, 杰方玉树赖
( ,401311) 后勤工程学院 军事建筑工程系重庆
M ,C , 摘 要 当前工程设计都是将边坡失稳破坏看成整体的剪切破坏即 剪切破坏
, 。,基本不考虑岩土体本身抗拉强度而岩质边坡真实的破坏应该是张拉 剪切复合破坏不
3D 。, FLAC,应是传统不考虑抗拉强度的单一剪切破坏模式利用 软件基于张拉 剪切复合破
,坏准则对岩体和结构面强度参数同时进行强度折减与只考虑抗剪强度的情况进行比较来
。,研究抗拉强度对岩质边坡稳定性的影响分析结果表明考虑抗拉强度条件的边坡稳定系
,。数大多比没考虑抗拉强度的稳定系数大而后者的稳定性对结构面倾角的敏感性更高复
,,合破坏准则下边坡破坏过程都是先从坡脚出现剪切滑移带并向上发展此后坡顶某深度范 围
,。内出现张拉塑性区两者贯通时整个边坡将处于失稳破坏临界状态
; , ; ; 关键词 岩质边坡张拉 剪切破坏准则塑性区
:TU443 :A 中图分类号文献标志码
Stabty Anayss of Rock Sope wth Extroverosn Jont Consderng Tense Strength ilililiiiiiil
LAI Jie,FANG Yu-shu
( Dept, of Architecture ,C ivil Engineering,LEU,Chongqing 401311,China) Abstract At present,it is alway sconsidered thatun stable slopes are simply caused by shear failure( the filaure of Mohr-Cou- lomb shear) ,but without the tnesile strengtho f rock-soil mass, However,the trueilu frae mode is composedof both tnesion and shear
3D failure, Based on the cmoposite failure criterion of tension and shear,FLACsoftwareis used to analyze the strength durection of tension and shear at thesam e time,and then the ruelts is taken to research the eoffnec thte rock slope stability by comparing with
is the one without considering shear strength, Accodring to the cnoclusion,the slope stability with considering tension and shear strength higher than theon e without considering tensile strength,and tlhaett e ris more sensitive to the lospe angle of joint, With the c-υ and tension reduction,the glide band would appear in the toe ati rsft,then tension plastic zone develops on the topo f slope,and when the two zones expand to connect itwh each other,the hwole slope would be in critical phase of unstability,
Keywords rock slope; tension and shear; failure criterion; plastic zone
,。, 在计算机广泛运用以前人们通常用条分法进行土坡稳定性分析条分法首先由彼德森提出得到
,1,了泰勒、毕肖普等人的发展,其中毕肖普将土坡稳定系数 F 定义为整个滑动面的抗剪强度 τ 与外力产 s f
,1, ,F= / 。,,生的真实剪应力 τ 之比即 ττ 这个定义提出后边坡稳定系数分析的物理意义更加明确运用 s f
:2011 , 03 , 25 2011 , 07 , 13 :收稿日期修回日期
:( 2010BC8002) 基金项目重庆市自然科学基金资助项目
:,,,。 作者简介赖 杰男硕士生主要从事岩土本构和军事地下工程稳定性研究
8 后 勤 工 程 学 院 学 报2011 年
,2, 更为广泛。1975 年,ZIENKIEWICZ 等最先在岩土计算中提出了抗剪强度折减系数这个概念,即 τ =
c + tan συ ,3, = c + σtanυ, ω DUNCAN ,''其中为强度折减系数。此后明确提出强度折减法此法通过不断ω
,,,降低岩土体的强度参数削弱材料的抗剪能力从而使滑面滑动力等于岩土体的抗剪力滑面处于极限平 衡,,F。边坡濒临破坏失稳此时岩土体强度参数降低的倍数即为边坡稳定系数 随着计算机运算能 力s 状态
,,,。强度折减法同有限元结合形成有限元强度折减法这种方法在边坡稳定性分析中得到较多运 用的发展,4 , 5,, ,P ,D 其中徐干成等提出摩尔 库伦等面积圆 破坏准则利用强度折减法对边坡稳定性系数进 行了分
,6,,7,; ,; 析郑颖人等运用强度折减法求解滑坡支挡结构内力增加了边坡支护结构设计的可靠性方玉 树根据
( ) ,,即强度折减系数满足力的平衡方程是正确的 解而超载力的分解与合成原理推导了强度参数调整系数
,。不是正确的解 系数和下滑力调整系数不满足力的平衡方程
,,目前有限元强度折减法都是基于经典的极限分析法在静力条件下只考虑了岩土体的整体抗剪失 ,。,8,: ,,对抗拉强度这个重要参数很少考虑文献指出边坡坡缘附近在一定条件下坡面的径向应 力和稳破坏
,,,, 形成一张拉带边坡后缘部分受拉破坏因此边坡破坏应该是 张拉 坡顶面的切向应力可以转化为拉应力
。,( M 剪切复合破坏然而关于边坡稳定性理论分析现行设计都是将边坡失稳破坏看成整体的剪切破 坏即
,C ) ,,。,剪切破坏基本不考虑岩土体自身的抗拉强度这和现实情况是不相符的对于土质边坡 而言由于
,,。,只考虑抗剪强度的土坡稳定分析跟工程实际相差不多是能够接受的对 于岩质边坡土体抗拉强度很低
,( ) ,由于抗拉强度很高有些甚至达到十几兆帕如玄武岩只考虑抗剪强度的稳定性分析显然 与实际情况偏。,,,。传统分析结果要么过于保守造成工程上的浪费要么稳定性考虑不足使工程存 在潜在的危险 差很大,9 , 10,,, 最近几年已有少数学者在静力条件下的边坡稳定性研究中考虑了抗拉强度对稳定性的影响并
, ,: 1 ) 以理论和数值计算印证了边坡失稳破坏是张拉 剪切复合破坏但目前还存在以下不足有对土质 边坡, ,; 2 ) ,10,张拉 剪切复合破坏的分析岩质边坡相关分析则基本属于空白少数成果如文献基于遍布 节理模型
,,由于模型本身的局限性不能体现考虑抗拉强度后结构面对岩质边坡稳定 性影响的复的边坡稳定性分析
,; 3) ,还应进行深入探讨岩质边坡稳定性计算的折减参数选取很重要进行岩质边坡稳 定性分析时应杂情况
,; 4 ) ,而当前只考虑了它们的抗剪强度参数采用 强度折减法基于该考虑岩体本身和结构面的抗拉强度参数
, ,,张拉 剪切复合破坏准则的边坡稳定性分析对抗剪及抗拉强度参数应该同时折减目 前大部分研究仅仅
。,。本文将针对以上几点不足之处开展岩质边坡稳定性分析 对抗剪参数进行折减
1 , 岩质边坡张拉 剪切复合破坏准则及强度折减法
1, 1 , 岩质边坡张拉 剪切复合破坏准则
,,在岩质边坡数值分析中合理的岩体屈服破坏条件对稳定性分析特别重要采用不同的屈服准则往
。, ,摩尔 库伦屈服准则经过了大量工程及科研实践检验证实较符合 往会得到不同的岩质边坡稳定系数
。: = c + tan,,c,; 它可以表示为τ συ式中υ 为岩体的黏聚力和内摩擦角σ 为该应力 工程实际和试验结果
1 + sin2ccos υ υs , , = 0,, σ 式中面的法向应力。若用第一、三主应力来表示,M ,C 准则可写为: F= σ 1 3 1 ,si n,si n1 υ υ
。; ; σ为第一主应力σ为第三主应力υ 为岩体内摩擦角 1 3
,9,: M ,C ,Coulomb 文献分析指出若按 剪切破坏准则岩体承受的最大拉应力为 破坏包络线与横轴
c t 交点处的小主应力值,即: σ= σ= 。然而文献,9,还指出,该式计算结果高于毕肖普在改进的普通3 max tanυ
,,。 三轴仪上对伦敦黏土做的排水抗拉试验结果即计算与试验不吻合不符合实际故考虑抗拉强度时岩
9 6 赖 杰等 考虑抗拉强度的含外倾结构面岩质边坡稳定性分析 第 期
t t t 体受拉破坏准则采用公式: F= σ ,σ = 0,式中 σ为岩体抗拉强度 。3
,:综上所述考虑抗拉强度的岩质边坡破坏准则应该写为
sinυ 2c cosυ 1 + s σ, = 0,, F= σ 1 3 1 ,si nυ1 ,si nυ
, t t F= σ ,σ = 0。 3
1 + sinυ 在用 σ,σ表示的主应力空间( 图 1) ,N = 。1 3 1 ,si nυ
