岩土边坡危岩应力场数值模拟分析

摘要：为掌握岩土边坡危岩的失稳条件，提高岩土结构整体稳定性，本文以某岩土边坡危岩为例，对应力场数值模拟进行研究。根据岩土边坡危岩所在地的基本情况、地质情况，收集有关岩土边坡危岩的相关数据，使用GIS（地理信息系统）或其他相关软件，建立岩土边坡危岩数值模拟几何模型，划分模型中的网格与单元，对危岩应力场进行数值模拟与应力计算。通过岩土边坡危岩最大应力分布分析、开挖条件下危岩后部裂缝应力变化趋势分析，证明设计的方法可以对岩土边坡危岩应力场进行数值模拟，模拟的危岩应力值、相关结果与工程项目实际情况的适配度较高。

关键词：岩土边坡；网格划分；几何模型；数值模拟；应力场；危岩

中图分类号：P642""""""""" 文献标志码：A

在自然灾害中，边坡失稳是一种常见的灾害类型，例如山体滑坡、泥石流等，这些灾害造成了严重的人员伤亡和财产损失。因此，对岩土边坡危岩应力场的研究具有很重要的意义[1]。通过危岩应力场的数值模拟分析，可以深入了解边坡内部的应力分布、位移变化以及失稳机制等，为边坡稳定性分析和加固设计提供了重要的理论依据[2]。随着计算机技术和数值计算方法的不断发展，对岩土边坡危岩应力场进行数值模拟分析成为了一种重要的研究手段[3]。本文将以某岩土边坡危岩为例，对应力场数值模拟进行研究，通过深入研究危岩应力场，可以更好地预测和防止边坡失稳带来的灾害，为保障人类生命财产安全提供重要的科学支撑。

1工程概况

岩土边坡危岩应力场的研究需要涉及多个学科，地质学家、地球科学家、力学专家、数学家等跨学科合作可以促进对边坡应力场的深入研究和理解。同时，随着全球气候变化和地质灾害加剧，国际间的合作也变得越来越重要。共享研究数据和方法、联合进行科学研究等国际合作有助于提高对岩土边坡危岩应力场的研究水平，并为应对全球性的自然灾害提供有效的技术支持[4]。为深化这方面内容的研究，本文以某地区大型岩土边坡工程项目为例，对此工程中的围岩应力场进行分析。

为保证相关工作实施的规范性，在研究前，对岩土边坡工程所在地基本情况进行分析。对岩土边坡危岩所在地的概况进行现场勘查，基本情况见表1。

根据技术单位与有关部门的现场勘查与整理调研，发现岩土边坡危岩表层主要由土石混合物构成，对现场土层进行调研与分析，掌握项目所在地的地质情况[5]。相关内容见表2。根据工程方的探测结果，在岩土边坡位置存在较大的断层。同时，在现场采用钻探、坑槽探等方式，对岩土边坡危岩进行分析，发现边坡中还存在局部碎裂带，但现阶段未发现碎裂带有明显的顺坡滑移趋势，即目前岩土边坡危岩结构仍未形成统一的滑动破坏面[6]。为更加直观地掌握岩土边坡危岩应力场，本文将以此工程项目为例，对边坡危岩的应力场进行分析。

2岩土边坡危岩应力场数值模拟方法

为满足岩土边坡危岩应力场数值模拟需求，设计方法前，应先对边坡危岩数值模拟几何空间模型进行构建[7]。在构建过程中，需要收集有关岩土边坡危岩的相关数据，包括地质勘察数据、地貌形态数据、岩石类型和性质、土壤类型和性质、水文地质数据等。根据工程需求，本次收集岩土体物理力学参数见表3。

使用GIS（地理信息系统）或其他相关软件，根据收集到的数据，建立边坡的几何模型。这个模型应该能够反映边坡的形状、大小、坡度以及可能的变形等。

在建立数值模拟几何空间模型的过程中，划分模型网格是重要的一步。在此过程中，根据研究的需求和目标，确定模型的范围，可以包括整个边坡区域，或者只是边坡的一部分。根据模型的复杂性和研究需求，选择合适的网格类型。在岩土工程领域，常见的网格类型包括四面体网格、六面体网格、混合网格等。四面体网格处理复杂地形和不规则物体时较为灵活，而六面体网格处理大规模、规则的区域时效率较高。确定需要在模型中划分的网格数量。一般来说，为了获得更准确的结果，需要在模型的关键区域（例如危岩体附近）使用更精细的网格。当划分网格时，需要注意以下几点：保证所有网格节点都在模型范围内，并且彼此之间存在连接，避免产生畸形的网格。在关键区域使用更精细的网格，以保证能捕捉区域的详细情况。

完成网格划分后，检查网格的质量。包括检查网格的连通性、形状、大小等。如果发现有质量问题，就需要返回网格划分步骤进行调整。在合适的部位应用边界条件（例如固定边界、自由边界等），并根据研究需求对模型进行加载。如果发现模拟结果与实际观测数据存在较大差异，或者模拟结果本身的分布不均匀等情况，就需要优化网格。这可能包括调整网格的大小、形状、密度等。如果优化后仍不能满足要求，就需要重复以上步骤，直到得到满意的模拟结果为止。

