韓龍強(qiáng),吳順川,*,張化進(jìn),侯 英
(1.北京科技大學(xué)金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083;2.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院,昆明 650093)
邊坡穩(wěn)定性是邊坡工程領(lǐng)域至關(guān)重要的考慮因素,而安全系數(shù)則是表征邊坡穩(wěn)定性的一個(gè)常用量化值[1]。目前確定邊坡安全系數(shù)的方法主要有極限平衡法、有限單元法、穩(wěn)定性圖表法等。其中邊坡穩(wěn)定性圖表法最早由D.W.Taylor針對(duì)均質(zhì)黏性土坡提出,為預(yù)測(cè)邊坡安全系數(shù)提供了一個(gè)更為直觀(guān)的解決方法[1]。隨后許多中外學(xué)者對(duì)穩(wěn)定性圖表法展開(kāi)了研究,研究主要分兩類(lèi),一類(lèi)是基于Mohr-Coulomb(M-C)強(qiáng)度準(zhǔn)則;如文獻(xiàn)[2-5]分析了M-C準(zhǔn)則各強(qiáng)度參數(shù)對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響規(guī)律,對(duì)D.W.Taylor穩(wěn)定性圖表進(jìn)行修正,在此基礎(chǔ)上,建立了基于M-C準(zhǔn)則的土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性圖表;孫樹(shù)林等[6]考慮地震烈度、孔隙水壓力系數(shù)等對(duì)安全系數(shù)的影響,完善了安全系數(shù)圖表確定法;年廷凱等[7]研發(fā)了考慮地表水和地下水聯(lián)動(dòng)作用的有限元強(qiáng)度折減法,并提出了綜合考慮土性參數(shù)和水力參數(shù)的安全系數(shù)圖表法。另一類(lèi)主要考慮到巖石材料強(qiáng)度的非線(xiàn)性特征,采用Hoek-Brown(H-B)準(zhǔn)則對(duì)邊坡穩(wěn)定性圖表進(jìn)行了修正。如文獻(xiàn)[8-12]對(duì)H-B準(zhǔn)則各參數(shù)及地震等外部因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律進(jìn)行了探討,建立基于H-B準(zhǔn)則的穩(wěn)定性圖表。孫超偉等[13]基于瞬時(shí)等效內(nèi)摩擦角和黏聚力的強(qiáng)度折減法,對(duì)H-B準(zhǔn)則穩(wěn)定性圖表進(jìn)行研究,并提出了擾動(dòng)比例因子和坡角比例因子來(lái)量化其對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響程度。
以上研究建立的穩(wěn)定性圖表涉及的參數(shù)變量均較多,無(wú)法建立更為直觀(guān)的邊坡安全系數(shù)數(shù)學(xué)表達(dá)式。現(xiàn)從巖體質(zhì)量指標(biāo)[BQ](BQ的修正指標(biāo))入手,通過(guò)巖體波速Vp與[BQ]間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系,構(gòu)建巖體波速Vp與巖體強(qiáng)度參數(shù)間的數(shù)學(xué)關(guān)系式。然后通過(guò)數(shù)值模擬試驗(yàn),建立基于巖體波速的新型邊坡穩(wěn)定性圖表,以期為快速評(píng)判巖體邊坡穩(wěn)定性提供一種新的思路。
1.1.1 巖體質(zhì)量指標(biāo)
巖體基本質(zhì)量分級(jí)是中國(guó)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50218—2014)中采用的巖體分級(jí)法,其值的確定分為兩步:① 確定巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ;② 結(jié)合工程實(shí)際情況(地應(yīng)力、地下水和結(jié)構(gòu)面特征等)修正巖體基本質(zhì)量指標(biāo)[14]。具體公式為
BQ=100+3Rc+250Kv
(1)
式(1)中:Rc為巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度;Kv為巖體完整性指數(shù)。
使用式(1)應(yīng)遵循以下條件:
(1)當(dāng)Rc>90Kv+30時(shí),應(yīng)以Rc=90Kv+30代入式(1)計(jì)算。
(2)當(dāng)Kv>0.04Rc+0.4時(shí),應(yīng)以Kv=0.04Rc+0.4代入式(1)計(jì)算。
當(dāng)確定巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ后,應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際條件,考慮巖體結(jié)構(gòu)面類(lèi)型與延展性、地下水發(fā)育程度等影響因素對(duì)其進(jìn)行修正,修正指標(biāo)[BQ]計(jì)算如下:
[BQ]=BQ-100(K4+λK5)
(2)
K5=F1F2F3
(3)
式中:λ為坡體內(nèi)主要結(jié)構(gòu)面類(lèi)別與延展性修訂系數(shù);K4為地下水影響修訂系數(shù);K5為主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀修訂系數(shù);F1為邊坡傾向與結(jié)構(gòu)面傾向間關(guān)系影響的修訂系數(shù);F2為主要結(jié)構(gòu)面傾角影響的修訂系數(shù);F3為主要結(jié)構(gòu)面傾角與邊坡傾角間關(guān)系影響的修訂系數(shù)。
1.1.2 巖體波速Vp與修正[BQ]間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系
文獻(xiàn)[15]對(duì)挪威、瑞典及中國(guó)的大量巖石工程試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,確定了工程巖體波速Vp(km/s)與巖體質(zhì)量指標(biāo)Q間的數(shù)學(xué)方程為
Q=10VP-3.5
(4)
另外,Barton[15]還研究了地質(zhì)分類(lèi)指標(biāo)RMR89取值與巖體質(zhì)量指標(biāo)Q間的關(guān)系式為
RMR89=15lgQ+50
(5)
聯(lián)立可得巖體波速與RMR間的關(guān)系為
RMR89=15Vp-2.5
(6)
RMR系統(tǒng)分類(lèi)法與[BQ]分級(jí)法均是對(duì)巖體各因素的綜合考慮,二者具有實(shí)質(zhì)上的相關(guān)性。目前關(guān)于RMR與[BQ]間關(guān)系的研究主要通過(guò)以下幾個(gè)方面。
(1)按照巖體內(nèi)摩擦角等效與變形模量等效的原則確定[BQ]與RMR間的關(guān)系[16-21]。
內(nèi)摩擦角等效:
(7)
變形模量等效:

(8)

(9)

(10)

(11)
(2)許宏發(fā)等[16]通過(guò)分析已有試驗(yàn)資料,根據(jù)[BQ]與RMR關(guān)系曲線(xiàn)的上、下限方程,取其中間線(xiàn)提出[BQ]與RMR間的關(guān)系式為
(12)
(3)根據(jù)不同工程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù),同步進(jìn)行RMR與[BQ]分級(jí)計(jì)算,得出二者間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。蔡斌等[22]通過(guò)對(duì)不同工程的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,研究了[BQ]與RMR指標(biāo)間的數(shù)學(xué)關(guān)系為
[BQ]=0.089RMR+21.378
(13)
閆天俊等[23]通過(guò)對(duì)大崗山水電站的地質(zhì)進(jìn)行定性評(píng)價(jià),分析了BQ體系和RMR體系的相關(guān)關(guān)系為
[BQ]=7.868RMR+13.9
(14)
根據(jù)以上不同學(xué)者提出的[BQ]與RMR關(guān)系方程,結(jié)合式(6)可以求得巖體波速Vp與國(guó)標(biāo)巖體質(zhì)量指標(biāo)[BQ]間的數(shù)學(xué)關(guān)系式,如表1所示。

表1 [BQ]與Vp關(guān)系式統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of the relationship between [BQ] and Vp
1.1.3 經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析
上述關(guān)于波速Vp與巖體質(zhì)量指標(biāo)[BQ]間的經(jīng)驗(yàn)方程,均是通過(guò)不同工程區(qū)域的巖體數(shù)據(jù)擬合得到,經(jīng)驗(yàn)方程是否具有普適性有待驗(yàn)證。“排序距離”(RD)是Cherubini等[24]于2000年提出的一個(gè)評(píng)價(jià)方程性能的指標(biāo):

(15)

以文獻(xiàn)[25]中瑪爾擋水電站工程巖體質(zhì)量[BQ]和巖體波速Vp實(shí)測(cè)值為依據(jù),分別代入上述經(jīng)驗(yàn)方程,計(jì)算各方程的偏差系數(shù)與RD,分析方程的預(yù)測(cè)精度,[BQ]預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值結(jié)果如表2所示,各方程預(yù)測(cè)精度如表3所示。
根據(jù)圖1不同方程預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖和表3評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果表可知,8個(gè)方程的偏差系數(shù)K基本分布在小于1的范圍內(nèi),只有方程E1、E5和E8出現(xiàn)了高估[BQ]的情況(K>1),但概率較低,最高約12.5%,說(shuō)明大多數(shù)情況下的預(yù)測(cè)值是偏于保守的(K<1)。在計(jì)算精度方面,8個(gè)經(jīng)驗(yàn)方程的RD均較小,尤其以基于內(nèi)摩擦角等效的方程E1和基于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到的線(xiàn)性方程E7、E8計(jì)算性能更好,其RD均小于0.1。當(dāng)采用排序距離RD評(píng)估經(jīng)驗(yàn)方程的預(yù)測(cè)性能時(shí),線(xiàn)性方程E8的性能是最優(yōu)的。因此,下述研究便采用經(jīng)驗(yàn)方程E8來(lái)預(yù)測(cè)巖體質(zhì)量指標(biāo)[BQ]。

