岩质边坡随强度恶化的失稳演化

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1、工程地质计算机应用2009年第2期总54期※编程技术应用实践※岩质边坡随强度恶化的失稳演化张帅钱江丁月双（成都理工大学环境与土木工程学院，成都，610059）【摘要】以岩质边坡为实例，基于数值试验软件RFPA-2D边坡版，进行了岩质边坡在发育有各类型结构面情况中发生下滑垮塌的数值模拟。该边坡版软件是以有限元强度折减法为理论基础，通过对岩体与结构面强度的同步折减实现具有原生、构造、浅表生结构面岩质边坡的变形失稳模拟，以此得到发育有典型性结构面岩坡的变形失稳过程。【关键词】岩质边坡；结构面；RFPA；有限元；强度折减引用

2、工程地质分析原理书中一句精髓，“如果将地质环境比作一个机体，由于工程活动而引起机体产【1】生各种变化，则工程地质分析可以比做病理研究。”病理诊断有定性及定量两部分组成，本文即是通过RFPA边坡赠送版完成了对岩质边坡的数值试验——定量分析。岩坡有其独特的性质。实际岩体中存在着大量不同构造、产状和特性的裂隙体,其稳定性与岩体的结构，容重和强度、边坡坡度、高度、岩坡表面和顶部所受荷载等因素均有关，这些都给岩质边坡的稳定分析带来了巨大的困难，岩质边坡稳定性研究可谓是国内外研究的热点和难点之一。同时，由于结构面是在建造和改造过

3、程中形成，其空间性状和界面特征与其成因和演变历史密切相关，因为按成因分类是最基本的分类，可分为原生结构面，构造结构面和浅表生结【8】构面，本文通过对发育有上述几种基本类型结构面岩坡的RFPA数值试验，对岩坡的稳定性进行了分析，并直观的演示出边坡失稳的全过程。1原理RFPA-slope2D是利用有限元强度折减法进行数值计算，以基元破坏个数的最大值作为边坡失稳的判【2】据。而且，程序可自动求得滑动面，模拟过程中能够跟踪边坡起裂、裂纹发展和滑动面的形成过程。其所利用的强度折减法分析边坡稳定性的基本思想是:在弹塑性有限元计算

4、中将边坡岩土体抗剪切强度参数逐渐降低至达到破坏状态为止,程序可自动根据弹塑性计算结果得到破坏滑动面(塑性应变和位移突变地【3】带),此时的折减系数Fs就是边坡的安全系数。以下是对某岩质边坡稳定性的模拟示例。2模型模拟为某岩质边坡,高度为60m，坡角为60°，由于边坡赠送版仅适用于小单元数的模型计算，所以将网格划分为60×100个基元，尽管模型略显粗糙，但是同时也可以实现在不要求精度要求的情况下，大大的提高了计算速度。试样模型尺寸为60000mm×100000mm，。边界条件为X方向固定，即受位移约束，Y方向只受自重，

5、如图1。图160×100单元截图（单位：m）1工程地质计算机应用2009年第2期总54期模型建立中需要注意的是边界条件和模型形状的选取，对于边界条件的设定，本模型中是仅考虑了Y方向的自重，所以对X方向进行了位移约束，而Y方向设定的是无约束；对于形状的选取，要注意坡度，X向模型剩余长度等，否则会造成计算结果显示为从坡跟底部发生空洞跨塌而歪曲试验结果。3参数选取数值模型采用的岩石物理力学性质参数如表1。表1岩质边坡模型参数参数名称数值均值度系数m4弹性模量E(GPa)1.3泊松比ν0.25摩擦角(°)40自重(N/mm^

6、3)2.8e-5折减系数0.01初始强度(MPa)34完全岩质和具结构面岩质边坡数值实验4.1岩质边坡稳定性数值分析以下是整个计算过程中边坡开始发生显著滑动时的应力图。模型设定的折减系数为0.01，初始强度为3MPa,计算总步数是100,每一个计算步强度折减为3/100=0.03MPa。数值模型采用的岩石物理力学性质参数如表1。图2为变形过程截图。分别代表岩体超过弹性极限后开始发生破坏的各个阶段。见图2a、b、c、d。图2岩质边坡应力图【9】a、b图为稳定破裂发展阶段；c为不稳定破裂发展阶段；d表现为强度丧失和完全破

7、坏阶段。滑动【4】面自动求出，且其结果完全符合岩体变形破坏后期过程和阶段。通过计算分析表明，由于边坡的形成，岩体中地应力发生重新分布，平行于临空面的最大主应力显著升高，在边坡表面达到最大值，而垂直于临空面的最小主应力明降低，临空面附近岩体中应力差最大，主应力转为拉应力当其值超过了岩体的抗拉强【12】度后就会发生拉裂破坏，当所形成的拉张裂隙端部出现较大的应力集中时，拉裂隙将会进一步扩展，最终形成连续贯通破裂面。整个岩质边坡失稳垮塌【5】。4.2结构面岩质边坡的稳定性数值分析4.2.1节理发育的岩质边坡基础模型仍然采用原

8、模型，在靠近坡面10m处有一节理，该节理平行于坡面，贯通率约60%，计算模2工程地质计算机应用2009年第2期总54期型失稳部分过程，见应力比较图3如下：图3节理发育岩坡RFPA应力图该边坡变形破坏过程相同于完全岩质边坡，由于发育节理，边坡的整体性遭到影响，破坏完全被节理所控制，而后坡体沿节理面发生整体滑移而后导致失稳。4.2.2软弱夹层发育的