球状风化花岗岩类土质边坡随机重构与其失稳破坏模式研究_豆红强.pdf

书书书Journal of Engineering Geology工程地质学报10049665/2023/31(2)-0617-11豆红强，谢森华，王浩，等 2023 球状风化花岗岩类土质边坡随机重构与其失稳破坏模式研究J 工程地质学报，31(2):617627 doi:1013544/jcnkijeg20210648Dou Hongqiang，Xie Senhua，Wang Hao，et al 2023 Study on random reconstruction and failure mode of spherical weathered granitic soil-like slopeJJournal of Engineering Geology，31(2):617627 doi:1013544/jcnkijeg20210648球状风化花岗岩类土质边坡随机重构与其失稳破坏模式研究*豆红强谢森华王浩简文彬(福州大学，紫金地质与矿业学院，福州 350108，中国)(地质工程福建省高校工程研究中心，福州 350116，中国)摘要球状风化花岗岩类土质边坡高度的非均质性、非连续性以及土球接触界面的复杂性致使其失稳破坏复杂多变，综合运用几何学、计算机随机模拟技术等，以有限元软件 ABAQUS 为平台，基于 Python 开发了球状风化花岗岩类土质边坡的随机结构模型程序，研究了球状风化体的含量、空间分布、粒度组成以及土球接触界面等作用下球状风化体类土质边坡的失稳破坏模式。结果表明:球状风化花岗岩类土质边坡破坏模式复杂多变，且由于球状风化体的存在，使得该类边坡的潜在滑动面极其不规则，甚至出现多条滑动面;位于滑动面附近的风化体阻碍了滑动面的发育，迫使其出现“绕石、分流或者包含”的塑性扩展模式。随着球状风化体含量的增长，坡体内部越来越难以形成单一的、上下贯通的滑动面，安全系数随之逐步提高;(0.220.3)Lc粒径风化体含量越多，区风化体所占面积越大，越有利于边坡稳定;土球接触界面最有可能发展为滑动面，界面接触类型显著影响着球状风化花岗岩类土质边坡的失稳演化过程。研究成果可为合理准确地评价球状风化花岗岩类土质边坡的稳定性提供科学依据和理论支撑。关键词类土质边坡;数值模拟;随机重构;球状风化体;失稳破坏模式中图分类号:U416.1+4文献标识码:Adoi:1013544/jcnkijeg20210648*收稿日期:20210923;修回日期:20211230基金项目:国家自然科学基金(资助号:42007235，41972268，U2005205)，福州市科技创新平台项目(资助号:2021P032)This research is supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos 42007235，41972268，U2005205)and the Science andTechnology Innovation Platform Project of Fuzhou Science and Technology Bureau(Grant No 2021P032)第一作者简介:豆红强(1987)，男，博士，副教授，硕士生导师，主要从事地质灾害及其防治等方面的科研与教学工作 E-mail:douhqfzueducn通讯作者简介:王浩(1978)，男，博士，教授，硕士生导师，主要从事滑坡与工程边坡等方面的科研与教学工作 E-mail:h_wang126comSTUDY ON ANDOM ECONSTUCTION AND FAILUE MODE OFSPHEICAL WEATHEED GANITIC SOIL-LIKE SLOPEDOU HongqiangXIE SenhuaWANG HaoJIAN Wenbin(School of Zijin Geology and Mining，Fuzhou University，Fuzhou 350108，China)(Geological Engineering esearch Center，Fujian Provincial University，Fuzhou 350116，China)AbstractThe non-homogeneity and discontinuity of the height of spheroidal weathered granite type soil slopes andthe complexity of the soil-ball contact interface cause their instability damage to be complex and variable The fail-ure mode of spherical weathered granite-like soil slopes is studied taking into account the action of content，spatialdistribution，grain size composition and soil-sphere contact surface The results show that the damage pattern ofspheroidal weathered granite slopes is complex and variable The presence of spheroidal weathering bodies makesthe potential sliding surface of these slopes extremely irregular，and even multiple sliding surfaces appear Theweathered bodies located near