表2 [BQ]預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比表Table 2 Comparison table of prediction results of [BQ]

圖1 不同方程預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖Fig.1 Prediction results of different equations

表3 評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculating results of evaluation indicators
國(guó)標(biāo)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50218—2014)根據(jù)修正[BQ]提供了工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及巖體強(qiáng)度參數(shù)建議值,如表4所示。許宏發(fā)等[16]為了量化[BQ]與各物理力學(xué)參數(shù)間的數(shù)學(xué)關(guān)系,采用非線(xiàn)性擬合方法對(duì)[BQ]與巖體重度γ、內(nèi)摩擦角φ、黏聚力c等力學(xué)參數(shù)間的關(guān)系進(jìn)行分析,得到擬合關(guān)系如式(16)~式(18)所示。
R2=0.997 6
(16)
R2=0.999 2
(17)
R2=0.998 6
(18)
根據(jù)上文選定的巖體波速Vp與[BQ]間的經(jīng)驗(yàn)方程[BQ]=118.02Vp-5.77,結(jié)合式(16)~式(18)可得巖體重度γ、內(nèi)摩擦角φ、黏聚力c與巖體波速Vp間的數(shù)學(xué)關(guān)系式為

(19)

(20)

(21)
以文獻(xiàn)[25]中瑪爾擋水電站工程巖體原位抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù),驗(yàn)證基于巖體波速Vp的巖體力學(xué)參數(shù)預(yù)測(cè)公式的合理性,結(jié)果如表5所示,其中括號(hào)內(nèi)的數(shù)值為現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試結(jié)果。為使對(duì)比結(jié)果更直觀(guān),將其繪制成柱狀圖,如圖2和圖3所示。結(jié)果表明,根據(jù)式(20)、式(21)巖體內(nèi)摩擦角和黏聚力的預(yù)測(cè)值與現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)實(shí)測(cè)值基本一致,驗(yàn)證了本文提出的由巖體波速Vp預(yù)測(cè)巖體強(qiáng)度參數(shù)方法的可行性及可靠性。
采用極限平衡法,建立M-C準(zhǔn)則下的邊坡數(shù)值計(jì)算模型。其中,力學(xué)參數(shù)和幾何參數(shù)包括:巖體波速Vp、坡高H和坡角β,具體尺寸如圖4所示。

表4 巖體質(zhì)量分級(jí)及參數(shù)建議值表Table 4 Classification of rock mass quality and recommended parameters

表5 強(qiáng)度參數(shù)預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比表Table 5 Comparison table of prediction results of strength parameters
根據(jù)實(shí)際工程中統(tǒng)計(jì)結(jié)果,邊坡坡角β取25°、35°、45°、55°、65°、75°,坡高H取10、15、20、25、30、35、40 m,分別計(jì)算不同巖體波速Vp(1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0 km/s)對(duì)應(yīng)的安全系數(shù),整理形成一系列邊坡穩(wěn)定性圖表,如圖5所示。
由圖5可知,邊坡安全系數(shù)隨巖體波速Vp的增大呈明顯增大趨勢(shì),并且坡高越小、坡角越大,增幅越明顯。以圖5(a)和圖5(f)為例,當(dāng)坡角25°、坡高為40 m時(shí),波速由1.5 km/s增加到5 km/s時(shí),邊坡安全系數(shù)由1.67增大為19.50,增大約11.68倍;而當(dāng)坡角25°、坡高為10 m時(shí),安全系數(shù)由3.59增大為59.91,增大約16.69倍,增幅更明顯;當(dāng)坡高為10 m、坡角25°時(shí),波速由1.5 km/s增加到5 km/s時(shí),邊坡安全系數(shù)由3.59增大為59.91,增大約16.69倍;而當(dāng)坡高為10 m、坡角75°時(shí),安全系數(shù)由1.85增大為38.51,增大約20.82倍,增幅更明顯。
另外,由圖5還可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)巖體波速為1.5 km/s時(shí),坡形由坡高10 m、坡角25°變?yōu)槠赂?0 m、坡角由75°,安全系數(shù)由3.59變?yōu)?.70,降幅約81%;當(dāng)巖體波速為5.0 km/s時(shí),坡形由坡高10 m、坡角25°變?yōu)槠赂?0 m、坡角75°,安全系數(shù)由59.91變?yōu)?0.31,降幅約83%,降幅大約一致,故可認(rèn)為坡形對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響,幾乎與巖體波速(巖體質(zhì)量)無(wú)關(guān)。