1, 2 强度折减法
考虑抗拉强度情况下采用强度折减法进行稳定性
。 分析主要通过下式来进行通过不断降低岩体及结构
,,面的强度参数直至岩质边坡失稳破坏此时的折减系
。数 ω 就为岩质边坡稳定系数
c' = c / ω,tanυ' = tanυ / ω, ,t t ' = / 。σσω
2 岩质边坡结构面类型及失稳破坏依据
2, 1 岩质边坡结构面类型
,、、被许多结构面切割的岩体组成的岩质边坡它的主要失稳破坏模式有平面滑动弧形滑动楔体滑
,11,、。,,动倾倒和溃屈对于岩质边坡而言由于岩体强度参数要远高于结构面强度参数边坡的破坏类型也 往
,。往是由结构面产状和其强度参数决定的因此结构面在岩质边坡稳定性分析中是考虑的首要因素
,、考虑抗拉强度情况下本文采用不同结构面倾角结构面形状为直线和折线两种类型来进行岩质边
,,坡稳定性分析与只考虑抗剪强度的情况进行对比得出考虑抗拉强度条件下对岩质边坡稳定性的具体
。影响情况
, 2 2 失稳破坏依据,12 , 14,3 : 边坡失稳破坏存在 种判断依据以边坡滑面的塑性区或广义剪应变从坡脚到坡顶贯通作为
3D ; ( FLAC,UDEC ) ; 边坡失稳依据以有限元静力计算不收敛作为边坡失稳标志如软件 采用的以岩土体滑
。,面上位移不收敛作为依据目前对于边坡失稳破坏依据依然存在很大争议如果只是依据边坡滑面的塑
,,12 , 14,,,性区或广义剪应变从坡脚到坡顶贯通正如文献所述有可能塑性区贯通而计算仍收敛并没有 产生
,,很大的且无限发展的塑性变形和位移此时边坡仍然是稳定的故以塑性区或广义剪应变从坡脚到 坡顶
。,,12 贯通作为边坡失稳依据并不合适当前对于考虑抗拉强度时的边坡失稳依据研究很少本文结合文 献, 14,,。论述采用位移和力不收敛作为岩质边坡失稳破坏的判断依据
3 考虑抗拉强度岩质边坡稳定性算例分析
3, 1 1 算例 概况
1 ,25 m,70?,50 m,112 m,算例 是一个简化的平面应变问题坡高 坡角 模型总高 宽 坡脚到模型右边 36 m,3 ,2 。 界 有 个监测点具体模型如图 所示
1,45?,40?,35?,30?,25?。5 岩体及结构面参数见表 结构面倾角采用 共 组来进行分析比较
45?,下面取结构面倾角为 的岩质边坡分别计算考虑抗拉强度参数和只考虑抗剪强度参数的边坡稳
。定系数并分析相应的失稳情况
10 后 勤 工 程 学 院 学 报2011 年
1 表 材料物理参数
Tab, 1 Physco-mechanca parametersof materas iilil 3/ kN / m / Mpa / ( ? ) 重度 黏聚力 内摩擦角 法向刚度 / GPa 切向刚度 / GPa 抗拉强度 / MPa 弹性模量 / MPa 泊松比 24, 6 , 25 1 500 00, 59 , 8 , 5 370岩体
结构面 10 10 0, 049 24, 8 0, 01
, 5 , 3 ,2由图 可以看出折减系数为 时坡脚出现剪切滑动范围很
,,。, 小并未贯通整个坡体可以认为边坡仍然稳定随着折减系数增大剪
,4, 5 , 切滑动带向上发展折减系数为 时在坡脚某处出现张拉 剪切 塑
,5, 6 ,性区直到折减系数为 左右时剪切滑动带与上面的张拉塑性区 贯
2 1 图 算例 模型。4,5 ,,通从图 可以看出滑体相对于基岩的滑动趋势特别明显边坡 很可Schematic diagram of Model 1 Fig, 2 。, , ,能已破坏显然边坡最后破坏属于张拉 剪切复合破坏但张拉 剪切塑
,。性区贯通只是破坏的必要条件还应看位移与力是否收敛
3 () 图 塑性区发展与折减系数关系考虑抗拉强度
Fig, 3 Image of relative distribution of plastic zone and reduction coefficient(tensile strength ncosidered)
4 () 5 () 图 水平速度云图考虑抗拉强度图 剪切增量云图考虑抗拉强度
Fig, 4 Nephograms of horizontal displacement ig, 5 Nephograms of shear strain increment F
(tensile strength ncosidered)(tensile strength ncosidered)
5, 5,5, 6 ,A , 1, 2,, 9 mm,6 。5, 5 5, 6 折减系数为 时点水平位移分别为 如图 所示折减系数在 与 之,A,C ,,5, 55。间点水平位移发生突变此后位移不再收敛故稳定系数定为 破坏面位置分别见水平速度云 图
,,。,,和剪切增量云图均与结构面位置一致显然符合实际情况同理不考虑岩体和结构面抗拉强度此 时的
A,C , 1 5, 2 ,A,C ,7 ,5折减系数与 点位移关系如图 所示折减系数在 与 之间点水平位移突变而后位 移不收,5, 15。敛故稳定系数为
40?,35?,30?,25?。4 ,2同方法对结构面倾角分别为 的其余 组也作了类似分析最后归纳结果见表
11 6 赖 杰等 考虑抗拉强度的含外倾结构面岩质边坡稳定性分析 第 期
A,C A,C 6 7 图 点水平位移与折减系数 点水平位移与折减系数关系 图
()()关系曲线考虑抗拉强度 曲线没有考虑抗拉强度 Fg, 6 Curve of reatve dspacement-reducton Fg, 7 Curve of reatve dspacement-reducton coeffcent iliiliiliiliii
of point A and C(tensile strength ncosidered) coefficient of point A and C(tensile strength ncsoidered) 2 表 结构面倾角与稳定系数关系
Tab, 2 Relation of dip angle of joint and stabilization coefficient
稳定系数 / ( ? ) 倾角 考虑抗拉强度 不考虑抗拉强度
45 5, 55 , 15 5
40 4, 93 5, 25
35 4, 87 1, 96
30 4, 85 1, 28 8 2 图 算例 模型25 4, 84 1, 42 Fig, 8 Schematic diagram of Model 2
, 2 2 3算例 概况
?、?,2 ,1,9030算例 也是一个简化的平面应变问题边坡尺寸同算例 折线型结构面上部倾角 下部倾角
。3 ,1,8 也布有 个监测点岩体及结构面参数同算例 具体情况如图 所示
,9,, 。考虑抗拉强度边坡失稳破坏时的塑性区分布见图 此时坡顶为拉破坏下面部分为张拉 剪切复 ,,, A,,C 。( 10) 破坏面位置就是结构面产状处同预测位置一致结合位移 折减系数关系图图 点位 移合破坏
4, 8 , 9 ,,4, 84。,4,在折减系数 与 间突变此后不再收敛故稳定系数为 同理不考虑岩体及结构面抗拉强 度稳1, 22。定系数为
9 () 图 塑性区分布考虑抗拉强度A,C 10 () 点水平位移与折减系数关系曲线考虑抗拉强度图 Fig, 9 Image of distribution of plastic zone Fig, 10 Curve of relative displacement-reduction coefficient (tensile strength cnosidered)of point A and C(tensile strength ncosidered)
4 结论
1) ,。, 岩质边坡的岩体抗拉强度很高故考虑抗拉强度符合实际情况从算例可以看出考虑抗拉强度
。,后的稳定系数比没考虑抗拉强度的稳定系数在多数情况下更高因此工程实践中应考虑抗拉强度对稳
,,。以免设计过于保守造成经济的浪费或影响因素考虑不足引起潜在的危险 定性的影响
2) ,,,在一定范围内考虑抗拉强度时边坡稳定系数随着结构面倾角的增大而增大增大幅度是前面缓 慢。,,没有考虑抗拉强度情况下边坡稳定系数与结构面倾角不成线性关系存在对稳定系数最不 利后面快
,30?。的某个角度本文为 左右
12 后 勤 工 程 学 院 学 报2011 年
3) ,,, 在自重作用下随着强度折减系数的逐渐增大边坡首先是在坡脚出现剪切滑裂带然后逐渐向上
,,,3 。发展而后坡顶某个深度出现拉应力区最后剪切滑裂带和拉应力区贯通如图 所示但不能将塑性区 贯
,,通作为边坡失稳破坏的判断依据应将位移和最大不平衡力不收敛作为判据塑性区贯通只是失稳的 必
。要条件而不是充分条件
4) ,,; 考虑抗拉强度情况下边坡稳定系数对结构面产状的敏感性不是很高相对比较稳定只考虑抗剪
,。强度时结构面产状对边坡稳定影响相当大
5) ,,既然同时考虑抗拉强度与传统的只考虑抗剪强度的情况相比边坡稳定系数相差很大故开展前
,。者的边坡支护方法研究很有必要目前此项研究还基本属于空白
参考文献
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( 编辑 汪益川)
结构面倾角对岩质边坡位移影响的分析
24卷第1期105~109页
2006年1月文章编号:
1008-2786-(2006) 1-105-05
山 地 学 报Vo. l 24, No . 1pp105~109
