結(jié)構(gòu)面形態(tài)對(duì)巖體應(yīng)力分布狀態(tài)的影響

吉 鋒

（成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610059）

0 引 言

眾所周知，邊坡的破壞多沿應(yīng)力集中部位產(chǎn)生，而邊坡內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)分布影響因素眾多，不僅與邊坡的幾何形態(tài)，強(qiáng)度參數(shù)條件、邊界條件和約束條件密切相關(guān)，而且對(duì)于某些結(jié)構(gòu)面優(yōu)勢(shì)發(fā)育的非均質(zhì)邊坡，應(yīng)力狀態(tài)會(huì)隨著坡高、坡比，結(jié)構(gòu)面形態(tài)、結(jié)構(gòu)面參數(shù)而發(fā)生顯著變化，不同坡高、不同開(kāi)挖坡比、不同參數(shù)的結(jié)構(gòu)面對(duì)邊坡應(yīng)力分布狀態(tài)的影響目前研究較多，主要有以下規(guī)律[1]。

不同坡度的邊坡：隨著坡度的增大，剪應(yīng)力不斷向坡腳集中，分布位置為自坡腳起，至坡腳上部的數(shù)米范圍以?xún)?nèi)；最大主應(yīng)力基本上與邊坡地形相平行，坡度越緩該規(guī)律越明顯，坡度增大后，會(huì)在坡腳出現(xiàn)應(yīng)力集中，這個(gè)部位也是最容易破壞的擠壓破壞點(diǎn)。

不同高度下的邊坡：在坡度相同，高度逐漸增大的情況下，邊坡剪應(yīng)力分布形態(tài)基本相似，均為坡腳應(yīng)力集中，上部剪應(yīng)力小，圖形呈“勺”狀，但是由于高度增大，剪應(yīng)力值有明顯的差異；隨著高度的增大，最大主應(yīng)力逐漸平緩。當(dāng)邊坡高度達(dá)30m時(shí)，應(yīng)力云圖基本與地形坡度相平行；隨著高度逐漸增大，應(yīng)力圖受地形坡度影響逐漸減小，應(yīng)力圖逐漸變的較為水平，且隨著高度增大，坡腳的應(yīng)力也逐漸增大。

不同結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)下邊坡應(yīng)力分布具有如下規(guī)律：由于結(jié)構(gòu)弱面的存在，邊坡的剪應(yīng)力由坡腳擴(kuò)散，逐步連通坡腳與結(jié)構(gòu)若面之間的范圍，且隨著結(jié)構(gòu)面材料強(qiáng)度的降低，該范圍逐步增大；在結(jié)構(gòu)面附近，邊坡內(nèi)剪應(yīng)力出現(xiàn)跳躍性突變，一般會(huì)由于結(jié)構(gòu)面的存在，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面附近的剪應(yīng)力集中，且隨著結(jié)構(gòu)面材料強(qiáng)度降低，集中現(xiàn)象越為明顯，加之結(jié)構(gòu)面附近強(qiáng)度較低，所以易沿著結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑移破壞。

但是，目前關(guān)于結(jié)構(gòu)面形態(tài)對(duì)邊坡應(yīng)力布的影響研究較少，本文通過(guò)數(shù)值分析對(duì)其進(jìn)行了深入研究。

2 結(jié)構(gòu)面形態(tài)敏感性分析

為模擬結(jié)構(gòu)面起伏形態(tài)對(duì)邊坡內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變的影響，尤其結(jié)構(gòu)面上應(yīng)力分布狀態(tài)，本文采用四種不同結(jié)構(gòu)面的巖體試件進(jìn)行模擬，按照結(jié)構(gòu)面起伏狀態(tài)，分別為平直性結(jié)構(gòu)面、鋸齒狀結(jié)構(gòu)面、波狀結(jié)構(gòu)面、臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)面，為減小剪切試樣尺寸效應(yīng)的影響，本次剪切模擬試驗(yàn)的尺寸為8 m×8 m×8 m，沿著y方向、z方向進(jìn)行固定鉸支約束，然后分別在結(jié)構(gòu)面兩側(cè)加剪切力，力的大小為10 MPa。另外，在臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)面模擬時(shí)，當(dāng)剪切力較大時(shí)，計(jì)算結(jié)果不收斂，故在臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)面模擬中剪切力僅僅取0.1 MPa。模型圖及結(jié)構(gòu)面上的應(yīng)力分布如圖1～圖4所示：

圖1 平直結(jié)構(gòu)面剪切模擬圖

圖2 鋸齒狀結(jié)構(gòu)面剪切模擬圖

圖3 波狀結(jié)構(gòu)面剪切模擬圖

圖4 臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)面剪切模擬圖

由上圖可知，不同結(jié)構(gòu)面形態(tài)下巖石應(yīng)力分布狀態(tài)具有如下特征：

（1）由 x方向剪應(yīng)力圖可知，在結(jié)構(gòu)面附近的剪應(yīng)力均比其兩側(cè)的剪應(yīng)力值高。如在平直狀、鋸齒狀、臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)面試件中，結(jié)構(gòu)面兩側(cè)的剪應(yīng)力一般在0～2MPa，而結(jié)構(gòu)面上的剪應(yīng)力一般在2～4MPa，臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)面由于剪切力較小，在結(jié)構(gòu)面及其兩側(cè)剪應(yīng)力區(qū)別不甚明顯。此外，平直結(jié)構(gòu)面處剪應(yīng)力連續(xù)性較好，波狀結(jié)構(gòu)面處剪應(yīng)力連續(xù)性次之，其次為鋸齒狀、連續(xù)性最差的為臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)面試件，這表明安全性最差的為平直結(jié)構(gòu)面試件、安全性最好的為臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)面試件。