圖2 內(nèi)摩擦角結(jié)果對(duì)比圖Fig.2 Comparison of internal friction angle

圖3 黏聚力結(jié)果對(duì)比圖Fig.3 Comparison of cohesion

圖4 邊坡數(shù)值計(jì)算模型Fig.4 Numerical model of slope
為了研究邊坡坡形(坡高H、坡角β)對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響規(guī)律,提出坡形影響因子δ來(lái)量化坡形對(duì)安全系數(shù)的影響程度,將其定義為任意坡形(坡高H、坡角β)與標(biāo)準(zhǔn)坡形(坡高H=25 m、坡角β=45°)條件下安全系數(shù)的比值。
根據(jù)上文邊坡安全系數(shù)算例,按照坡形影響因子δ的定義計(jì)算不同坡形(坡高H、坡角β)對(duì)應(yīng)的影響因子δ,如圖6所示,并采用非線(xiàn)性擬合方法得到δ與坡高H、坡角β的數(shù)學(xué)關(guān)系式,相關(guān)系數(shù)為0.968 4。

圖5 邊坡穩(wěn)定性圖表 Fig.5 Slope stability charts
δ=3.843-0.024 3β-0.118H+0.000 3Hβ+0.001 4H2
(22)

圖6 坡形影響因子δ與坡形的關(guān)系Fig.6 Relation between δ and slope shape
對(duì)于特定的邊坡,即邊坡輪廓確定時(shí),坡形影響因子δ均存在唯一確定的值。并且可以看出,隨著坡高H的增加,坡形影響因子δ呈先減小后增加趨勢(shì);而隨著坡角β的增大,坡形影響因子δ則呈單調(diào)遞減的趨勢(shì)。
現(xiàn)以坡角β=45°和坡高H=25 m的邊坡(標(biāo)準(zhǔn)坡形)為例,研究巖體波速Vp與安全系數(shù)f的關(guān)系,如圖7所示。從圖7中可以看出邊坡安全系數(shù)f隨著巖體波速Vp的增大而增大,近似呈“S”形變化趨勢(shì),增長(zhǎng)速度大致可分為三個(gè)區(qū)域:第一區(qū)域(Vp<2.5 km/s)增速逐漸增加,為加速增長(zhǎng)區(qū);第二區(qū)域(2.5 km/s<Vp<4.5 km/s)增速基本保持不變,為等速增長(zhǎng)區(qū);第三區(qū)域(Vp>4.5 km/s)增速逐漸變小,為減速增長(zhǎng)區(qū)。通過(guò)非線(xiàn)性擬合得到其數(shù)學(xué)關(guān)系式,相關(guān)系數(shù)為0.999 5。

圖7 波速Vp與安全系數(shù)f關(guān)系Fig.7 Relation between Vp and safety factor f

19.446Vp+15.577
(23)
綜上可知,基于巖體波速的邊坡安全系數(shù)求解步驟為:① 對(duì)于給定波速Vp結(jié)合式(23)或圖7,求解標(biāo)準(zhǔn)坡形條件下的安全系數(shù)f;② 根據(jù)實(shí)際邊坡坡形參數(shù),坡高H、坡角β代入式(22)求解坡形影響因子δ;③ 最終將坡形影響因子δ和標(biāo)準(zhǔn)坡形下的安全系數(shù)f代入式(24)求得指定邊坡的安全系數(shù)Fs。
Fs=δf
(24)
瑪爾擋水電站壩址區(qū)巖性主要為三疊系中~上統(tǒng)變質(zhì)砂巖和中生代侵入二長(zhǎng)巖,為獲取場(chǎng)區(qū)巖體的強(qiáng)度參數(shù),文獻(xiàn)[25]對(duì)壩址巖體進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn),得出微新二長(zhǎng)巖區(qū)域的巖體波速為4 690 m/s,巖體黏聚力2.08 MPa,內(nèi)摩擦角60°。巖體強(qiáng)度參數(shù)較高,對(duì)于一般邊坡均可保證其穩(wěn)定性。但由于可用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有限,便以此巖體數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),旨在通過(guò)與極限平衡法對(duì)比,驗(yàn)證本文提出的基于巖體波速預(yù)測(cè)邊坡安全系數(shù)方法的可行性。現(xiàn)分別建立不同尺寸的邊坡模型進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果見(jiàn)表6。
現(xiàn)以算例1為例,闡述基于巖體波速的邊坡穩(wěn)定性預(yù)測(cè)步驟:① 將Vp=4.69 km/s代入式(23),求得標(biāo)準(zhǔn)坡形條件下邊坡安全系數(shù)f=21.39;② 將坡高H=15 m,坡角β=35°代入式(22)求解坡形影響因子δ=1.695;③ 將標(biāo)準(zhǔn)坡形條件下邊坡安全系數(shù)f=21.39和坡形影響因子δ=1.695代入式(24),得算例1邊坡安全系數(shù)Fs=36.26。而采用巖體實(shí)測(cè)強(qiáng)度參數(shù),基于極限平衡法(Bishop法)求得算例1邊坡安全系數(shù)F′s=36.68。可知,由于工程巖體強(qiáng)度參數(shù)高,所得安全系數(shù)較大,但可以發(fā)現(xiàn)本文中提出的基于巖體波速的邊坡安全系數(shù)預(yù)測(cè)結(jié)果與極限平衡法計(jì)算結(jié)果基本一致,誤差較小,驗(yàn)證了該方法的可行性。

