1、低温建筑技术-冻土与地基基础Dec.2022 No.294DOI：10.13905/ki.dwjz.2022.12.023实例分析差异风化型危岩的稳定性ANALYSIS OF THE STABILITY OF DIFFERENTIALLY WEATHERED DANGEROUS ROCK WITH ACASE STUDY宋新宝，马元顺，朱晓玄（中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038）SONG Xinbao,MA Yuanshun,ZHU Xiaoxuan（CHINA Enfi Engineering Technology Co.,Ltd.,Beijing 100038,China）【摘要
2、】为揭示差异风化危岩的位移特征和崩塌影响因素，文中以重庆市开县麻柳乡危岩边坡工程为实例，采用数值分析软件，对不同岩腔风化深度和岩体主裂隙深度工况下危岩体的稳定性进行了有限元分析。研究结果表明，岩腔风化深度为危岩体崩塌的主要影响因素，且动力作用会加速危岩体的崩塌，岩腔风化深度对危岩的崩塌预警具有重要参考意义。【关键词】差异风化型危岩；动力稳定性分析；风化深度；危岩崩塌【中图分类号】TU457【文献标志码】A【文章编号】1001-6864（2022）12-0104-05Abstract：Taking a dangerous rock slope project in Chongqing as th
3、e case,the weathering depth of the rock cavityand the depth of the main fissure of the rock mass are analyzed by the finite difference method in FLAC3D software,in which the displacement under dynamic load is analyzed by DDA software.Through the results of static and dynamic analysis,it is concluded
4、 that the weathering depth of rock is the main influencing factor,which predicts thecollapse of the dangerous rock,providing guidance for the prevention measures.Key words：differential weathered dangerous rock;dynamic stability analysis;weathering depth;dangerous rockcollapse0引言差异风化型危岩是指在软硬岩互层的沉积岩地区
5、，陡倾的岩质边坡表面风化剥落速度不同，下伏的软岩退进形成岩腔，上部的硬岩向外悬挑，构成危岩1。我国西南地区广泛存在泥质岩与砂质岩（或灰岩等）软硬互层结构的地层，其中泥岩风化速度快，泥岩基座风化内缩，形成岩腔，其上部的砂岩悬挑日益严重，当达到一定的破坏准则时，砂岩上形成主控裂隙，从而发育为差异风化型危岩。在重力或者地震等其他外力作用下，危岩体脱离母体，形成崩塌，对山区民居安全以及道路行车安全造成威胁，巨型危岩体的崩塌甚至会导致堰塞湖形成，威胁下游流域安全。因此对危岩体崩塌的机理研究以及防治具有重要的经济社会价值。危岩失稳模式是危岩稳定性及锚固研究的基础。对于岩腔失稳破坏来说，最常见的破坏模式是悬
6、臂岩体的拉裂崩塌。陈明东2根据受力模式将危岩失稳模式分为板梁旋滑移和悬臂压杆破坏两类；张奇华3将危岩失稳模式分为八类；孙云志4将危岩失稳模式分为滑移和倾倒两类。陈洪凯等5将危岩失稳模式分为坠落式危岩、滑塌式危岩和倾倒式危岩，该分类已经在三峡库区的万州太白岩、云阳磨子岭等工程得到成功应用。王根龙等6研究了突出悬臂危岩体的崩塌机理并推导出稳定性计算公式。陈佳等7通过极限分析上限法对层状边坡稳定性进行了研究。陈维等8推导出差异风化型危岩岩腔内泥岩压应力与岩腔深度之间的关系公式。研究表明，危岩的静力稳定性分析已经趋于成熟，但危岩在地震等动力荷载作用下的稳定性分析还在探索中，没有成熟可靠的评价方法与标准
7、可循，因此，在动力荷载作用下的研究成为了国内外工程界和学术界普遍关注的课题。危岩受到的动力荷载中所造成的破坏最多、最大当属地震荷载。开展地震荷载作用下危岩的地震反应、动力稳定性及工程安全性的研究，对于减小地震荷载诱发的灾害，确保工程的安全，保障国家基础设施建设，具有极其重要的经济和社会价值。因此，文中以某差异风化型危岩工程为例，对危岩体在静力和动力作用下的稳定性、位移特征以及崩塌影响因素等展开研究。1工程概况危岩的分析与治理难度都较大，力学模型较少，国内对危岩的研究也多从工程出发，具体问题具体分104风化3m风化1m得出静力分析结果得出动力分析结果差异性风化危岩的动力性研究静力计算动力计算加载
8、动力风化2m风化1m风化2m风化3m裂隙2m裂隙4m裂隙6m裂隙2m裂隙4m裂隙6m裂隙4m裂隙6m析。文中将以重庆市开县麻柳乡危岩为例进行分析，危岩实地勘察结果：岩层产状平缓为310，岸坡较陡，坡度为7080，上层为砂岩，中间有厚度为1m的泥岩，下面又为砂岩，形成典型的差异风化型危岩。危岩外挑近1.5m，在上部距离悬挑边缘为5.5m左右的地方有裂缝，深度大概为 2m，裂隙宽度通常在 0.58cm，最宽的达到12cm。2数值计算分析2.1模型建立文中静力分析采用有限差分软件FLAC3D进行分析，并采用ANSYS软件达到迅速并优化建模的方式，分析差异风化型危岩在重力作用下，岩腔不同风化深度和岩体