（2）從最大主應(yīng)力分布圖可知，試件的最大主應(yīng)力在力的施加部位最為集中，向另外一側(cè)逐漸衰減，這表明當(dāng)面力施加作用于試件時(shí)，并不是由全部整個(gè)剪切結(jié)構(gòu)面共同承擔(dān)，而是由施加力端點(diǎn)部位局部首先承擔(dān)。

（3）由結(jié)構(gòu)面剪應(yīng)力分布圖可知，對(duì)于平直結(jié)構(gòu)面，由于力的傳遞比較順暢，剪應(yīng)力最大點(diǎn)位于結(jié)構(gòu)面中部，向兩側(cè)逐漸衰減；對(duì)于鋸齒狀結(jié)構(gòu)面，剪應(yīng)力在力的施加部位更加集中，向另外一側(cè)逐漸衰減，而且剪應(yīng)力僅在阻擋滑動(dòng)的一側(cè)出現(xiàn)，另外一側(cè)剪應(yīng)力集中現(xiàn)象不甚明顯。對(duì)于波狀結(jié)構(gòu)面，在剪切應(yīng)力分布特征上具有與鋸齒狀結(jié)構(gòu)面相似的特征，但是其剪應(yīng)力集中部位分布在波狀結(jié)構(gòu)面拐彎部位，而鋸齒狀結(jié)構(gòu)面集中部位在拐點(diǎn)之間的平面上；對(duì)于臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)面，具有和鋸齒狀、波狀結(jié)構(gòu)面相似的特征，在力的施加端點(diǎn)部位較為集中，向另外一側(cè)逐漸衰減，此外，力的集中點(diǎn)在拐點(diǎn)部位更加集中些。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)平直狀、鋸齒狀、波狀和臺(tái)階狀等不同結(jié)構(gòu)面下巖體的應(yīng)力分布狀況研究，取得了如下一些認(rèn)識(shí)：

（1）不同結(jié)構(gòu)面形態(tài)構(gòu)成的巖樣中，安全性最差的為平直結(jié)構(gòu)面試件、安全性最好的為臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)面試件。

（2）當(dāng)面力施加作用于試件時(shí)，并不是由全部整個(gè)剪切結(jié)構(gòu)面共同承擔(dān)，而是由施加力端點(diǎn)部位局部首先承擔(dān)。

（3）平直結(jié)構(gòu)面由于力的傳遞比較順暢，剪應(yīng)力最大點(diǎn)位于結(jié)構(gòu)面中部，向兩側(cè)逐漸衰減；鋸齒狀結(jié)構(gòu)面剪應(yīng)力在力的施加部位更加集中，向另外一側(cè)逐漸衰減，而且剪應(yīng)力力僅在阻擋滑動(dòng)的一側(cè)出現(xiàn)；波狀結(jié)構(gòu)面剪切應(yīng)力分布特征上具有與鋸齒狀結(jié)構(gòu)面相似的特征，但剪應(yīng)力集中部位分布在波狀結(jié)構(gòu)面拐彎部位，而鋸齒狀結(jié)構(gòu)面集中部位在拐點(diǎn)之間的平面上；臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)面具有和鋸齒狀、波狀結(jié)構(gòu)面相似的特征，在力的施加端點(diǎn)部位較為集中，向另外一側(cè)逐漸衰減，此外，力的集中點(diǎn)在拐點(diǎn)部位更加集中些。

（4）通過(guò)對(duì)不同形態(tài)下巖體內(nèi)應(yīng)力分布狀態(tài)的模擬，可以為巖體和邊坡的變形破壞提供指導(dǎo)，進(jìn)而提供針對(duì)性的支護(hù)措施，有進(jìn)一步推廣應(yīng)用的價(jià)值。

[1] 吉鋒. 順層邊坡硬性結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)及工程技術(shù)研究[D]. 成都理工大學(xué), 2008.

[2] 夏才初,孫宗頎,潘長(zhǎng)良.含波紋度的節(jié)理的形貌特征和剪切性質(zhì)研究[J].中國(guó)巖石力學(xué)工程學(xué)會(huì)第三次大會(huì)論文集.北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社,1994.

[3] 白明洲, 王連俊, 許兆義. 工程巖體抗剪參數(shù)的數(shù)值分析及應(yīng)用[J]. 北方交通大學(xué)學(xué)報(bào). 2001.25(4): 63265

[4] 王平. 順層巖體路塹邊坡穩(wěn)定性的有限元模擬分析[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2005.

[5] 崔政權(quán)，李寧. 邊坡土程－理論與實(shí)踐最新發(fā)展[M].北京:中國(guó)水利水電出版社.1999.

[6] Grasselli G. Shear strength of rock joints based on quantifed surface description[J], Ph.D.thesis, Lausanne, Sw itzerland：Swiss Federal Institute of Technology(EPEL), 2001.

[7] TSE R, CRUDEM D M. Estinating joint roughness coefficients[J]. Int. J. RockM ech. & Geomech. A bstr., 1980, 16 (5): 303～307.