J OURNAL OF MOUNTA I N SC I ENCE Jan . , 2006
结构面倾角对岩质边坡位移影响的分析
杜太亮, 张永兴, 谢强, 钟坚敏
1
1
1
2
(1. 重庆大学土木工程学院, 重庆 400045; 2. 重庆工学院数理学院, 重庆 400081)
摘 要:岩体结构面是影响岩质边坡位移及其稳定性的重要因素之一, 但是由于数学和力学上的困难, 岩体结构面对岩质边坡变形的影响通常难以用理论公式计算得出, 目前只能采用数值分析手段。分别针对坚硬岩边坡和软岩边坡中存在软弱结构面的情况, 用有限元差分程序FLAC 和边坡稳定性系数公式, 定量和定性地讨论了岩体结构面倾角对岩质边坡位移的影响。通过计算分析发现, (1) 岩体中结构面的存在是影响岩石边坡位移及其稳定性的重要因素之一; (2) 随着结构面倾角的增加, 边坡的稳定性和边坡的位移可能增加, 也可能减小, 并不象我们想象的那样随着结构面倾角的增加而增加, 必须用定性和定量方法针对具体问题进行具体分析。关键词:岩体结构面; 岩质边坡; 边坡位移; 定量分析; 定性分析中图分类号:TU 45 文献标识码:A
岩体中结构面的存在是影响岩石边坡位移及稳定性的重要因素之一。当岩体中有软弱结构面存在(例如坚硬岩体中的节理、裂隙、软弱夹层、断层
等), 且又构成有利于滑动的组合形式时, 在外力的作用下, 有可能沿某一个(或某几个) 最有利于滑动的结构面产生滑动, 这是坚硬裂隙岩体中最常见的边坡破坏形式。由于在产生滑动以前已有破裂面存在, 因此, 控制这种类型破坏的根本因素是沿滑动面的抗剪性能, 当破裂面中有充填物存在时, 则也与充填物的力学性能有关。对于坚硬岩石的滑动破坏,
[1]
岩石本身的强度一般不起控制作用。
岩体中结构面的存在, 降低了岩体的整体强度, 增大了岩体的变形性能, 加强了岩体的流变力学特性和其他的时间效应, 并加深了岩体的不均匀性、各向异性和非连续性等性质。尤其在这些部位又常常是物理力学变动和物理化学作用的强烈反应的地带, 因此往往会导致岩石边坡产生较大的位移, 最终发展为边坡失稳。大量的岩石边坡工程失事证明, 不稳定岩体往往是沿着适宜的一个结构面或多个结构面的组合边界的剪切滑移、张拉破裂和错动变形
等而造成边坡岩体的失稳。
岩体结构面对边坡应力或位移的影响大小通常是难以用理论公式计算得出, 由于数学和力学上的
困难, 对于岩石边坡的应力和变形的计算, 目前只能采用数值分析手段
[2]
。在计算机技术快速发展的今
天, 采用数值分析可以非常容易地得出边坡的应力和变形, 即使是异常复杂的边坡问题。
本文将采用有限差分法对影响岩质边坡位移的结构面倾角进行定量化分析。
1 分析工具及计算模型
1. 1 有限差分程序
有限差分法是较为成熟的一种数值分析方法, 目前已广泛用于各类岩土工程问题的研究中。本文采用的定量化分析工具是有限差分程序FLAC (Fast Largrang i a n Analysis of Conti n ua), 它是一种二维显函数有限差分程序, 由美国I T ASCA 咨询集团公司Cundall 博士于1986年设计。程序中材料模型可按用户要求划分为若干单元(四方网格), 单元中应
[3, 4]
收稿日期(Recei ved date):2005-10-11; 改回日期(Accep t ed):2005-12-23。
基金项目(Foundation i te m ):重庆市教委科学技术研究项目(编号:2002cj 20) 。[Funded by Chong Q i ng M un ici pal E du cati on C o mm issi on(Seri al
Numb er :2002cj 20) ]
作者简介(B iography):杜太亮(1969-), 男, 重庆大学土木工程学院岩土工程专业博士研究生。[Firs t author :Du Ta ili ang , (1969-), m ale ,
t geotechn ical eng i neeri ng , y of C ivilE i ng , n i -m ai:l du l 163. com, Te:l
106山 地 学 报24卷
力) 应变可呈线性或非线性关系。
FL AC 算法的基础是快速拉格朗日计算方法, 它能模拟岩石、土体及其他材料的大变形、挠曲或塑性流动, 特别适用于岩土力学中的非线性大变形或不稳定(如滑动或分离) 问题。
1. 1. 1有限差分格式
1. 导数的表示) ) ) W ilkins(1963) 根据偏导数的积分定义, 提出了一个差分格式
F =A li m [Q Fn ds ]→0 x i A x i
(1)
这是半时间步长时的网点速度。现在, 可以用一个附加积分由速度求得位移为
U
#(t +
$t
) =U
(t)
#
+U
(t +
$t ) $t (7)
进而可以求出同一时间增量之间的力。1. 1. 2强度准则
数值计算采用的岩体屈服条件为与岩土体相适应的M ohr-Coulo m b 直线型强度准则络线的直线表达式为:
R 1-R 1R 1+R 3
=sin <+c cos="">+c><22或>22或>
, 其强度包
(8)
式中 F 为某一纯量、矢量或张量; x i 为位移矢量分量; ds 为弧长增量; n i 为垂直于切线的单位法线分
量。
(1) 式的面积分是连续的, 但沿一个有限多边形进行积分时, 可以写为一个等效的(虽然近似的) 表达式
n
F N n
=r F E x k ik $
x i A n =1
n
n
R 1-R 3R 1+R 3
-si n <-c cos="">-c><>
22
式中 R 1、R 3为分别为最大和最小主应力; C 为岩土体的粘聚力; <>
1.
2 计算模型
计算模型如图1所示, 图中单位:m 。模型底部DE 边约束X 方向和Y 方向位移, C D 边和EF 边约束X 方向位移, g =9. 81m /s。
2
(2)
式中 N 为边数; F 为边n 上F 的平均值; $x k 为边n 的矢量长度的分量; E ik 为二维置换张量[
0 1]。-1 0
用(2) 式来推导FLAC 中的所有空间差分格式,
应注意, 这种表示没有限制外形及边数, 不同于以矩形网格为依据的许多有限差分表示法。
2. 运动方程式
Q [
5U i 5R ij
]=+Q g i j
#
#
(3)
图1 有限差分法计算模型
F i g . 1 A model f o r fi n ite d iffe rence m ethod
式中 Q 为密度; R ij 为应力张量; U i 为速度; g i 为体力分量:t 为时间。
随时间变化作用的某质量的运动方程式
= (即F =ma )
m
#
1. 3 选用参数
(4)
表1为各级边坡岩体性质指标标准值, 其中极软岩岩体稳定性差, 岩体力学性质极弱; 硬质岩岩体自稳能力较强, 自然界中普遍偏于稳定, 在本文的研究中主要分别讨论坚硬岩和软岩中存在结构面的情况, 表中/*0所示。边坡岩体计算参数取值如表2所示。表中A1为软岩岩边坡岩体; A2为坚硬岩边坡岩体。
[6]
可以用包含半时间步长的速度的中心差分格式来求解(4) 式。((4) 式左边的) 加速度可以写为
=
U
#(t +#
#(t +
) 2
#
#(t -
(t -
) 2
(5)
代入(4) 式后, 得
$t ) 2
=U
$t 2
) $t (6)
第1期 杜太亮, 等:结构面倾角对岩质边坡位移影响的分析107
表1 边坡岩体性质指标标准值[6]T able 1 Character i sti c va l ue of rock sl ope [6]
指标名称
岩石类别 硬质岩软质岩
坚硬岩较坚硬岩较软岩软岩极软岩
重度C (kN /m3) 24. 5~26. 523. 0~25. 024. 0~25. 023. 5~25. 023. 5~24. 5
C (M P a) >1. 801. 0~1. 800. 50~1. 000. 25~0. 50<0.>0.>
抗剪强度
内摩擦角W (b )
>4643~4638~4332~38<>
变形模量G /Pa>4. 52. 5~4. 51. 5~3. 01. 0~2. 0<1.>1.>
泊松比L 0. 200. 10~0. 250. 20~0. 300. 25~0. 33>0. 33
表2 不同工况下边坡岩体计算参数
T ab l e 2 Physical ca l culati ve para m eters o f rock s l ope under d ifferent work cond iti ons
工况A1A2
变形模量G /Pa1. 504. 50
泊松比L 0. 290. 20
重度C (k N /m3)
24. 2524. 50
摩擦角W (b ) 35. 046. 0
C (M Pa) 0. 3751. 800
表3 结构面抗剪强度指标标准值[6]
T ab l e 3 Cha racte ristic value o f rock struct ure face
序号12345
结构面两侧岩石坚硬程度类别及结构面的结合程度
硬质岩, 结合好
硬质岩, 结合一般; 软质岩结合好
硬质岩, 结合差; 裂面粗糙; 软质岩, 结合一般
硬质岩, 结合很差, 裂面平直, 含泥; 软质岩, 结合差, 裂面粗糙, 含泥硬质岩或软质岩, 结合很差, 裂面充泥厚度>5mm ; 软质岩或极软岩, 泥化层
