球状风化体混合花岗岩边坡稳定性分析_李勇.pdf

引用格式：李勇，陈玮龙，许方党，等球状风化体混合花岗岩边坡稳定性分析安全与环境工程，（）：，（）：球状风化体混合花岗岩边坡稳定性分析李勇，陈玮龙，许方党，周春梅（武汉工程大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉 ）摘要：为准确地分析球状风化体混合花岗岩边坡的稳定性，采用传统极限平衡法，考虑球状风化体含量为 共种不同情况，利用 软件中的 模块和 模块研究了球状风化体含量、直径和位置对混合花岗岩边坡稳定性的影响。结果表明：随着球状风化体含量的增加，混合花岗岩边坡的稳定性系数增加，边坡最危险滑动面向深部发展；当球状风化体的直径逐渐增大时，混合花岗岩边坡的滑动面深度会由深变浅，其稳定性系数会逐渐减小，但变化幅度不大；球状风化体的位置分布对混合花岗岩边坡稳定性的影响较大，当球状风化体分布在混合花岗岩边坡的上部时边坡的稳定性系数最小，分布在混合花岗岩边坡的中部时边坡的稳定性系数次之，分布在混合花岗岩边坡的下部时边坡的稳定性系数最大，球状风化体分布在混合花岗岩边坡浅层时边坡的稳定性系数比分布在边坡深层时大，球状风化体位置分布对混合花岗岩边坡稳定性具体的影响关系表现为：边坡下部边坡中部边坡上部，边坡浅层边坡深层；与无孤石边坡对比，加入孤石以后，边坡最危险滑动面会随着孤石的加入而改变，呈现明显的绕开孤石的效应。该研究成果可为混合花岗岩边坡的设计和治理提供理论参考。关键词：球状风化体；混合花岗岩边坡；球状风化体含量；球状风化体直径；球状风化体位置；边坡稳定性中图分类号：；文章编号：（）收稿日期：开放科学（资源服务）标识码（）：基金项目：国家自然科学基金项目（、）；武汉工程大学校研究生教育创新基金项目（）作者简介：李勇（），男，硕士研究生，主要研究方向为边坡稳定性分析。：通讯作者：周春梅（），女，博士，教授，主要从事地质灾害危险性评价与防治技术方面的研究。：，（，）：，；，；，第 卷第期 年月安 全 与 环 境 工 程 ：，；，：；花岗岩中普遍发育着球状风化体（风化孤石），球状风化体的形成受原生节理及风化作用的控制，常呈椭球状或不规则球状。粒径大小不一的风化球体易受外界因素的扰动，形成高空落石或坡面滚石，坚硬的风化球体与残积土或全风化岩混杂的斜坡受降雨或开挖的影响易产生崩塌和滑坡，形成复杂的斜坡地质灾害。花岗岩球状风化体具有分布不确定性、埋藏边界的隐蔽性等特点，目前学者们对含块石的边坡稳定性进行了一系列研究。如：张森等提出了运用离散元数值模型随机生成技术（）生成土石混合体边坡数值模型，并运用强度折减法（）开展了块石含量对边坡稳定性影响的数值分析；刘顺青 等利 用 随 机 生 成 了 含 石 率 从 的土石混合体边坡数值模型，每种含石率均考虑种不同的块石分布位置，并采用有限元极限分析法对土石混合体边坡稳定性进行了数值分析；刘晓华等利用 建立了球状风化体花岗岩边坡数值模型，采用 对模型进行网格划分，并基于 对边坡稳定性进行了分析；钟宇等利用自主研制的电火花震源等探测系统和地质专家分析法，揭示了探测区域球状风化体的空间分布规律；严颖等利用离散元软件，研究了块石含量和空间分布对土石混合体抗剪强度的影响；李建强等采用地表调绘、钻探、物探三种手段，从不同角度对花岗岩球状风化的地表分布特征和地下分布特征进行了研究，并进行了综合对比分析；林镇等利用工程地质分析与数值模拟相结合的方法，研究了球状风化体花岗岩边坡滚石的运动轨迹、停滞概率和冲击特性等成灾规律，并模拟分析了坡形坡率优化、平台缓冲介质和滚石拦挡措施的减灾机理和工程效果；黄恒儒对花岗岩球状风化体的形成机制以及盾构穿越球状风化体群产生的地面沉降、姿态控制、设备安全的风险进行了研究；董荣 研究了花岗岩球状风化体的形成机理，认为花岗岩球状风化是亲水矿物吸水及失水造成的膨胀收缩的结果；李新峰等 通过对云南临沧特殊风化花岗岩建坝实践和资料进行分析，提出了坝基设计所需的关键地质参数；黄献文等 利用 分析得出不同的较大块石分布位置对土石混合体边坡稳定性的影响较大；等 研究了基于干湿循环条件下盐浓度对花岗岩风化程度的影响；等 通过物理模型试验，研究了降雨入渗条件下全风化花岗岩边坡的响应规律；李凯等 通过物理力学试验，研究了饱和度对湿热地区风化花岗岩双层土质边坡抗剪强度的影响；卢有谦等 以不同风化程度的花岗岩双层土质边坡土体为研究对象，利用压力板法和饱和盐溶液蒸汽平衡法，研究了在全吸力范围内压实样的持水特性；李杰林等 通过冻融循环试验，研究了风化岩石在冻融循环作用下物理特性的变化规律。