9、主裂隙深度的破环情况。动力分析采用非连续变形分析法（DiscontinuousDeformation Analysis，简称DDA）进行分析，主要分析差异风化型危岩在动力作用下，不同岩腔风化深度的影响。DDA是石根华博士于20世纪80年代发展的新型数值计算方法，是一种继离散元法之后用于分析节理岩体的非连续变形分析方法，可以用来计算块体系统动力学和静力学问题。除能克服连续模型的局限性外，还能模拟岩体运动，具备“完全的运动学理论及其数值实现、完美的一阶位移近似、严格的运动平衡、正确的能量消耗、高的计算效率”。为了简化计算，取危岩体向外悬挑1.477m，高度为 6m，纵向深度为 40m。并取裂缝的宽
10、度上部为5cm，下部为2cm；泥岩的厚度为1m，模型尺寸如图1所示。经查当地地质相关资料等，对模型所取的物理参数见表1。图1差异风化型危岩的模型尺寸（单位：mm）表1岩体物理力学参数岩性砂岩泥岩体积模量/（Nm-2）1.20E+101.19E+09切变模量/（Nm-2）8.20E+097.69E+08内聚力/N5.94E+053.90E+05内摩擦角/（）5531密度/（kgm-3）26502450泊松比0.220.30粘结力/N1.50E+062.00E+05抗拉强度/（Nm-2）1.10E+065.00E+05采用弹性材料模型，屈服准则采用Mohr-Coulomb强度准则，忽略圣维南效应对
11、边坡稳定性分析的影响。且因边坡的变形和破坏主要发生在坡体的浅部，构造应力在长期的地质过程中已经消失殆尽，因此模型边界不考虑构造应力的作用，只考虑自重应力作用。计算模型所采用的位移边界条件：基底采用刚性边界，同时约束水平方向、竖直方向的位移；左右边界采用水平约束，约束水平方向的位移，只允许竖向沉降；地表边界为自由边界。差异风化型危岩的简化模型及网格划分如图2所示。文中技术路线如图3所示。2.2静力计算分析结果文中对技术路线中，自然状态、岩腔风化1、2m和3m及每种状态下的裂隙深度2、4、6m共计9种状态进行了有限元分析，通过对比各状态下应力云图、X向Y向位移、总位移及塑性区云图等云图发现总位移云
12、图最直观有效。下图列举了几种状态下分析的总位移云图。图4图11为FLAC3D软件静力分析结果。通过对多种工况计算结果对比得出以下结论，在风化深度为1、2m时，即使裂隙达到6m深（上部岩体仅7m厚），在静力下，仍处于安全状态。只有当泥岩层风化3m图3技术路线图2差异风化型危岩的简化模型及边坡网格划分Block Groupshayanniyan14618800014776000400055003977700010009000105低温建筑技术-冻土与地基基础Dec.2022 No.294且裂隙达到6m时，其最大位移达0.835m，裂隙前面的岩石才垮塌，造成滚石，在此之前的8种状态分析最大位移仅到毫
13、米级，均没有造成明显崩塌。通过对两个变量进行横向和纵向对比可得：（1）在风化深度不变的情况下，随着裂隙的加图11风化3m裂隙6m位移Contour of Displacement Mag.Plane:onMagfac=0.000e+0002.8765e-005 to 5.0000e-0055.0000e-005 to 7.5000e-0057.5000e-005 to 1.0000e-0041.0000e-004 to 1.2500e-0041.2500e-004 to 1.5000e-0041.5000e-004 to 1.7500e-0041.7500e-004 to 2.0000e-00
14、42.0000e-004 to 2.2500e-0042.2500e-004 to 2.5000e-0042.5000e-004 to 2.7500e-0042.7500e-004 to 2.8001e-004Interval=2.5e-005图4自然状态下位移云图Contour of Displacement Mag.Plane:onMagfac=0.000e+0000.0000e-000 to 5.0000e-0055.0000e-005 to 1.0000e-0041.0000e-004 to 1.5000e-0041.5000e-004 to 2.0000e-0042.0000e-00
15、4 to 2.5000e-0042.5000e-004 to 3.0000e-0043.0000e-004 to 3.5000e-0043.5000e-004 to 4.0000e-0044.0000e-004 to 4.5000e-0044.5500e-004 to 4.6875e-004Interval=5.0e-005图5风化1m裂隙4m时位移Contour of Displacement Mag.Plane:onMagfac=0.000e+0001.6575e-011 to 1.0000e-0041.0000e-004 to 2.0000e-0042.0000e-004 to 3.00
16、00e-0043.0000e-004 to 4.0000e-0044.0000e-004 to 5.0000e-0045.0000e-004 to 6.0000e-0046.0000e-004 to 7.0000e-0047.0000e-004 to 8.0000e-0048.0000e-004 to 9.0000e-0049.0000e-004 to 9.1854e-004Interval=1.0e-004图6风化1m裂隙6m时位移图7风化2m裂隙2m时位移Contour of Displacement Mag.Magfac=0.000e+0000.0000e-000 to 5.0000e-0055.0000e-005 to 1.0000e-0041.0000e-004 to 1.5000e-0041.5000e-004 to 2.0000e-0042.0000e-004 to 2.5000e-0042.5000e-004 to 3.0000e-0043.0000e-004 to 3.5000e-0043.5000e-004 to 4.0000e-0044.0000e-004 to