[6]
内摩擦角U (b ) >3535~2727~1818~12<>
粘聚力c (MP a) >0. 200. 20~0. 110. 11~0. 070. 07~0. 03<0.>0.>
表4 岩体结构面计算参数
T able 4 Physica l calculati ve para m eters o f rock struc t ure f ace
结构面两侧岩石坚硬程度类别及结构面的结合程度
硬质岩, 结合很差, 裂面平直, 含泥; 软质岩, 结合差, 裂面粗糙, 含泥
变形模量G /Pa 1
泊松比L 0. 3
重度C (k N /m3) 20. 0
U (b ) 15
c (MPa) 0. 05
2 计算结果及分析
2. 1 定量分析
设计计算模型如图1, 取结构面倾角B =[45b , 50b , 55b , 60b , 65b ],结构面抗剪强度指标参数选择
表3中第4类结构面, 计算中所用岩体结构面参数如表4。用FLAC 程序计算开挖边缘坡顶A 点的位移并绘制成如图2、图3所示的结构面倾角与边坡特征点变形的关系曲线。图中纵坐标D is 表示位移, 横坐标B 为结构面倾角, xd is 和ydis 分别表示特
y 图2 A 1条件下结构面倾角与边坡特征点变形关系曲线F ig . 2 R elationsh i p curves o f structure face di p and the r m ati on A on s l ope A 1rk conditi
108山 地 学 报24卷
增加, 则第一项
减小。在第二项中, 随着结构面tan B
倾角B 增加, 结构面(滑移面) 长度L 减小, 减
si n B 小, 滑体重量W 减小, 增加
1cL , 所以第二项可W W si n B
能增加, 也可能减小, 公式的定性分析与上述数值计
算的结果是一致的, x 方向和y 方向位移变化并不象我们想象的那样随着结构面倾角B 的增加而增加。所以由公式推判和数值分析均可得到以下结
图3 A 2条件下结构面倾角与边坡特征点变形关系曲线F i g . 3 R e l ationsh i p curves o f structure face dip and t he de f o r m ati on of po i nt A on sl ope under A 2wo rk conditi on
论:边坡的稳定性系数随着结构面倾角B 的增加而
增加; 或边坡的变形会随着结构面倾角B 的增加而增加的说法均是不正确的, 必须针对具体问题进行具体分析。
由图2、图3所示的位移曲线看出, 无论是坚硬岩中存在结构面情况还是软岩中存在结构面的情况, A 点的x 方向位移和y 方向位移变化均不象我们想象的那样随着结构面倾角的增加而增加, 基本无规律可寻。2. 2 定性分析
下面用边坡稳定性系数的定义来定性分析边坡稳定性随结构面倾角的变化而变化的规律。如图4所示。
边坡稳定性系数定义为K
=S S
W cos B . tan <+c>+c>
W sin B tan <>
tan B W si n B =
3 影响边坡位移的其他因素
除上述因素外, 地下水、气候条件、风化作用、植物生长以及其他因素都可能影响边坡的变形和稳定性。例如, 冰冻不仅加速表层岩体的风化剥落, 且使含水裂隙因冰层膨胀而张开; 冻土中冰层融化时使土层疏松, 含水量增大; 机械和化学风化作用都破坏边坡岩体的粘聚力; 甚至植物的生长也直接影响边坡的稳定; 植物根系可保持土质边坡的稳定, 减少边坡的变形, 通过植物吸收部分地下水, 有助于保持边坡的干燥; 但在岩石裂隙中树根的生长有时是边坡局部滑移的起因
[1]
。
(
10)
通常这些因素是难以表述和量化的, 这给岩质边坡的变形及稳定性分析带来了一定的难度, 在理论分析中, 人们常常将这些因素反映在边坡岩体的基本物理力学参数、岩石边坡的几何特征参数、岩体的结构面强度参数等上面。
4 小结
本文利用有限差分程序FLAC 和边坡稳定性系数定义公式, 定量和定性地讨论了坚硬岩和软岩边
图4 结构面对边坡稳定性影响分析图示F i g . 4 Ske tch of effects of structure face
on rock slope stability
坡中存在软弱结构面的情况下, 岩体的结构面倾角变化对岩质边坡位移和稳定性的影响。通过的计算分析, 可得到如下基本结论:
1. 岩体中结构面的存在是影响岩石边坡位移及其稳定性的重要因素之一;
2. 公式定性分析与数值定量分析均得出一致结:, 式中 B 为结构面倾角(b ); W 为滑体重量(kN ); L 为结构面(滑移面) 长度(m ); <为结构面摩擦角(b );="" c="" 为结构面粘聚力(kpa)="">为结构面摩擦角(b>
,
第1期 杜太亮, 等:结构面倾角对岩质边坡位移影响的分析109
位移可能增加, 也可能减小, 并不象我们想象的那样随着结构面倾角的增加而增加, 必须用定性和定量方法针对具体问题进行具体分析。参考文献(References)
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Analysis on Effects of Structure Faces D i pon Roc k Slope Dis place m ent
DU Tailiang , Z HANG Yongx i n g , X I E Q iang , Z HONG Jian m i n
(1. Fa c u lt y of C ivilE ng i n ee ring, Chongqing Un iversit y, Ch ong qi ng 400045, C hina ) (2. C olle ge of M a t h and P hysics , Chongqi ng Instit u te of Tec hn ology, Chongqing 400081, Ch i na )
1
1
1
2
Abstrac:t Str uctures faces in rock m ass are one o f t h e i m portant factors i n fl u enci n g the defo r m ation and stability of rock slope . but because o f d ifficu lty o fm athe m atics and m echan ics , the slope defor m ati o n caused by the structure faces in rock m ass is usua ll y difficult to ca lculate outw it h the theoreticalm ethod . Only can w e adopt num erica l a -nalysis at presen. t H ere i n the article , w it h fi n ite d ifference pr ogra m FLAC and stab ility coefficient for m u la of sl o pe , the authors have d iscussed the i m pact on slope d isplace m en t by t h e dip of structure faces i n rock m ass quan -titati v e l y and qualitative ly when w eak struct u re faces ex i s t i n hard rock slope and soft r ock sl o pe respective ly . Through co mputational analysis , w e can see that (1) The ex istence the str ucture faces is one o f the i m portant fac -to rs wh ich i n fl u ences the d isplace m ent and stab ility o f rock slope ; (2) W it h the i n crease of the inc li n ation o f t h e structure face , t h e displace m ent and stability of the slope m ay increase , or m ay reduce too , and does not i n crease w it h i n crease of the i n cli n ation as w hat w e i m agined . W e must m ake a concrete analysis o f the concrete prob le m quantitati v e l y and qualitatively . K ey words :structure faces i n rock m ass ; rock sl o pe ; sl o pe disp lace m en; t quantitative ana l y sis ; qualitati v e analysis
