基于UDEC的某山區公路的危巖體成因機理研究

董 磊 張廣甫 李福壯 郝 鵬

（1.西藏自治區地質礦產勘查開發局第二地質大隊 拉薩 850000 2.鄭州中核巖土工程有限公司 鄭州 450008 3.華北水利水電大學資源與環境學院 河南鄭州 450045）

危巖是指由多組巖體結構面切割并位于陡崖或陡坡上穩定性較差的巖石塊體及組合[1]。

我國是一個多山的國家，在山區修建公路、鐵路等線狀工程往往需要進行不同程度的切坡工程，這就形成不同高度的路塹邊坡[2]。路塹邊坡在后期風化卸荷、降雨、地震等作用下，容易發生滑坡、崩塌等地質災害，這類地質災害的特點是事發點多、覆蓋面廣、路線長，在后期往往要耗費大量的人力財力進行治理，但是治理效果一般。危巖體失穩是瞬間行為，危巖失穩后在重力的作用下突然下落，這就形成崩塌。由于危巖體孕育過程的漸進性、失穩的突變性和存在的隱蔽性，危巖體的失穩往往造成較大的破壞性。對危巖體進行成因機理研究對后期危巖體的治理方式選擇具有指導意義[3]。本文以S233斗武線山區段某典型危巖體為研究對象，對其成因機理進行研究。

1 危巖體的坡體結構特征

危巖體所在斜坡走向N12°W，坡面近直立，坡腳由于開挖形成倒坡。地層巖性主要為厚層狀泥灰巖，地層產狀80°∠6°。該路段發育一組區域性節理（走向340°，近垂直），節理密度13個/m。坡面因節理裂隙切割及風化溶蝕作用，在該段形成一大型凹腔，凹腔長約18m，高約28m。

2 危巖體的變形破壞特征

危巖底部高程：687.4m，頂部高程：691.4m，坡腳高程672.0m。危巖體長約2.1m，高約4.0m，厚度約1.2m，體積約9.0m3。危巖體后緣裂隙已貫通，后緣裂隙產狀78°∠86°，裂隙寬度3～5cm。危巖體頂部為層面位置，危巖體的穩定性主要受頂部巖體的抗拉強度控制，當頂部抗拉能力小于危巖體的質量時，危巖體會發生失穩墜落，如圖2所示。

圖1 危巖體所在坡體現狀

3 危巖體的成因類型

國內外對危巖體的成因類型分類上，對于不同的側重點（規模、破壞模式、巖體結構、失穩力學機理等），有不同的分類方法[4～7]。現階段，國內對危巖體穩定性進行定量計算[8～15]，比較成熟的計算公式是采用危巖體的破壞模式進行分類的，將危巖體分為傾倒式、墜落式、滑移式。若要后期對危巖體進行分析研究就必須從危巖體的破壞模式方面出發。破壞模式的確定才能為危巖體后期的穩定性分析、治理措施奠定基礎。根據野外勘查結果，將該危巖體定名為墜落式，若加以失穩時的力學機理將該危巖體定名為拉裂墜落式危巖體，該危巖體的典型示意模型如圖3所示。此類危巖體在重力、孔隙水壓力、地震力的作用下，危巖體頂部受拉力作用，當重力大于頂面的抗拉強度時，危巖體頂面會迅速破壞，形成崩塌。

4 危巖體的數值模型建立及模擬結果分析

根據野外剖面測量，危巖體剖面如圖4所示，將危巖體剖面轉化為UDEC模型，如圖5所示。所需要的材料參數如下：巖石塊體參數：危巖體密度 d=2780kg/m3；體積模量 k=2.8×109Pa；剪切模量 G=1.5×109Pa；泊松比μ=0.25；黏聚力 C=2.1×105Pa；內摩擦角 φ=35°。結構面參數：層面：黏聚力c=1.7×105Pa；內摩擦角 φ=30°。

圖2 危巖體現狀

圖3 拉剪墜落型危巖體示意圖

圖4 危巖體典型剖面

圖5 危巖體UDEC模型

圖6 3000時步剪應力云圖

圖7 3000時步最大主應力云圖

圖8 7813時步剪應力云圖

圖9 7813時步最大主應力云圖

本模型主要是模擬危巖體的成因機理及破壞模式，故只對危巖體附近區域進行分析。從圖6模型剪應力云圖可知，在3000時步時，貫通段與層面交匯點處顯示有應力集中現象，受剪切力作用，剪應力最大值可達0.3MPa。從圖7最大主應力云圖可知，危巖體頂部層面位置顯示張拉應力集中現象，最大值可達0.2MPa。

從圖8模型剪應力云圖可知，在7813時步時，貫通段與層面交匯點處顯示有應力集中現象，受剪切力作用，剪應力集中區面積較3000時步減小，剪應力最大值可達0.2MPa。從圖8最大主應力云圖可知，危巖體頂部層面位置顯示張拉應力集中現象，較3000時步，集中區域面積減小，最大值可達0.2MPa。

綜上所述，危巖體頂部層面位置出現張拉應力集中現象，危巖體的穩定性主要受頂部巖體的抗拉強度控制，這與將危巖體的成因類型定名拉裂墜落型是一致的，7813時步模型響應終止，此時危巖體處于穩定狀態與危巖體野外調查結果是一致的。

5 結論

本文利用數值模擬分析的方法研究危巖體的成因機理，對野外判定的危巖體破壞模式進行驗證，得到以下結論：

（1）危巖體破壞模式判定對危巖體的穩定性計算評價及治理方案的選擇具有決定性意義，直接決定治理效果的有效性。通過對危巖體成因機理研究，確定危巖體的破壞模式，能夠更加有效的選擇危巖體的治理方案。

（2）工程實例中依據危巖體的數值模擬分析結果定名與野外判定結果基本一致。穩定性也與野外調查結果一致，天然狀態下處于基本穩定狀態。