11-0086-02

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：{∈}={∈e}+{∈vp}  （1）

而粘塑性的关系可以通过（2）式进行描述：

{∈vp}=■（F）■  （2）

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：

（F）=F     F>00     F≤0  （3）

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。

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，不同類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。

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。

【参考文献】

【1】王霄，陈志坚，徐进鹏，等.似层状岩质边坡倾倒变形破坏过程数值模拟[J].水文地质工程地质，2018，45（1）：137-143.

【2】骆波，张发明，单钟锟，等.反倾软硬互层边坡倾倒变形影响因素及破坏机制研究[J].河南科学，2018，36（8）：1262-1267.

【3】翟俊莅，巨能攀，赵建军.高密度电法在倾倒变形分级中的应用研究[J].工程地质学报，2017，25（03）：873-878.

【4】刘品，龙森，吁燃.惠罗高速公路罗甸互通边坡倾倒变形机理与加固效果分析[J].路基工程，2018（1）：220-224.

【5】吴关叶，郑全春，郑惠峰，等.苗尾水电站边坡倾倒变形机理与加固效果分析[J].地下空间与工程学报，2017，13（2）：538-544.

【6】金文祥，许腾晖，孙书勤.反倾层状岩体倾倒变形发育深度模型的计算分析[J].水利水电技术，2018，49（5）：129-135.