结构面产状对岩质边坡动力响应的影响
第45卷第1期 2014年1月 人 民 长 江
Yangtze River
V01.45。No.1 Jan.,2014
文章编号:1001—4179(2014)01—0057—05
结构面产状对岩质边坡动力响应的影响
廖少波1,王俊毅2,刘 晓3,张 抒1
(1.中国地质大学(武汉)工程学院,湖北武汉430074; 2.中交第一公路勘察设计研究院有限公司,陕西西 安710075; 3.中国地质大学(武汉)教育部长江三峡库区地质灾害研究中心,湖北武汉430074)
摘要:采用三维离散元软件3DEC作为计算引擎,开展了结构面产状对岩质边坡动力响应影响的数值研究。 在研究中记录边坡模型中每个监测点的响应加速度幅值,在此基础上,绘制了边坡的加速度峰值放大系数等 值线图。研究结果表明,结构面产状的变化对加速度峰值放大系数等值线的分布特征有着显著的影响。相比 于逆倾结构面边坡,顺倾结构面边坡具有更为强烈的地震动响应,其动力稳定性问题也显得更加突出。
关键词:动力响应;结构面;放大系数;3DEC;岩质边坡
中图法分类号:P642文献标志码:A
边坡动力响应是边坡动力问题研究的重要方 面q。]。地震作用所引起的边坡动力响应是指边坡中 由地震动引起的加速度、速度、位移、应力及应变等量 值的响应变化【4。。边坡岩土体的不均匀性、各向异性 导致其动力特性较为复杂,加之地震荷载具有随机性、 复杂性,这两方面的影响使得边坡的动力响应问题较 静力问题更为复杂。随着计算机技术的发展以及数值 方法的不断改进,边坡动力响应分析获得了较大发展, 很多学者对此开展了大量的研究,并取得了一定的成 里[5—7]
木 。
本文运用3DEC软件的动力分析模块,分析了地 震荷载作用下结构面产状对岩质边坡加速度放大系数 的影响规律,为岩质边坡动力反应研究提供参考。 1数值模拟软件可靠性验证
数值模拟结果是否具有可靠性,首要前提是数值 模拟软件的选择是否具有合理性。为了验证本文所选 的3DEC数值模拟软件对于本文研究内容的可行性, 下面将以一个简单算例来进行验算。 1.1平面SV波入射结构面的基本特征
当平面SV波垂直入射结构面时,将会产生反射 SV波和透射SV波。Pyrak—Nolte等给出了平面SV 波垂直入射单个结构面的透射系数¨。
r,I.{篙I叫羔广㈡, rs卜I孟蓦I叫高r胆(1)
t=pC。 (2) 式中,I T。I为SV波垂直入射单个结构面的透射系数; k。为入射结构面的切向刚度;=。为波阻抗;p为岩体材 料的密度;C,为岩体剪切波波速;K,为无量纲切向刚 度,K,=七:/z。to;to为人射SV波的角频率。由式(1)可 以得知,当K。一。。时,f r l一1。
验证思路:将数值模拟计算所得到的透射系数与 上述公式的透射系数理论解进行对比,以此说明 3DEC数值模拟软件的可靠性。
1.2结构面透射性能分析
建立长度为100m,高度为10in的岩石柱体(见
收稿日期:2013—07一17
基金项目:国家自然科学基金青年科学基金项目(41102195);中国博士后科学基金面上资助项目(2012M521500);中央高校基 本科研业务费专项资金资助项目(CUGLl00234)
作者简介:廖少波,男,博士研究生,主要从事工程地质模拟、滑坡演化机理和控制理论方面的研究。E—mail:156204279@qq. corn
58人 民 长 江
图1),在茗=50m处设置一垂直结构面,岩柱右侧施 加黏滞边界。在岩柱的左端a点(戈=0m)处施加一 个正弦动荷载,频率为2Hz,振幅为1cm/s,作用时间 为0.5S。在b点(石=90m)处记录穿过结构面后的透 射波。
图1结构面透射系数计算模型示意
岩体力学参数及剪切波波速设置见表l。结构面 的凝聚力c的取值要足够大,以保证不发生滑动,本次 计算结构面凝聚力为2MPa。为方便起见,假定结构 面的法向刚度与切向刚度相等,分别计算K。取值为1, 2和5时结构面的透射性能。
表1岩体力学参数及剪切波波速
在完成结构面的透射计算后,根据监测点b处所 得到的透射波形(图2),按透射波与入射波的振幅比 值来定义结构面的透射系数阻101:
4,
t I=}(3) ,l/
式中,A,为人射波的幅值;A,为穿过结构面的透射波 的幅值。
图2K=5时入射波与透射波的比较
根据公式(1)可以计算得到结构面对平面SV波 的理论透射系数,并与数值模拟结果进行比较,结果见 表2。由表2可见,透射系数理论解与计算值的差别 非常小,而且随着结构面切向刚度的增大,误差也很快 减小,当K。=5时,误差仅为1.537%,这说明运用离 散元软件3DEC来研究含结构面岩质边坡的动力响应 规律是可行与可靠的。
表2透射系数理论解与计算值对比
2结构面产状对岩质边坡动力响应的影响 2.1数值模拟方案
2.1.1计算模型
为研究结构面产状对岩质边坡加速度放大系数的 影响规律,本文设计了一概化三维模型(图3),取长X 高×厚为120m×60m×10m的区域为计算范围,其 中坡高为40m,坡角为45。,坡顶后缘长60m。本文以 与坡面相交的贯穿性结构面为研究对象,用来模拟边 坡岩体中延伸较好的层面及软弱结构面,该结构面与 坡面的交点位于坡面的中部,交点与坡脚的垂直距离 为20m,结构面倾角为ot。
图3边坡动力分析模型(尺寸单位:m)
计算中岩体材料为弹塑性材料,采用Mohr—Cou-lomb屈服准则,结构面采用面接触的Coulomb滑动模 型…1。模型岩石材料和结构面的物理力学指标分别 如表3,表4所示。
表3模型岩石物理力学参数
法向刚度/切向刚度/内摩擦角/凝聚力/ (MPa?em“) (MPa?cm。) (。) MPa
2.1.2地震荷载及动力边界条件选择
为进行规律性研究,模拟的地震波为加速度幅值 1m/s2、频率2Hz、持时6s的余弦剪切应力波,以速度
第1期 廖少波,等:结构面产状对岩质边坡动力响应的影响 59
边界条件的形式从模型底部垂直入射(见图3)。边界 条件采用黏滞边界,阻尼采用局部阻尼,对于岩土材料 而言,临界阻尼比的范围一般是2%~5%¨…,本文取 值为4%,由式(4)可求得阻尼系数为0.1257。
卢。=7r亭 (4) 式中,届;.为局部阻尼系数;f为I临界阻尼比。
2.1.3边坡响应监测及PGA定义
为了全面地掌握边坡各个部位的动力响应情况, 本文利用FISH语言编制了在坡体内自动布置监测点 的函数,并将每个监测点的动力响应加速度时程曲线 的最大幅值记录下来。
关于PGA(Peak Ground Acceleration)放大系数的 定义,很多文献采用坡脚的动力响应加速度峰值为参 考量,并以坡体内任意一点动力响应加速度峰值与其 的比值来定义PGA放大系数’1“。然而各工况下坡脚 的动力响应加速度峰值较输入波的加速度峰值已有不 同水平的放大,边坡的动力响应规律得不到全面反映, 同时也不便于将不同工况下边坡的动力响应结果进行 对比分析。因此,本文定义坡体内任意一点动力响应 加速度峰值与输入波的加速度峰值的比值为PGA放 大系数。与文献[13]相比,这种定义方法更简明,而 且,可以根据得到的等值线图很容易换算成文献[13]的定义(例如图4中的等值线,只需将所有的数据除 以坡脚处的PGA放大系数,即可完全标定出文献[13]条件下的定义模式,非常简便)。
2.2计算结果及分析
本文从结构面的倾向与边坡倾向一致(顺倾)和 结构面的倾向与边坡倾向相反(反倾)这两种结构面 形式来分别研究结构面倾角对岩质边坡加速度放大系 数的影响规律。
2.2.1无结构面(均质边坡)
在分析结构面产状对岩质边坡动力响应的影响之 前,首先得研究均质边坡的动力响应规律,以便与含结 构面岩质边坡的动力响应规律进行对比分析(图4)。
图4均质边坡PGA放大系数等值线
从图4中可见,对于均质边坡,沿坡面方向向上, PGA放大系数逐渐增大,等值线大致呈等间距分布, 到达坡肩部位等值线的密集度迅速增大,并向坡里逐 渐变得稀疏。PGA放大系数在边坡顶部靠近坡肩处 达到最大值3.6525。在垂直方向上,PGA放大系数 随着边坡高度的增加呈现出单调递增的趋势,等值线 的密度经历先密集后稀疏而后再密集的过程。与垂直 方向上的变化规律不同,在水平方向上,PGA放大系 数随着水平深度的增加出现时而增大、时而减小的节 律性变化,等值线也呈波浪式变化。
2.2.2顺倾结构面边坡
分别取结构面倾角Ot为10。,20。,30。,400时进行 动力计算,并作出PGA放大系数等值线图(图5)。
20:j040506070809000110120
距离/m
(a)结构面倾角d=10“
(d)结构面倾角a=40。
图5结构面倾角对岩质边坡加速度响应的影响(顺倾)
60人 民 长 江
从图5中可以看出,顺倾结构面的存在对岩质边 坡PGA放大系数等值线的分布起到了明显的控制作 用。与均质边坡相比,沿坡面方向向上,PGA放大系 数并没有呈现出单调递增的现象,而是经历了先增大 后减小而后又增大的过程,并且在结构面与坡面的交 点处形成了高值半封闭圈。然而,这一规律随着结构 面倾角的增大而不断弱化,对比图5(d)与图4可知, 当结构面倾角为40。时,含结构面岩质边坡坡面线上 等值线的分布特征与均质边坡相比并无明显差别。在 结构面附近,等值线沿结构面形成明显的凹凸状条带, PGA放大系数变化的梯度方向也大体上与结构面呈 正交关系,当结构面倾角较缓时这种现象表现得尤其 明显。