完成边坡网格与单元条件的划分后，识别可能产生滑动、崩塌等危险的岩体，即危岩体。危岩体识别需要考虑多种因素，例如岩石的物理性质、裂隙分布、风化程度、节理裂隙密度和深度等。使用数值模拟软件，例如FLAC、ANSYS、ABAQUS等，对这些危岩体进行模拟。以岩土边坡危岩为例，建立岩体崩塌力学模型，如图1所示。

当岩层中对应的A点位置为破坏面时，CD面对应的C点位为最大拉应力点，对C点位置的拉应力进行计算，计算过程如公式（1）所示。

（1）

式中：σc为C点位置的拉应力；M为岩体风化面；y为最大拉力；I为拉力系数；W1、W2为对应的两次拉力值；a、b为岩层厚度与突出危岩层厚度；h为危岩层所在的高程高度。经过计算后，如果出现σcgt;岩土边坡抗拉强度的情况，那么岩体将发生拉裂行为，此时，岩土边坡上部结构将形成拉裂面，危岩将沿着A点发生转动，根据岩体工程力矩平衡原理，可以按照公式（2）计算岩土边坡危岩应力稳定系数。

（2）

式中：K为岩土边坡危岩应力稳定系数；L1为岩土边坡抗拉强度；L2为岩土边坡危岩转动力矩。当岩土边坡危岩应力稳定系数Klt;时，说明岩土边坡危岩存在滑坡、坍塌等安

全风险。

3岩应力场数值模拟结果与分析

3.1岩土边坡危岩最大应力分布分析

按照上述内容，对岩土边坡危岩应力场进行数值模拟。在模拟过程中，应明确岩土边坡危岩的最大应力分布主要受到边坡的形状、大小、坡度、地质条件和岩体结构等多种因素的影响，边坡的形状和大小直接影响应力分布。一般来说，边坡较大和坡度较陡都会导致应力分布更加不均匀。在边坡的临空面附近，应力通常会集中，并且最大主应力会平行于临空面。地质条件是影响应力分布的重要因素。例如，不同的岩石类型和结构以及地质构造（断层和褶皱等），都会对最大应力的分布产生影响。因此，在综合研究后，提出使用本文设计的方法，分析岩土边坡危岩最大应力分布，并绘制岩土边坡危岩最大应力分布云图，如图2所示。从图2可以看出，边坡危岩位于岩土上方区域，最大应力分布在岩土地表且随着深度增加，最大应力呈现下降趋势。

根据工程实践与现场勘查可知，使用本文方法进行岩土边坡危岩应力场数值模拟，以此种方式，得到的边坡危岩最大应力分布云图与实际较为适配。

3.2开挖条件下危岩后部裂缝应力变化

完成上述内容的研究后，对岩土边坡开挖条件下，危岩后部裂缝应力变化进行分析。在开挖条件下，危岩后部的裂缝应力会发生变化。这些变化可能受到多种因素的影响，包括边坡的形状和大小、地质条件、岩体结构、边界条件和加载条件等。一般来说，开挖会导致危岩后部应力重新分布。在开挖前，危岩处于一个相对平衡的状态，应力场是稳定的。但是，当进行开挖时，原有的应力平衡状态会被打破，应力场会重新调整。在这个过程中，危岩后部的裂缝应力可能会发生变化。

通常情况下，在开挖过程中，特别是在临空面附近，应力可能会重新分布并集中。这可能会导致危岩后部的裂缝应力增加，从而使裂缝扩展或产生新的裂缝。为进一步掌握裂缝的应力变化趋势，按照本文提出的方法，对危岩开挖条件下后部裂缝应力场进行数值模拟，其结果如图3所示。

由图3可知，将危岩开挖划分为8个工况，当开始开挖时，危岩的应力场尚未发生显著变化，对应的后部裂缝应力值为0，随着开挖工作的持续推进，后部裂缝应力呈现一定的下降趋势，在原有的应力场中，危岩后部的应力可能是平行于边坡的。但是，开挖后，应力可能会发生偏转，使应力方向更加垂直于边坡，造成应力值下降，但随着开挖工作的持续推进，裂缝应力值上升，并与工况呈现一定的线性趋势，如果持续开挖，应力值超出岩体结构的应力稳定系数，在裂缝位置会出现危岩结构失稳与坍塌情况。

4结语

以某岩土边坡危岩为例，通过建立岩土边坡危岩数值模拟几何空间模型、模型网格与界面单元条件划分、危岩应力场数值模拟与岩体失稳应力计算，对应力场数值模拟进行研究。尽管本次设计的方法在实际应用中已经取得了一定的成绩，但截至目前，相关岩土边坡危岩应力场的研究仍然存在许多挑战和问题。例如，地质条件的复杂性和不确定性、计算模型的精度和可靠性、数值模拟的效率和精度等问题。因此，在后续工作中，需要进一步对岩土边坡危岩应力场进行研究，完善数值模拟方法和技术，提高预测和预防边坡失稳的能力。同时，也需要加强国际合作和跨学科合作，促进对边坡应力场的深入研究和理解，全面提高岩土边坡危岩应力场的研究水平，并为应对全球性的自然灾害提供有效的技术支持。

参考文献

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