表6 安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果對(duì)比Table 6 Comparison of safety factors
(1)首先建立了巖體波速Vp與[BQ]間的經(jīng)驗(yàn)方程;以“排序距離”(RD)評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)估各經(jīng)驗(yàn)方程預(yù)測(cè)性能,選取線(xiàn)性方程[BQ]=118.02Vp-5.77為最優(yōu)關(guān)系方程;最后基于國(guó)標(biāo)建議的巖體力學(xué)參數(shù)取值表,利用數(shù)值擬合技術(shù)建立了巖體波速Vp與巖體力學(xué)參數(shù)間的數(shù)學(xué)關(guān)系式,通過(guò)工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),驗(yàn)證了本文中建立的基于波速預(yù)測(cè)工程巖體強(qiáng)度參數(shù)方法的合理性。
(2)根據(jù)算例研究發(fā)現(xiàn),坡形對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響程度,受巖體質(zhì)量的影響不大,提出坡形影響因子δ來(lái)量化坡形對(duì)安全系數(shù)的影響程度,并且坡形影響因子δ隨坡角β的增大呈單調(diào)遞減的趨勢(shì);而隨坡高H的增加,則呈先減小后增加的趨勢(shì)。
(3)標(biāo)準(zhǔn)坡形條件下(H=25 m,β=45°),邊坡安全系數(shù)f隨巖體波速Vp的增大而增大,且近似呈“S”形變化趨勢(shì),增長(zhǎng)速度大致可分三個(gè)區(qū)域:第一區(qū)域(Vp<2.5 km/s)增速逐漸增加,為加速增長(zhǎng)區(qū);第二區(qū)域(2.5 km/s<Vp<4.5 km/s)增速基本保持不變,為等速增長(zhǎng)區(qū);第三區(qū)域(Vp>4.5 km/s)增速逐漸變小,為減速增長(zhǎng)區(qū)。
(4)巖體波速既能反映巖體強(qiáng)度,又能反映巖體完整性,并且測(cè)試快捷方便、覆蓋范圍大。先建立標(biāo)準(zhǔn)坡形條件下安全系數(shù)f與巖體波速Vp的關(guān)系式,然后考慮坡形影響因子δ,最終提出由巖體波速Vp估算邊坡穩(wěn)定性的經(jīng)驗(yàn)方程Fs=δf,并與極限平衡法計(jì)算結(jié)果對(duì)比,驗(yàn)證了本文中建立的考慮坡形影響因子的邊坡穩(wěn)定性波速判別法的可行性。
本文中提出的由巖體波速判別邊坡穩(wěn)定性的方法,是以國(guó)標(biāo)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50218—2014)提供的巖體力學(xué)參數(shù)為基礎(chǔ),先建立波速與強(qiáng)度參數(shù)的擬合關(guān)系,然后以坡形影響因子δ量化坡形對(duì)安全系數(shù)的影響程度,最終提出一種基于巖體波速判別邊坡穩(wěn)定性的數(shù)學(xué)模型。主要適用于各向同性均質(zhì)的巖體邊坡,不包括結(jié)構(gòu)面控制型邊坡。在未通過(guò)試驗(yàn)獲取工程巖土體力學(xué)參數(shù)前,該方法可用于初步評(píng)估邊坡穩(wěn)定性,為利用巖體波速、坡形尺寸快速確定巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性提供了一種新的思路。