综上所述，目前有关花岗岩球状风化体的研究进展较快，但针对球状风化体的存在对混合花岗岩边坡稳定性的影响未做系统的研究。为此，本文依托云南省墨江至临沧公路 土建 标段拟修建的工程实例，针对球状风化体对混合花岗岩边坡稳定性的影响做详细研究。首先通过 平台建立随机场，并将 数据导入到 ，再导入到 数值模拟软件，以此来建模；然后通过调整土体参数来模拟球状风化体混合花岗岩边坡，从而进行边坡稳定性分析，并研究球状风化体的含量、直径和位置对混合花岗岩边坡稳定性的影响，以为球状风化体混合花岗岩边坡设计与施工提供参考依据。工程背景拟修建公路工程位于云南省墨江至临沧公路 土建 标 段，拟 建 路 线 右 右 段地形起伏较大，设计拟以深挖路堑形式通过。该深挖路段总长为 ，中心最大挖方高度约 ，该深挖路堑段施工开挖后，将在右侧形成高约 的岩土质边坡，该边坡坡比按 选用，分台，平台宽。该边坡岩土体岩性为粉质黏土及全风化花岗岩，全风化花岗岩呈砂土状散体结构，遇水易崩解，安全与环境工程 ：第 卷加之球状风化体的存在易形成落石及崩塌，边坡稳定性较差，属不稳定结构。该边坡开挖横断面和纵剖面示意图如图和图所示。图 标段球状风化体混合花岗岩边坡横断面示意图 图 标段球状风化体混合花岗岩边坡纵剖面示意图 根据云南省墨江至临沧公路地质调查、钻孔揭露和瞬变电磁法测试结果可知，挖方路堑段水文地质条件较简单，地下水水位埋深较深，对挖方路堑段的影响较小，因此在本次深挖段边坡稳定性计算分析中，未考虑地下水对边坡稳定性的影响。根据勘察和物探测试结果以及边坡开挖后揭露情况，本文在边坡稳定性分析中，考虑全风化花岗岩中裹有直径约左右的球状风化体（称之为混合花岗岩），球状风化体面积占斜坡截面积的 （按、和 分别计算，视作球状风化体含量），埋置深度随机分布。球状风化体混合花岗岩边坡数值模型构建 随机场理论引入数值模型花岗岩中普遍发育球状风化体（即风化孤石），孤石分布具有不均匀、离散性强的特点，因此引入随机场理论模拟孤石的实际分布情况。特殊区域的孤石分布规律具有相似性，因此该结论可为具有相似条件的地区提供参考。对于目标段 ，要考虑风化层中裹有直径约为 左右的球状风化体，基于 平台，用直径为 的圆来近似模拟球状风化体。对于此边坡，取其深挖工程地质断面图进行二维分析。简化边坡面为一条直线，坡高为 ，靠近公路边坡高为 ，长为 ，坡度近似为 ，以这个梯形近似模拟该拟建公路项目的边坡。利用 平台在此梯形内设立随机圆，圆的面积分别占梯形总面积的、和（即球状风化体含量），以此来模拟球状风化体在边坡体中的随机分布。基于 平台作出的球状风化体随机分布图（以球状风化体含量 为例），见图。图球状风化体随机分布图（球状风化体含量为）（）本文将针对花岗岩球状风化这一特殊的边坡稳定性问题，先利用随机场理论，基于 平台，生成球状风化体在混合花岗岩边坡内的随机分布场；然后将 数据导入到 ，再导入到 数值模拟软件，以此来建模；最后通过调整土体参数来模拟混合花岗岩边坡，从而进行边坡稳定性分析。球状风化体混合花岗岩边坡数值模型构建根据当地滑坡数据并结合文献 可知，该地区滑动面深度平均在 之间，因此结合已获取的球状风化体分布随机场模型，本文构建了两个不同的球状风化体混合花岗岩边坡数值模型：球状风化体仅分布在最危险滑动面以上的混合花岗岩边坡数值模型 见图（）；在此基础上最危险滑动面以下随机分布球状风化体的混合花岗岩边坡数值第期李勇等：球状风化体混合花岗岩边坡稳定性分析模型 见图（）。