PGA放大系数极大值点的出现位置均在边坡顶 部靠近坡肩处,这一点与均质边坡并没有区别。然而, 随着结构面倾角的不断增大,结构面、坡顶面和坡面 所包围的空间越来越小,PGA放大系数极大值也越 来越大(图6)。当结构面倾角较小时,PGA放大系数 极大值是小于均质边坡的极大值的,此时结构面对地 震波的传播起着一定的衰减作用,而当结构面倾角 较大时,则起着相反的作用。同时,以上研究结果也从 一定程度上反映出岩质边坡动力稳定性与顺倾结构 面的关系,即结构面倾角越陡,边坡的动力稳定性越 差。
图6结构面倾角与PGA放大系数极大值的关系(顺倾) 2.2.3逆倾结构面边坡
分别取结构面倾角a为一100,一200,一30。,一 40。时进行动力计算,并作出PGA放大系数等值线图 (图7)。
从图7中可以看出,与顺倾结构面边坡相比,逆倾 边坡坡面线上等值线的分布特征与前者是一致的,只 是结构面与坡面交点处的高值半封闭圈的密集程度更 大一些。在垂直方向上,由于逆倾结构面的存在,PGA 放大系数并没有随着边坡高度的增加呈现出单调递增 的现象,而是经历了先增大后减小而后又增大的过程, 并且减小的过程发生在结构面附近,这说明当地震波 穿过逆倾结构面时,结构面对其传播起着一定程度的 衰减作用。
}0105060708090100
距离,7m
(b J结构面倾角口…20
图7结构面倾角对岩质边坡加递厦响应的影响(逆倾J PGA放大系数的极大值与顺倾结构面时的情形 不同,极大值点的出现位置并不是固定在边坡顶部靠 近坡肩处,当结构面倾角较小时,极大值点出现在结构 面与坡面的交点处(图7(a)、(b)),而当结构面倾角 较大时,极大值点出现在边坡顶部靠近坡肩处(图7 (c)、(d)),随着结构面倾角的不断增大,PGA放大系 数极大值也越来越大(图8)。从图8中还可以看出,
第1期 廖少波,等:结构面产状对岩质边坡动力响应的影响 6l
各PGA放大系数极大值都小于均质边坡极大值,进一 步体现了逆倾结构面在地震波传播过程中的衰减效 应。
结构面倾角/(。)
图8结构面倾角与PGA放大系数极大值的关系(逆倾) 3结论
(1)结构面产状的变化会使得结构面对地震波的 反射方向和折射方向发生变化,进而影响地震波场能 量在坡体中的分布情况,最终体现为边坡PGA放大系 数等值线分布的空间变化。
(2)对于顺倾结构面边坡,当结构面倾角较小时, 结构面对地震波的传播起着一定的衰减作用,而当结 构面倾角较大时,则起着相反的作用。边坡的动力稳 定性随着结构面倾角的增大而不断变差。
(3)逆倾结构面的存在会对地震波在岩质边坡中 的传播产生衰减作用,并且随着结构面倾角的增大而 不断弱化。相比于顺倾结构面边坡,逆倾结构面边坡 的动力稳定性大体上要强于前者。 参考文献:
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(蝙辑:郑较)
Impact of structural plane occurrence on dynamic response of rock slope
LIAO Shaob01,WANG Junyi2,LIU Xia03,ZHANG Shu
(1.Engineering Faculty,China University of Geosciences,Wuhan 430074,China;2.CCCC Fiut Highway Consultants Co.,Ltd, Xian 710075,China;3.Three Gorges Research Center ofGeo—hazards,China University ofGeosciences,Wuhan 430074,China) Abstract:Numerical simulation with software of 3DEC was conducted to study the influence of structural plane occurrence on dynamic responses of rock slopes.The maximum accelerations of every monitoring points at the slope were recorded,then the contour figure of amplification coefficient of peak ground acceleration(PGA)was calculated.It was shown that the distribution
characteristic of contour of the amplification coefficient was
remarkably
affected by structural plane occurrence.Compared with
the slope of anti—dip structural plane,the seismic dynamic response of the slope of down—dip structural
plane is stronger,and its dynamic stability problem is more prominent.
Key words:dynamic response;structural plane;amplification coefficient;3DEC;rock slope
结构面产状对岩质边坡动力响应的影响
作者:廖少波 , 王俊毅 , 刘晓 , 张抒 , LIAO Shaobo, WANG Junyi, LIU Xiao, ZHANG Shu
作者单位:廖少波,张抒,LIAO Shaobo,ZHANG Shu(中国地质大学(武汉)工程学院,湖北武汉,430074) , 王俊毅,WANG Junyi(中交第一公路勘察设计研究院有限公司,陕西西安,710075) , 刘晓,LIU Xiao(中国地质大学(武汉)教 育部长江三峡库区地质灾害研究中心,湖北武汉,430074)
刊名:
人民长江
英文刊名:Yangtze River
年,卷(期):2014,45(1)
本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_rmcj201401015.aspx
岩质边坡类型、结构面特征稳定性分析
岩质边坡类型、结构面特征及稳定性分析
【摘 要】边坡的稳定性受控于岩土体的基本特性和人为改造的程度两方面因素。由于地质体的复杂性、多变性和不均质性,因而道路工程边坡设计是预测性、风险性的设计。本文针对山区不同的边坡类型突出的边坡岩土体失稳问题,结合四川、重庆、云南等省山区道路工程建设项目边坡工程及滑坡灾害的勘查和治理,在研究山区地质背景和地质特征基础上,系统研究边坡岩体结构分类方法,以及开挖边坡岩体稳定性的岩体结构分析方法。
【关键词】地质灾害;岩体分类;结构特征;软硬岩层;结构面;稳定性
泥岩、泥质粉砂岩比较软弱,该类岩层具有透水性弱、亲水性强,遇水易软化、塑变,抗风化能力弱,易崩解等特性。从边坡角度来讲,多数边坡由软硬岩体构成,对边坡岩体的变形破坏起控制作用,岩质边坡软硬结构体构成,岩性层间结合差、软弱结构面发育,边坡开挖后极易发生山体变形、滑坡,特别是山前地带岩土质边坡、顺层岩质边坡及以岩层走向发育沟谷的一侧的边坡,多属顺层易滑地带。雨季经常诱发大量滑坡灾害,在道路等工程建设项目中,也经常诱发大量开挖边坡岩体失稳灾害。
开挖边坡岩土体失稳灾害的根本原因在于具有特殊的岩体结构特征和不利的岩体力学性质,其中开挖边坡岩体结构特征是控制开挖边坡稳定性的重要因素,边坡岩体的变形与破坏与边坡岩体结构面发育特征、结构面与开挖面的空间组合有密切关系,因此对边坡岩
体结构、结构面特征的系统研究具有重要意义。
1.边坡岩体结构类型划分
边坡岩体的变形破坏与其岩体结构特征有密切的关系。根据岩体结构面、结构体特性,并充分考虑控制性结构面与边坡开挖临空面之间的空间组合关系,系统研究岩体结构类型的划分,给出各种岩体结构类型边坡稳定性分析模型,以便于在工程勘察设计中简便、快速应用。
针对岩体结构类型和边坡工程的特点,在边坡岩体结构类型划分中考虑如下因素:
1)岩质边坡的岩性特点及岩性组合特征
岩质边坡岩性组合最为显著的特点是不同力学性质的岩层互层,从边坡工程角度,开挖边坡工程的岩性组合主要有软质泥质岩为主的层状结构、软硬相间的砂泥岩互层结构和巨厚层硬岩为主的层状结构。
软质泥质岩为主的层状结构主要指开挖边坡岩体以软弱泥质岩为主,边坡岩体中夹少量薄层硬岩,但对整个边坡岩体性质影响不大。
软硬相间的互层结构指开挖边坡岩体为硬质岩(砂岩、灰岩、白云岩、硅质岩等)、软质岩(泥岩、页岩等)等各种力学性质岩层互层,在丘陵区软硬相间岩体结构互层最为普遍、最为典型的岩性组合形式。
巨厚层硬岩为主的层状结构主要指开挖边坡岩体中以巨厚层硬岩为主,但夹有软岩,软岩的空间位置和力学性质对坡体的变形和破
坏有重要的影响。
2)岩体结构面发育情况
硬层岩层面、软岩夹层为延展性好的重要结构面,岩体中的外倾构造裂隙也对岩体稳定性有重要影响。
3)结构面(主要是层面)与边坡开挖临空面之间的空间组合关系