the sliding surface hinder the development of the sliding surface，forcing the plastici-ty of“rock-winding，diversion or inclusion”As the content of spherical weathered bodies grows，it is more andmore difficult to form a single sliding surface inside the slope body，and the safety factor gradually increases Themore the content of(0.220.3)Lcsize weathering bodies，the larger the area occupied by the weathering bodies inZone，the more favourable to slope stability The soil-ball contact interface is most likely to develop into a slidingsurface，and the interface contact type significantly affects the sliding surface of spherical weathered The interfacecontact type significantly influences the destabilization evolution process of granite-like soil slopes The research re-sults can provide scientific basis and theoretical support for evaluating the stability of spheroidal weathered graniticsoil slopes reasonably and accuratelyKey wordsSoil-like slope;Numerical simulation;andom reconstruction;Spherical weathered body;Failure mode0引言球状风化是花岗岩发育区较为突出的一种不良地质现象，给人民群众的生命财产与工程建设带来严重威胁和重大损失。武广客运专线韶关至花都段，通过定测钻探发现直径 14 m 不等的球状风化体分布广泛，使工程设计和施工频频受阻(冯涛等，2007);位于球状风化发育区的三福高速公路罗盘基隧道进口段的高边坡，在采用预应力锚索抗滑桩结合锚索框架梁加固后，受降雨作用仍产生显著变形，由此造成的直接经济损失超1000 万元(王浩等，2011);更有甚者，受台风塔拉斯影响，日本纪伊半岛发生数百起内含花岗岩球状风化体的滑坡与泥石流，并致 23 人死亡(Hirata et al，2019)。尽管如此，目前有关球状风化体的研究仍较为薄弱，研究成果也多集中在球状风化体的形成机理(Ollier，1971;Fletcher et al，2006;Hirata et al，2017;Vierra et al，2018)、分布规律与其工程特性(冯涛等，2007;许贵华等，2018)以及勘察识别(钟宇等，2017)等方面。东南沿海区内花岗岩差异风化严重，风化壳厚度从数米至百米不等，原岩经风化残留的类土质层中多含隐伏的球状风化体，致使球状风化花岗岩类土质边坡广泛发育，如图 1 所示。从岩土介质构成上来讲，球状风化花岗岩类土质边坡在分类上属于土石混合体边坡(徐文杰等，2009)，但又表现出显著的自身特点(史成江等，2011;Hirata et al，2017;张维泉，2018):(1)受差异风化作用，球状风化体具有空间分布离散性大、隐伏特征强等特点，且在垂直剖面上表现为显著的不均匀性;(2)由花岗岩风化而成的类土质体继承并保留了母岩的部分结构面特征，其本身即表现出土石混合体的特性，再加上存图 1典型球状风化体边坡Fig 1Spherical weathered granite soil-like slopea 漳州山梅公路沿线的“石蛋群”;b 沈海复线某类土质边坡开挖的球状风化体在粒径较大(多为 0.15.0 m)的球状风化体，总体表现为粒径尺寸悬殊、极端不均匀以及非连续等特点;(3)球状风化体具有岩质坚硬且相对完整的特点，而类土质体则是花岗岩风化后的残余物，两者强度、渗透特性等物理力学指标极其不匹配。因此，采用考虑复合强度的等效均质连续体假定来分析球状风化花岗岩边坡的失稳机制及稳定性与实际状态严重不符(Kalender et al，2014;Napoli et al，2018)。与此同时，一些学者也采用随机重构的方法研究了土石混合体边坡的失稳机制。李亮等(2017)采用 MATLAB 编制相应程序生成一定级配的不规则块石数据，并采用 FLAC3D内嵌的有限差分强度折816Journal of Engineering Geology工程地质学报2023减法对块石边坡进行了稳定性分析。刘顺青等(2019)根据土石混合边坡中的块石含量及级配，随机生成了含石率从 10%60%的多边形块石土石混合体模型，并与采用两种等效强度参数模型所得的结果进行了对比。事实上，当前已有较多土石混合边坡的随机重构方法，但未系统地揭示块石含量及其随机分布与边坡失稳破坏模式关系。鉴于此，本文以有限元软件 ABAQUS 为平台，基于 Python 开发了球状风化花岗岩类土质边坡的随机结构模型程序，结合有限元强度折减法，系统地探讨了球状风化体空间分布、排列方式、粒度、含量以及土球相互作用等因素下该类边坡的失稳破坏模式，以期为准确评价球状风化花岗岩类土质边坡的稳定性提供科学依据。1