巖質邊坡穩定性快速評價方法研究

白雪飛 易 鑫

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 地質概況

晉豫魯鐵路通道通過地區屬中溫帶干旱、半干旱氣候區，地形主要為中低山區,起伏較大,溝壑縱橫,地面高程740～850 m,相對高差約110 m,處于臨汾—運城新裂陷九原山—塔兒山陷隆內,該段斷層不發育,發育兩組垂直裂隙①10∠85°、②300～320∠85°88°。根據《中國地震動峰值加速度區劃圖》(GB18306—2001),地震動峰值加速度為0.2g，地震基本烈度Ⅷ度。地面水系主要為沁河支流曲亭河的支溝，溝內有常年流水,水量較小,估計水量約40 L/min。該工點附近砂巖滲透系數K約為0.45 m/d,由于工點高程超過溝間高程較多,勘察期間未見地下水。因此,地下水對邊坡的影響有限,就水文地質作用來講,大氣降雨水動力作用對邊坡穩定性的影響較大。地下水類型為基巖裂隙潛水,含水層巖性為砂巖,地下水水位埋深約30～35 m,地下水主要受大氣降雨補給。該區域主要出露巖性為第四系上更新砂質黃土和紫紅色三疊系中統二馬營組砂巖,中粗粒結構,中厚層狀構造,泥鈣質膠結,局部夾紫紅色薄層狀泥巖,巖質較軟。

2 邊坡的基本特征

2.1 邊坡的地形特征

該自然邊坡高約86 m,自然坡角為31°,鐵路工程開挖后形成高43～48 m的邊坡,開挖后坡角為47°。邊坡類型為軟質巖邊坡,巖性主要為三疊系中統二馬營組的砂巖。線路平面位置如圖1,邊坡坡面如圖2所示。

圖1 巖質高邊坡工程平面

圖2 巖質高邊坡工程剖面

2.2 邊坡的巖體物理性質

區域主要地層巖性為砂巖，紫紅色為主,主要礦物成分為正長石,薄層狀構造,細-中粒結構,巖質較軟,錘擊不易碎,巖體較完整,巖層產狀：N55°W/9°S。

①J1：N65°E/垂直,l>2 m,s=0.5～0.7 m,微張,無充填。

②J2：N65°W/垂直,l>3 m,s=0.3～0.5 m,微張,偶見填充石英脈。

3 邊坡穩定性初步評價

擬建線路位于邊坡左側陡崖上,整體橫坡坡度約為31°,邊坡開挖后形成約47°陡邊坡,坡體順直,植被較茂密,基巖出露,表面風化嚴重。其主要為三疊系中統二馬營組紫紅色砂巖,巖體較軟,主要發育4組節理。由圖3結構面赤平投影圖分析,各組節理均與邊坡開挖線大角度相交,邊坡開挖后,結構面對側壁的穩定性影響較小,其中J1與J2、J3與J4節理面夾角較小,傾角近乎垂直,并且在該區域的砂巖節理及其他結構面并非為貫通結構面,因此該邊坡體在無巨大外力作用下,邊坡巖體自身的穩定性較高,不會對線路產生影響。但J1與J3、J1與J4、J2與J3、J2與J4節理大角度相交,把邊坡巖體切割成小塊巖體,在鐵路施工及運營過程中,對巖體產生擾動,易產生小型崩塌落石等地質災害現象。

圖3 結構面赤平極射投影

圖4 結構面組合與ns(自然坡角)和cs(人工坡角)關系

由圖4,邊坡開挖所形成的巖質結構面與自然邊坡結構面形成的整個邊坡體結構成為一個穩定結構,根據形成不穩定性邊坡的條件判定,該邊坡開挖后仍然不具有形成滑動的結構面特征,不會產生滑動現象。

4 根據SMR法確定邊坡的穩定坡角

SMR法是國際上判定巖質邊坡穩定性較為廣泛的一種方法,它是一種考慮節理面與邊坡體相互關系的評價系統,這種方法是根據邊坡巖體的諸多特征因素,賦予不同的分值,從而計算SMR的綜合評分值來確定邊坡穩定性。SMR的經驗公式