对于边坡工程来讲,结构面与开挖面之间的空间组合关系非常重要,不同的空间组合,其结构面控制作用和变形破坏模式也不同。层状岩层结构面与开挖面的空间组合关系对边坡岩体的稳定性有重要的影响。
4)软硬岩层水文地质结构特征
软硬岩岩体具有特殊的层状水文地质结构,而岩体中的上硬下软的岩类、软弱夹层在软弱面(带)具有浸水后强度大幅降低的特性,因此水文地质结构对边坡岩体稳定性具有重要影响。例如砂泥岩互层结构,砂岩类构造节理发育,常成为地表水和地下水渗透的通道,而软岩为相对不透水层,且具有浸水软化的特征,对边坡稳定极为不利。
2.不同岩质边坡类型稳定性分析
不同岩体结构类型边坡,开挖后具有不同的失稳破坏模式,本文在前面边坡岩体结构类型划分基础上,从岩体结构角度分析各种岩体结构类型边坡失稳破坏机理和稳定性分析方法。
2.1 近水平层状岩质边坡岩体失稳模式及稳定性分析
近水平层状岩层主要指构造作用轻微、岩层倾角平缓(一般c 快
速滑动后稳定阶段:
滑坡快速滑动后,裂缝水压力迅速消散,滑坡失去推动力而趋于稳定,而且一般滑坡滑动后后缘形成拉裂槽,槽内逐渐为黏土填充后,不再具备积聚较高孔隙水压力条件,因此一般k期稳定性较好。
单纯考虑重力作用,此类边坡一般是不会产生滑移失稳灾害的,因此岩体稳定性分析必须考虑后缘裂隙水压力的影响。
采用极限平衡法进行稳定性分析时,稳定系数k可按下式计算:
式中:,为滑面bc上的粘结力和内摩擦角;a为滑面bc的长度;w为滑体abcd的重力;为作用在裂隙ab上的水压力;为滑面bc的倾角;l为下部浮托力作用水平长度;a为浮托力作用系数;h为裂隙水压力作用高度。
对于滑体下部的浮托力,由于软岩岩体为网状裂隙含水岩体,地下水主要赋存在岩体构造裂隙中,因此不能全段计算基岩地下水浮托力,只考虑裂隙岩体段的作用力,为简化计算,采用浮托力作用系数a表示。
2.2 倾斜岩层软岩边坡失稳模式及稳定性分析
在倾斜地层中,岩层层面和岩体中的节理面是控制边坡岩体稳定的关键结构面,不同的开挖临空面和岩层倾向之间的空间组合形式,控制斜坡稳定的结构面不同,相应的边坡岩体失稳破坏模式也不同。
2.2.1顺层岩层软岩边坡
顺层结构开挖边坡指岩层倾向与开挖临空面方向基本一致的斜
坡,由于软岩层间结合差且软岩夹层发育.边坡岩体开挖后经常诱发顺层滑移灾害。主要破坏模式有完全平面型顺层滑移、滑移,拉裂型顺层滑移、前缘剪出型滑移。不同倾角的顺层结构边坡,具有不同的滑移破坏模式。
顺层结构边坡几种典型破坏模式如下:
1)完全平面顺层滑移型破坏
这种破坏模式主要表现在岩体沿层面或软弱夹层发生整体滑移破坏,如图2中在公路开挖揭穿软弱层面后,上部岩体沿软弱层面发生顺层滑移。这种破坏主要苎亡生在岩层中等倾斜一陡倾,可按照直线滑动进行计算.计算公式可参考文献[6]。
2)滑移一拉裂破坏模式
在缓倾,中等倾斜地层中,当开挖坡角大于岩层倾角,容易产生滑移一拉裂破坏。边坡开挖后,岩体沿下伏软弱层面向临空面方向滑动,并使滑移体拉裂解体。边坡破坏进程取决于顺层岩质边坡结构面的产状和特性,后缘拉裂区范围取决于斜坡坡体结构、层面抗剪强度特征等。
滑移拉裂破坏边坡的计算较为复杂,存在一个拉裂破坏范围的确定问题,定义开挖松动区范围由边坡后缘拉裂缝组成的边界、开挖松动区底边界、松动区横向长度x和松动区岩体厚度hc组成,如图3所示。
假定岩体容重为,松动区后缘裂隙水压力为,滑带内摩擦角,凝聚力c。
则松动区岩体重量
当松动区岩体处于极限平衡状态时,滑体抗滑力,与滑体下滑力fc和后缘裂隙水压力关系为:
即:
将g带入,得出:
若计算出12?)、断(层)——褶(曲)破碎地层边坡岩体、堆积层岩土质边坡、风化损伤岩体——中风化岩体等5个大类以及11个亚类。给出了各类岩体结构特征、控制边坡稳定的主要结构面以及边坡岩体失稳破坏模式。
2)近水平砂泥岩互层状边坡和软硬相间的顺向岩质边坡岩体的失稳破坏是以软弱夹层或软弱层面为底滑面、陡倾节理为后边界的顺层滑移破坏。一般经历边坡岩体拉裂变形、暴雨条件下排水不畅导致裂隙水压力作用下快速滑动、快速滑动后稳定3个阶段。边坡岩体稳定分析中需考虑后缘裂隙水压力和下部地下水浮托力。
3)缓倾顺层结构边坡滑移一拉裂式破坏的拉裂松动区判定是边坡勘察设计中的主要问题,本文给出了相应计算方法。
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高边坡岩体结构面发育特征及其对边坡稳定性的影响
Mine Engineering 矿山工程, 2017, 5(4), 148-154
Published Online October 2017 in Hans.
Developmental Characteristics of Rock Mass Structure and Its Effect on Slope Stability in High Slope
Zheng Jiang, Duoxi Yao, Haifeng Lu, Yan Wang
School of Earth and Environment, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui
th th th
Received: Sep. 12, 2017; accepted: Sep. 25, 2017; published: Sep. 29, 2017
Abstract
The development and distribution of structural facies in rock mass have an important influence on the stability of slope. Based on the example of high slope engineering in opencast mine, the struc-tural surface of slope is measured and analyzed statistically. The preliminary qualitative evalua-tion of slope is made, which provides relevant reference for post-level quantitative evaluation of slope stability and analysis method. In this paper, the lateral line method is used to obtain the ba-sic data of the structural surface of the rock mass. The pole plot, the equal density map and the joint roses are drawn and analyzed to obtain the dominant structural plane by Lizheng software. Using the matlab software to analyze the basic data, the corresponding probability distribution histogram and fitting curve are obtained, which is in good agreement with the probability model. The results show that the stability of the structural slope is relatively small and the slope is basi-cally stable.
Keywords
Rock Slope, Structural Plane, Probability Distribution, Stability Analysis
高边坡岩体结构面发育特征及其对边坡稳定性的影响
蒋 正,姚多喜,鲁海峰,王 妍
安徽理工大学地球与环境学院,安徽 淮南
收稿日期:2017年9月12日;录用日期:2017年9月25日;发布日期:2017年9月29日
文章引用: 蒋正, 姚多喜, 鲁海峰, 王妍. 高边坡岩体结构面发育特征及其对边坡稳定性的影响[J]. 矿山工程, 2017, 5(4): 148-154. DOI: 10.12677/me.2017.54021
蒋正 等
摘
要
岩体中结构面发育与分布情况对边坡的稳定性有着重要的影响。结合露天矿高边坡工程实例,对边坡的结构面进行实测与合理的统计分析,对边坡做出初步定性评价,为边坡稳定性的后期定量评价以及分析方式提供相关的参考。文中采用测线法来获取岩体结构面的基础资料,通过理正软件画出极点图、等密度图与节理玫瑰花图并进行分析获取优势结构面。利用matlab 软件对基础数据进行统计分析得出相应的概率分布直方图与拟合曲线,与概率模型较为吻合。将所得出的优势结构面通过极射赤平投影的方法对边坡进行稳定分析,得出结构面对边坡的稳定性影响较小,边坡基本稳定。
关键词
岩质边坡,结构面,概率分布,稳定性分析
Copyright ? 2017 by authors and Hans Publishers Inc.
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).
