反倾边坡风化作用数值模拟研究

汪刚,高文号,刘鹏

摘 要：自然中环境岩体受太阳辐射和降雨等因素。温度、湿度和氧气的变化使得岩体内部发生变化，岩体质量逐渐变差，岩体强度参数逐渐降低。因自然环境中的风化作用因素较多，如何对岩体的风化程度进行定量评价成了边坡研究中的难题。本文通过不同风化程度岩体参数的折减规律，采用数值分析方案，研究风化作用下反倾层状边坡的变形破坏规律和稳定性。

关键词：片岩;反倾向边坡;数值模拟;风化作用

0 引言

岩质边坡中结构面对边坡的变形破坏起控制作用，岩体内部发育节理裂隙越密集，风化作用对边坡的稳定性影响较大[1-2]。在开挖卸荷作用下，岩体风化作用较为明显，一方面加速了内部的节理裂隙，另一方面长期淋滤作用削弱岩体力学性质。反倾向边坡的破坏形式为表层岩体风化剥蚀，岩体发生弯曲—折断破坏。本文通过数值分析方法研究风化过程中边坡的应力—应变发展过程，研究风化作用对边坡的稳定性影响。

1 风化参数研究

根据片岩的物理力学试验结果，不同风化程度岩层的强度参数如表1所示。

边坡风化层力学参数根据风化层厚度呈逐步渐变，根据岩体参数随深度变化的波兹曼函数公式，对上述数据进行拟合，则风化层内岩体强度参数随深度变化曲线如图1所示。

2 岩质边坡风化作用研究

2.1 边坡模型的建立

边坡岩层产状为反倾向70°，岩层厚8 m，岩体内发育一组倾角为20°反向节理，在新鲜岩层中节理间距为8 m，中风化和强风化层中间距为6 m，强风化层还发育一组倾角为8°作用近水平向节理，节理间距约2 m。根据风化层厚度将风化过程分为四个阶段，风化层厚度为2 m、4 m、6 m、8 m，分别赋予风化层的强度参数。

2.2 边坡风化过程中的位移场

风化过程中各阶段的变形如图2所示。边坡表层的风化层较薄，坡脚处受力较大，坡脚处变形较大。随着风化作用持续，变形区逐步向深部和上部发展，风化层发展到一定厚度，坡脚发生表层岩体剥落。坡脚处的剥落和垮塌，牵引上部岩体变形，当变形发展到一定程度，边坡沿着风化分界线发生折断垮塌。

（a）d=2 m阶段

（b）d=4 m阶段

（c）d=6 m阶段

（d）d=8 m阶段

2.3 边坡风化过程中稳定性

2.3.1 风化过程中边坡破坏区发展

（a）d=2 m阶段

（b）d=4 m阶段

（c）d=6 m阶段

（d）d=8 m阶段

根据边坡的破坏区分布如图3所示，风化初始阶段，坡脚处因应力集中导致部分巖体处于屈服状态，塑性屈服区较小，边坡稳定性较好。当边坡风化层发展到一定厚度，塑性破坏区沿风化界面向上发展如图3所示，当风化层发展到8 m时，边坡塑性破坏区基本处于贯通状态，岩体间出现位移松动。在自然环境和人工扰动作用下，边坡会沿风化分界面发生垮塌。

2.3.2 风化过程中边坡稳定性系数

边坡稳定性系数是衡量边坡稳定性的一个重要指标，采用强度折减法对不同风化进程边坡进行稳定性系数，主要折减结构面和岩体的粘聚力、内摩擦角、抗拉强度参数。计算结果显示风化过程中四阶段稳定性系数分别为1.57、1.34、1.11、1.08，边坡稳定性系数随着风化层加厚逐渐降低，当边坡风化层达到8 m时，边坡稳定性最低，边坡会沿风化界面发生弯曲—折断—倾倒破坏。

3 结论

（1）岩体风化过程中，边坡岩体力学参数采用波兹曼模型对其进行拟合是可行的;（2）边坡的风化程度随着风化层的厚度增加，岩体的物理力学参数折减系数也是逐步降低的，风化层越厚折减系数的折减幅度越低;（3）随着风化层厚度和风化程度的增加，边坡的屈服变形也是逐步加剧，岩体的屈服是从边坡底部向上逐步发展的，边坡的稳定性系数随着屈服程度的增加逐步降低。

参考文献：

[1]赵华，李文龙，卫俊杰，等.反倾边坡倾倒变形演化过程的模型试验研究[J].工程地质学报，2018（3）：749-757.

[2]颜廷舟，段谟东，欧颜雨馨，等.反倾片岩质边坡破坏模式研究[J].路基工程，2018（5）：49-54.