SMR=RMR-(F1·F2·F3)+F4

式中SMR——邊坡巖體質量評分；

RMR——巖體質量得分；

F1——邊坡不連續面傾向與邊坡傾向的有關系數；

F2——不連續面傾角有關的系數；

F3——不連續面與坡面傾角間關系的系數；

F4——邊坡開挖方法調整系數。

通過上述SMR的評價得分值來確定邊坡巖體是否穩定。根據邊坡案例及個因素的影響程度,對邊坡的各種評價因素賦值如下。

RMR=46F1=0.53F2=1

F3=25 自然邊坡F4=15

根據經驗公式計算得

SMR=37

同時,根據經驗公式計算自然穩定坡角θ

θ=-6.550 115 2+0.070 691h+

0.937 697α+0.057 081SMR

計算出邊坡的自然穩定坡角為θ=49.6°。

根據第3節所述,邊坡開挖后形成坡度β為47°,β<θ,邊坡開挖后處于穩定狀態。

5 根據不平衡推力法確定邊坡穩定性系數

在鐵路邊坡穩定分析和整治中最常用的另一種方法是不平衡推力法,這種方法是把整個邊坡體劃分為若干個條塊剛體,滑面形式無特殊要求,其主要分為折線型和圓弧型。本文假設滑面為折線型,上一條塊對下一條塊的推力方向平行于該條塊的滑面,根據作用在條塊上力具有傳遞性,從上一條塊傳遞給前一條塊,依次傳遞,直到最前緣的一塊的合力為零。把抗滑力與下滑力的比值稱為邊坡的穩定系數,用K表示。通過調整穩定系數K的值,使滑面上最前緣的一個條塊的剩余推力為零,從而確定相應邊坡的K值。其邊坡條塊分解受力如圖5所示。

圖5 邊坡條塊受力分解

根據受力平衡得

Fi+cili+Ei-1sin (θi-1-θi)fi-(Wicosθi+

Ei-1cos (θi-1-θi))K=0

當K=1時

Ei-1(cos (θi-1-θi)-sin (θi-1-θi)fi)+

Wicosθi-(Fi+cili)=0

其中

Fi=Wisinθifi,Wisinθi是該土條的滑動力,fi為條塊土的內摩擦角,ci是該土條的凝聚力,Ei-1φ是上一土條傳遞給它的推力。

φ=cos (θi-1-θi)-sin (θi-1-θi)fi,φ稱為傳遞系數,因此不平衡推力法又成為傳遞系數法。

不平衡推力法充分考慮了各條塊間的相互作用力,其適用于土質邊坡以及呈塊狀結構、層狀構造的巖質邊坡,適用較為廣泛,但滑塊間的作用力方向并非規則,這種方法強行規定了各作用力的方向,計算出的結果也偏于安全。因此，采用不平衡推力法對邊坡進行穩定性評價時,當安全系數接近1的時候,計算出的結果較為準確,相反則計算結果的準確性大大降低。安全系數的選取也根據邊界條件的不同,根據對邊坡研究的程度、危害性及對工程的重要性,選取不同的安全系數值。

根據上述不平衡推力傳遞法,該處高邊坡以J2節理面與巖層層面的結構面組合為最不利滑動面進行計算,天然密度通過取樣試驗得出,C、φ值均取經驗值C=18 kPa、φ=32°。本工點為重要工程,根據規范安全系數取值為1.3。邊坡穩定性計算成果表見表1所示。

從表1計算結果,計算得出穩定性系數K為1.59,邊坡穩定性較高,因此判定該高邊坡開挖后處于穩定結構。

6 利用Flac模擬確定邊坡穩定性系數

根據既有邊坡及人工開挖情況,收集基本物理力學參數及地質構造特性數據,建立Flac模型,邊坡體變形模式采用彈塑性變形,且邊坡體破壞模式遵守莫爾-庫倫強度準則,重力加速度采用10 m/s2。網格劃分成水平和豎直的結點,如圖6所示。依據基本的數據假設該邊坡體模型下部為剛體,沉降為零,模型上部具有自由界面,在天然重力作用下可以存在豎直方向的變形沉降,根據FLAC軟件評價原理求出結點主應力、速度和位移,進而得出邊坡體的水平位移和豎直位移,如圖7、圖8所示。

表1 不平衡推力傳遞法計算

圖6 FLAC 5.0網格劃分

圖7 高邊坡水平位移云圖

從水平與豎向位移云圖分布規律來看,位移等值線與坡面幾乎平行,僅在坡體突出的部位有位移的突兀點,出現位移極值,表征了在坡體發生滑動時,這些點將是位移最大的位置。根據所建立的模型及Flac軟件內置的強度折減法,得出該邊坡的安全系數為1.8,可見該邊坡具有較大的安全余度,滿足鐵路系統中所規范的工程技術要求,該邊坡處于穩定狀態。

圖8 高邊坡豎向位移云圖

7 結束語

影響軟質巖邊坡穩定性因素有著多樣性、離散性的特點,且各個敏感因素耦合又是非線性的,使得對其進行詳細的穩定性分析需要大量的計算和論證。正是因為其復雜性,因此對其穩定性定性的評價顯得十分重要。只有在定性判斷正確的前提下,計算和分析才是有價值的。

本文把巖質邊坡的穩定性評價系統化,首先通過平極射投影法對邊坡勘測所得的結構面數據進行分析,對軟質巖邊坡的穩定性進行初步判定。然后通過計算與判定結果進行對比和驗證。擬建立起淺變質巖系高邊坡穩定性的快速評價體系,提高加固效果,為今后處理該類巖質邊坡問題提供合理的參考依據。

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