Open Access
1. 引言
随着经济社会的快速发展,为满足各类基础设施以及工程建设的需要,对低山丘陵区的露天建筑石料的开采活动十分强烈,人们在获取所需资源的同时也破坏了该地区的生态环境与地应力的平衡,形成了高而陡的不稳定岩质边坡,对生产生活以及人们的生命财产安全带来了一定的威胁,因此科学的对露天矿山岩质高边坡的稳定性进行分析具有一定的现实意义[1]。
大量的工程经验表明,岩质边坡的稳定性与结构面的发育程度、发育位置、产状、组合特征及其工程性质有着十分密切的内在联系[2]。目前我国工程地质工作者对结构面的测量方法主要有典型露头测量,统计窗测量,现场全断面全元测量,现场数字摄像或三维激光扫描等方法[3]。根据大量野外实测研究表明,岩体结构面的分布特征符合一定的概率分布,通过计算机模拟可以得出相关研究区域的岩体结构面的分布情况进而解决工程实践问题[4]。对于岩体结构面的研究目前也有利用模糊综合评判的方法来进行研究,为我们提供了一种新的思路和方法[5]。在露天矿山开采的过程中往往伴随着爆破等一系列的人为作用的因素,从而导致岩体的不完整性进一步加强,岩质边坡的失稳破坏通常沿岩体结构面发生,结构面控制着边坡的变形、破坏和演化过程,因此对边坡岩体的结构面调查分析寻找边坡体的优势结构面是在边坡稳定分析中的重要环节[1] [4] [6]。
本文通过安徽省广德县石灰石矿对露天矿高边坡稳定性进行科学合理的分析与研究,为解决高边坡的实际工程问题提供了一种符合工程实际的边坡稳定分析方法,符合该项目的工程现实需要对解决相关问题具有一定的借鉴意义,有助于工程人员的指导与施工。
2. 工程背景
矿区交通便利,为低山丘陵区,地势总体上北西高东南低,最高海拔为330 m,最低海拔120 m,相对高差210 m。矿区经多年开采,已形成采坑,南北长约788 m,东西宽约287 m,采坑内主要有+130 m、+142 m、+168 m台阶组成。采坑北侧坡顶标高+300 m,按坡底采坑+130 m标高测算,已形成最高(300-130) 170 m垂高的边坡。坡顶地形坡度+0?~?16?左右。最高点大于+320 m,属高危边坡。
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2.1. 矿区构造
矿区位于金山复式向斜之次级构造金山向斜东翼的北端,为一单斜构造。金山向斜轴向25?左右,核部为三叠系下统南陵湖组,两翼为二叠系下统孤峰组至三叠系下统和龙山组。西翼地层产状较徒,局部地段发生倒转;东翼地层倾角45?~50?,为一正常-倒转向斜,地质构造简单。
2.2. 水文地质
矿区属低山丘陵地貌,年平均降水1379.1 mm ,地下水属基岩岩溶裂隙潜水型,地下水的补给主要来自大气降水,地下水对矿床开采影响较小。
矿体岩石主要为灰岩,均为弱含水层,矿体内裂隙发育一般,矿床充水主要为大气降水,南西有一水沟自中部北流出矿区外。未采矿体主要分布标高+110米~+312米,矿床最低开采标高+110米,低于附近最低地平面+120米,采场局部须机械排水。矿山水文地质条件为简单类型。
2.3. 工程地质
矿区出露地层有泥盆系五通组(D3w),石炭系高骊山组(C1g)、黄龙组和船山组(C2+3),第四系表土(Q)。该灰岩矿床直接出露地表,矿体是灰岩、顶板是灰岩,岩性较硬,岩石产状比较稳定,断裂构造不发育,裂隙、节理发育一般,岩石表面风化较弱,工程地质稳定性好;底板为石炭系高骊山组泥岩,地层倾角较陡,属不利于边坡稳定型;总体上矿区工程地质稳定性中等。
根据岩层的成因类型,岩体结构以及结构体形态,将矿区边坡岩体划分为三个工程地质岩组:第四系残积、坡积松散软弱工程地质岩组、石炭系高骊山组泥岩及砂质泥岩碎屑岩类较完整软弱工程地质岩组。
3. 结构面调查统计
在进行岩体结构面调查时,考虑到几种岩石在采场内分布情况,调查主要集中在采场南部的灰岩区。现场调查内容主要包括节理间距、节理倾向、倾角等[7]。
调查采用详细线观测法,在坡面(为方便操作,主要布置在靠近坡脚处) 布置测线,测线法将结构面共分为1、2A 、2B 、3A 、3B 、4A 、4B 、5共8种类型[8],如图1所示。测量时,测尺水平拉紧,基点设在开始调查点。将测线上下1 m 的范围作为测带,调查工作在测带以内进行。本次调查总长度132 m ,共有节理230条。调查结果见表1所示。
Figure 1. Surveying lines 图1. 测线布置示意图
Table 1. Statistical table of measured rock structural plane 表1. 实测岩体结构面统计表
岩性 灰岩 泥岩
调查长度(m)
90 42
调查宽度(m)
2 2
调查面积(m2)
180 84
节理数量(条)
120 110
节理平均间距(m)
0.76 0.38
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4. 优势结构面的确定
调查样区灰岩节理数为120条,泥岩为110条,共有节理230条,总长度132 m 。结构构面类型分别为III 、IV 、V 级结构面。该矿灰岩岩体结构类型为层状结构,泥岩区为碎裂结构。依据岩体完整程度的定性划分可知,灰岩区岩体的完整程度为较破碎,而泥岩区的岩体完整程度为破碎。
为了对结构面进行优势分组,即为了确定数量上较多的几组结构面,以方便研究优势结构面对边坡稳定性的影响,通常绘制节理等密度图等图件[9]。根据调查结果,采用理正6.0绘制出边坡岩体结构面极点图、等密图以及玫瑰花图,如图2所示。
由结构面极点图、等密度图、玫瑰花图等,可以得出本矿边坡岩体的优势结构面共有2组(除层面外) 。如表2所示。
5. 边坡岩体结构面发育概率分布
国内外众多研究表明:岩体内结构面的发育具有随机性的特点,可以用相应的概率分布来描述[10]。在某一岩体中,除了有一些已经知道的断层、层面、大的断裂以及通过实际量测获得的有关节理的样本资料 ,还包含有成千上万个节理面,这些节理面对岩质边坡的稳定性有着重要的影响。因此通过样本资料总结获取节理面几何参数的统计分布特征和统计参数,就可以通过计算机来生成一个符合这种统计特征的岩体节理网络,就能够计算岩体一系列重要的物理学特性指标[11]。对于认识岩体中优势面的分布特征和规律,分析边坡稳定性具有一定的指导意义[12]。
对数据的处理与分析采用软件matlab ,对现场边坡面结构面调查数据进行统计分析,得结构面倾向、倾角、间距频率直方图以及概率分布拟合图,如图3,图4所示。由于篇幅所限,文中仅给出灰岩第一组优势结构面倾向倾角、间距的统计分析图件,泥岩组与灰岩组相类似。
由统计分析可知,结构面倾角、倾向服从正态分布,节理间距则服从负指数分布。统计所得数据如下表3所示,表中所列为灰岩组第一组与第二组优势结构面几何参数统计结果。
6. 边坡稳定性的极射赤平投影分析
岩质边坡破坏是否沿岩体结构面发生失稳,与结构面分布、组合及其密度有密切关系。赤平投影方法是判断结构面对边坡稳定性影响的主要方法之一[13]。故本次利用赤平投影法对矿区边坡各分区的由结构面切割形成的楔体稳定性进行定性分析,分析结果如图5所示,由于泥岩分布只是在坡顶局部地段,故本次主要分析组成边坡的主要岩性灰岩的结构面影响。
从图5可以看出,优势结构面1与优势结构面2与边坡面相交,单组与组合分析来说与边坡破面产状关系表征出基本稳定或稳定状态。边坡主要结构面组成的楔体发生滑动的可能性小,说明本矿露天边坡稳定性不受结构面控制,因此需要做进一步的分析。
对于I 区的逆层边坡,边坡坡向与岩层面倾向向反。对于此类顺层边坡,由前所述,除层面和优势结构面2组合可能致其产生局部楔体滑动外,也有可能当其破坏模式由层面对其控制时,一般容易发生滑移-弯曲破坏;如层面不能控制边坡破坏时,根据《非煤露天矿边坡工程技术规范》(GB51016-2014)中表A.0.3可知,其破坏模式转为圆弧形破坏。
7. 结论
边坡岩体结构面的分布特征对边坡的稳定性有着很大的影响,也是开展岩质边坡稳定性分析的前提。通过对露天矿区结构面实测统计分析可知:
1) 由边坡结构面极点图、等密度图等获取了边坡的两组优势结构面,该边坡为一顺层岩质边坡,边
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(a) Limestone structure surface pole diagram (b) Mudstone structure surface pole diagram
(a) 灰岩结构面极点图 (b) 泥岩结构面极点图
(c) Limestone structural plane and other density map (d) Mudstone structural plane and other density map
(c) 灰岩结构面等密度图 (d) 泥岩结构面等密度图
(e) Limestone structural surface to rosette (f) Mudstone structural plane to roses
(e) 灰岩结构面走向玫瑰花图 (f) 泥岩结构面走向玫瑰花图
Figure 2. Limestone and mudstone structural plane 图2. 灰岩和泥岩结构面统计图
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Table 2. Dominant structure surface production 表2. 优势结构面产状
岩性 灰岩
产状 倾向 倾角 倾向 倾角
层面 345? 35? 340? 36?
优势组1 110? 70? 121? 69?
优势组2 215? 50? 218? 53?
泥岩
Table 3. Geometric parameter statistics of the dominant structural planes 表3. 边坡优势结构面几何参数统计结果
组号
统计指标 倾向
一组
倾角 间距 倾向
二组
倾角 间距
概率分布类型
正态 正态 负指数 正态 正态 负指数
均值 110? 70? 0.76 215? 50? 0.71
标准差 8.6 6.7 0.69 9.7 7.3 0.66
(a) Inclination histogram (b) Tend to histogram (a) 倾角直方图 (b) 倾向直方图
Figure 3. The inclination, tendency histogram and normal distribution fit of Limestone 图3. 灰岩倾角、倾向直方图和正态分布拟合
Figure 4. Joint pitch histogram and negative exponential distribution fit 图4. 节理间距直方图和负指数分布拟合
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Figure 5. Stereographic projection of dominant structural planes 图5. 优势结构面赤平投影图
坡坡向与岩层面倾向相反。岩体中主要发育有两组优势结构面,且结构面的分布服从相应的概率分布。
2) 通过赤平投影分析可知,两组优势结构面与边坡面相交,边坡稳定性受结构面影响相对较小,需要进一步从岩层面角度进行分析。
3) 边坡的稳定性往往受到多种因素的影响,而基于结构面理论的边坡稳定性分析评价是边坡稳定性分析的基础,能够定性的对边坡的稳定性做出一定的评价,如果需要更为准确的定量的分析与评价,则需要进一步的研究与分析。
基金项目
国家自然科学基金面上项目(51474008)。
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DOI: 10.12677/me.2017.54021
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矿山工程
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