某边坡岩体结构特征及变形破坏影响因素研究

0 引言

岩质边坡的稳定性问题一直是岩土工程的一个重要研究内容，岩质边坡的稳定性及变形破坏主要受到岩体结构面及自身强度控制，故结构面强度参数及岩体强度参数取值是岩土稳定性研究的基础[1-2]，在野外现场调查时，如何快速获得结构面强度参数及岩体强度参数显得尤为重要。

1 边坡现状

根据现场调查，某边坡坡表植被发育，基岩裸露，坡脚落石堆积。地层岩性为板岩，节理裂隙发育，见图1。

图1 边坡现状

2 岩体结构特征

2.1 结构面强度参数取值

20世纪60年代以来，Barton与其合作者们（1973，1976）在大量天然结构面的剪切试验的基础上，结合结构面的几何特征和岩体力学特性，研究了结构面抗剪强度估算方法，提出了以下的巴顿（Barton）模型[3]：

式中:JRC为结构面粗糙度系数（Joint Roughness Coefficient）；JCS为结构面壁面抗压强度（Joint Compression Strength），MPa；φb为基本摩擦角；σn为结构面上的有效正应力，MPa。

其中结构面壁面抗压强度JCS根据回弹仪测定的Re，使用巴顿推荐的米勒经验关系公式计算：

在计算结构面强度参数时，根据现场试验结果，片理面基本内摩擦角取36°，节理面取32°，最大正应力取5MPa，计算结果如表1所示。

表1 基于巴顿（Barton）模型等效抗剪强度参数计算结果

通过上述计算可以得到边坡岩体的抗剪强度为5MPa，等效粘聚力为C=0.29MPa，内摩擦角为φ=34°。

图2 巴顿（Barton）模型的等效处理方法

2.2 点荷载试验

点载荷试验是利用一对端部为直径极小的加荷锥，将岩石试样夹在两个锥形压头之间施加集中荷载，使岩石拉裂，通过计算求得试样点荷载强度，再依据经验关系，间接估算岩石单轴抗压强度和抗拉强度，或者直接用于岩石分类、划分风化带以及评价岩石各向异性程度等[4]。

设用卡尺或仪器立柱上的标尺量得两压头间距离为D，破坏荷载为P，那么点荷载强度指数为：

式中：Is为未经尺寸修正的点荷载强度指数；P为试样破坏时的点荷载；Dc为等效岩心直径，对岩心径向试验，对岩心轴向、岩块或不规则块试验WD，A为过两压头接触点平面的最小截面积，W为试样的平均宽度。

为了得到统一可比的点荷载强度值，定义岩样经尺寸修正的点荷载强度指数Is（50）为在D=50mm岩心上进行径向试验所测得的值。对于在其他情况下进行的试验，使用尺寸修正系数Kp将试验结果归一化为Is（50）：

Is（50）与单轴抗压强度σc的经验关系：

选取边坡坡脚处的岩石进行点荷载试验，试验结果见表2。

表2 点荷载试验计算结果表

计算结果表明，岩石的平均抗压强度约为83.379MPa，抗拉强度约为5.426MPa。

3 边坡稳定性分析

边坡下部出露基岩岩性为板岩，受区域地质构造和浅表生改造，以及公路施工人工开挖边坡的影响，岩体出露部分节理裂隙发育，现场调查统计得到两组节理，节理面J1产状：104°∠80°，节理面J2产状：313°∠41°，节理间距10-50cm，片理面L产状：208°∠72°，层厚15-20cm，坡面产状：73°∠53°。

根据岩体结构特征，赤平投影分析如图3所示。

图3 边坡岩体稳定性分析图

由边坡稳定性分析知，图中坡面投影区穿越单滑面1、2、3，双滑面12、13，坠落体G，故不在边坡面上形成滑塌体，而只有双滑面23的滑塌形式是在边坡临空面出露的滑塌体。从稳定性系数分析得知，双滑面23的稳定性系数为0.46，处于失稳滑动状态，会产生掉块、落石，这与现场调查结果一致。

4 边坡变形破坏影响因素分析

本文采用离散元数值模拟软件UDEC来模拟边坡基岩在不同粘聚力C、内摩擦角φ下的变形破坏模式[5]，其中以基岩裸露点作为边坡位移大小d、变形速度v、最大压应力σ的采集点。其中C取2MPa、3MPa、4MPa、5MPa、8MPa、12MPa、15MPa、18MPa、22MPa共9个不同的值，φ取0°、8°、15°、22°、30°、38°、45°共7个不同的值，两两结合共63种不同的模拟情况。

4.1 不同C、φ值对位移d的影响

位移大小可以直观地反应边坡变形的程度，位移大则边坡变形就大，通过统计分析得到如图4所示的点线图。从图中可以看出，当粘聚力C值小于8MPa时，边坡位移波动明显，C值越小变形差别越大；当粘聚力C值大于8MPa时，外边坡变形趋于稳定。当内摩擦角φ值小于15°时，边坡位移波动较大，且φ值越小变形差异越大；当内摩擦角φ值大于15°时，边坡变形趋于稳定。综合不同C、φ值可以看出，当C值大于8MPa且φ值大于15°时，边坡变形趋于稳定，在0.5m-0.8m范围内。

图4 位移影响

4.2 不同C、φ值对变形速度v的影响

边坡变形速度大小作为边坡变形监测的重点，对保证工程施工和运行的安全起重要作用，将数值模拟结果统计分析得到如图5所示的点线图。从图中可以看出，当粘聚力C值小于8MPa时，边坡变形速度变化明显，C值越小变形速度差别越大；当粘聚力C值大于8MPa时，边坡变形速度趋于稳定。当内摩擦角φ值小于30°时，边坡变形速度波动明显，且φ值越小变形速度差异越大；当内摩擦角φ值大于30°时，边坡变形趋于稳定。综合不同C、φ值可以看出，当C值大于8MPa且φ值大于30°时，边坡变形速度趋于稳定，在0.1m/s-0.3m/s范围内。

图5 速度影响

4.3 不同C、φ值对最大压应力σ的影响

数值模拟结果表明，最大拉应力都在2MPa附近波动，这与边坡的抗拉强度t取值为2MPa有关，故只讨论在抗拉强度t为2MPa时最大压应力的变化，通过统计分析得到如图6所示的点线图。从图可以看出，最大压应力σ随着粘聚力C值和内摩擦角φ的增加出现线性上升的趋势。

图6 拉应力影响

5 结论

基于现场调查、现场试验、数据整理、数值模拟等方法，本文得出以下结论：

①巴顿（Barton）模型是一种快速确定较硬岩体结构面强度参数的方法，在野外可以方便快速确定岩体的强度参数。

②野外应用点荷载试验初步测试岩石的抗压强度、抗拉强度是可行的，尤其是对于没有条件进行现场、室内试验的初步地质调查来说，较为实用。

③赤平投影分析结果表明，边坡最不利滑面稳定性系数为0.46，处于失稳滑动状态，会产生掉块、落石，与现场调查结果一致。

④边坡变形破坏受岩体粘聚力和内摩擦角的影响较大，当抗剪强度参数取值与现场试验接近时，边坡变形趋于稳定，且此时边坡最大拉应力也与点荷载试验结果接近。