构建这两个边坡数值模型的目的是研究球状风化体对混合花岗岩边坡稳定性的影响，以及球状风化体的分布对混合花岗岩边坡稳定性的影响。图球状风化体混合花岗岩边坡数值模型 根据勘察报告给出的材料参数，并结合试验及现场勘探，获得用于数值计算的球状风化体混合花岗岩边坡岩土体的物理力学性质参数，如表所示。表球状风化体混合花岗岩边坡岩土体物理力学性质参数 土层名称天然重度（）泊松比弹性模量（）天然抗剪强度 （）粉质黏土 混合花岗岩 球状风化体 通过以上两个不同的球状风化体混合花岗岩边坡数值模型得到的边坡位移图，如图所示。图球状风化体混合花岗岩边坡位移图 由图可以看出：当有球状风化体分布在混合花岗岩边坡中时，边坡的位移曲线并不是圆弧状，而是会绕开球状风化体，呈现出明显的绕石效应；当滑动面发生在边坡的中下缘，且当整体球状风化体含量提高时，滑动面位置会因为重力作用向边坡下部偏移；当球状风化体含量继续提高时，球状风化体会逐渐取代土体的骨架作用，趋向于岩质边坡，因此边坡的最大位移变小。通过数值计算后两个不同混合花岗岩边坡的稳定性系数如下：仅最危险滑动面以上分布球状风化体混合花岗岩边坡的稳定性系数为 ；随机分布球状风化体混合花岗岩边坡的稳定性系数为 。通过对比发现，当最危险滑动面以下增加球状风化体时，对混合花岗岩边坡整体稳定性的影响很小。因此在接下来的建模中，将忽略最危险滑动面以下球状风化体对混合花岗岩边坡稳定性的影响，仅考虑最危险滑动面以上球状风化体对混合花岗岩边坡稳定性的影响。安全与环境工程 ：第 卷球状风化体混合花岗岩边坡稳定性分析本文选用 软件中的 模块（边坡稳定分析模块）和 模块（岩土应力变形分析模块）对球状风化体混合花岗岩边坡稳定性进行分析，并运用经典土力学理论极限平衡法研究边坡稳定性的变化规律。球状风化体含量对混合花岗岩边坡稳定性的影 响在球状风化体混合花岗岩边坡中，球状风化体含量（）的多少可能会影响边坡的稳定性。根据上一节的结论，最危险滑动面以下的球状风化体对混合花岗岩边坡稳定性的影响较小，且平均风化深度在 以内，因此本文的建模均仅考虑风化层厚度为 以内的球状风化体。根据勘察报告可知，该地区球状风化体含量在 以内，故在建模分析时本文考虑球状风化体含量最高为，以探索球状风化体含量对混合花岗岩边坡稳定性的影响规律。本文考虑球状风化体含量分别为、和 时，通过计算球状风化体混合花岗岩边坡的稳定性系数，并搜索最危险滑动面，从而得到不同球状风化体含量下混合花岗岩边坡内部岩土体抗剪强度和稳定性系数及其稳定性变化规律，见图至图。由图至图可以看出：随着球状风化体含量的增加，混合花岗岩边坡内部岩土体的抗剪强度和稳定性系数（即安全系数）发生了很大的变化，具体分析如下：（）对于该混合花岗岩边坡岩土体的抗剪强度，沿着水平方向均呈抛物线型，即边坡岩土体抗剪强度先增加后减少，随着球状风化体含量的增加，其滑动面处岩土体抗剪强度不断增加，岩土体最大抗剪强度出现在边坡中间 部位；随着球状风化体含量由变化到，边坡岩土体最大抗剪强度由 变化为 （见图）。这是因为在球状风化体含量较低时，球状风化体在整个岩土结构中是悬浮状态，其整体结构仍可认为是土质边坡；随着球状风化体含量不断提升，球状风化体在岩土结构中所占比重越来越大，逐渐成为整个边坡的骨架，此时呈现的状态类似于岩质边坡，因此其抗剪强度在不断提高。边坡岩土体抗剪强度的突变现象，是由于在极限平衡法的条分过程中，条块底部，也就是与滑动面接触的部分穿过了球状风化体，而球状风化体的抗剪强度是很高的，类似于岩质结构，因此在图（）中会存在边坡岩土体抗剪强度突变图不同球状风化体含量（）下混合花岗岩边坡内部岩土体的抗剪强度 （）现象。该观点与文献 观点一致。（）随着球状风化体含量（之间）的增加，混合花岗岩边坡的最危险滑动面位置越来越往深部发展，同时边坡的稳定性逐渐增大（见图）。这是因为随着球状风化体含量的增加，球状风化体构成了混合花岗岩边坡内部的受力骨架，提高了边坡岩土体整体的抗剪强度