某邊坡巖體結構特征及變形破壞影響因素研究

0 引言

巖質邊坡的穩定性問題一直是巖土工程的一個重要研究內容，巖質邊坡的穩定性及變形破壞主要受到巖體結構面及自身強度控制，故結構面強度參數及巖體強度參數取值是巖土穩定性研究的基礎[1-2]，在野外現場調查時，如何快速獲得結構面強度參數及巖體強度參數顯得尤為重要。

1 邊坡現狀

根據現場調查，某邊坡坡表植被發育，基巖裸露，坡腳落石堆積。地層巖性為板巖，節理裂隙發育，見圖1。

圖1 邊坡現狀

2 巖體結構特征

2.1 結構面強度參數取值

20世紀60年代以來，Barton與其合作者們（1973，1976）在大量天然結構面的剪切試驗的基礎上，結合結構面的幾何特征和巖體力學特性，研究了結構面抗剪強度估算方法，提出了以下的巴頓（Barton）模型[3]：

式中:JRC為結構面粗糙度系數（Joint Roughness Coefficient）；JCS為結構面壁面抗壓強度（Joint Compression Strength），MPa；φb為基本摩擦角；σn為結構面上的有效正應力，MPa。

其中結構面壁面抗壓強度JCS根據回彈儀測定的Re，使用巴頓推薦的米勒經驗關系公式計算：

在計算結構面強度參數時，根據現場試驗結果，片理面基本內摩擦角取36°，節理面取32°，最大正應力取5MPa，計算結果如表1所示。

表1 基于巴頓（Barton）模型等效抗剪強度參數計算結果

通過上述計算可以得到邊坡巖體的抗剪強度為5MPa，等效粘聚力為C=0.29MPa，內摩擦角為φ=34°。

圖2 巴頓（Barton）模型的等效處理方法

2.2 點荷載試驗

點載荷試驗是利用一對端部為直徑極小的加荷錐，將巖石試樣夾在兩個錐形壓頭之間施加集中荷載，使巖石拉裂，通過計算求得試樣點荷載強度，再依據經驗關系，間接估算巖石單軸抗壓強度和抗拉強度，或者直接用于巖石分類、劃分風化帶以及評價巖石各向異性程度等[4]。

設用卡尺或儀器立柱上的標尺量得兩壓頭間距離為D，破壞荷載為P，那么點荷載強度指數為：

式中：Is為未經尺寸修正的點荷載強度指數；P為試樣破壞時的點荷載；Dc為等效巖心直徑，對巖心徑向試驗，對巖心軸向、巖塊或不規則塊試驗WD，A為過兩壓頭接觸點平面的最小截面積，W為試樣的平均寬度。

為了得到統一可比的點荷載強度值，定義巖樣經尺寸修正的點荷載強度指數Is（50）為在D=50mm巖心上進行徑向試驗所測得的值。對于在其他情況下進行的試驗，使用尺寸修正系數Kp將試驗結果歸一化為Is（50）：

Is（50）與單軸抗壓強度σc的經驗關系：

選取邊坡坡腳處的巖石進行點荷載試驗，試驗結果見表2。

表2 點荷載試驗計算結果表

計算結果表明，巖石的平均抗壓強度約為83.379MPa，抗拉強度約為5.426MPa。

3 邊坡穩定性分析

邊坡下部出露基巖巖性為板巖，受區域地質構造和淺表生改造，以及公路施工人工開挖邊坡的影響，巖體出露部分節理裂隙發育，現場調查統計得到兩組節理，節理面J1產狀：104°∠80°，節理面J2產狀：313°∠41°，節理間距10-50cm，片理面L產狀：208°∠72°，層厚15-20cm，坡面產狀：73°∠53°。

根據巖體結構特征，赤平投影分析如圖3所示。

圖3 邊坡巖體穩定性分析圖

由邊坡穩定性分析知，圖中坡面投影區穿越單滑面1、2、3，雙滑面12、13，墜落體G，故不在邊坡面上形成滑塌體，而只有雙滑面23的滑塌形式是在邊坡臨空面出露的滑塌體。從穩定性系數分析得知，雙滑面23的穩定性系數為0.46，處于失穩滑動狀態，會產生掉塊、落石，這與現場調查結果一致。

4 邊坡變形破壞影響因素分析

本文采用離散元數值模擬軟件UDEC來模擬邊坡基巖在不同粘聚力C、內摩擦角φ下的變形破壞模式[5]，其中以基巖裸露點作為邊坡位移大小d、變形速度v、最大壓應力σ的采集點。其中C取2MPa、3MPa、4MPa、5MPa、8MPa、12MPa、15MPa、18MPa、22MPa共9個不同的值，φ取0°、8°、15°、22°、30°、38°、45°共7個不同的值，兩兩結合共63種不同的模擬情況。

4.1 不同C、φ值對位移d的影響

位移大小可以直觀地反應邊坡變形的程度，位移大則邊坡變形就大，通過統計分析得到如圖4所示的點線圖。從圖中可以看出，當粘聚力C值小于8MPa時，邊坡位移波動明顯，C值越小變形差別越大；當粘聚力C值大于8MPa時，外邊坡變形趨于穩定。當內摩擦角φ值小于15°時，邊坡位移波動較大，且φ值越小變形差異越大；當內摩擦角φ值大于15°時，邊坡變形趨于穩定。綜合不同C、φ值可以看出，當C值大于8MPa且φ值大于15°時，邊坡變形趨于穩定，在0.5m-0.8m范圍內。

圖4 位移影響

4.2 不同C、φ值對變形速度v的影響

邊坡變形速度大小作為邊坡變形監測的重點，對保證工程施工和運行的安全起重要作用，將數值模擬結果統計分析得到如圖5所示的點線圖。從圖中可以看出，當粘聚力C值小于8MPa時，邊坡變形速度變化明顯，C值越小變形速度差別越大；當粘聚力C值大于8MPa時，邊坡變形速度趨于穩定。當內摩擦角φ值小于30°時，邊坡變形速度波動明顯，且φ值越小變形速度差異越大；當內摩擦角φ值大于30°時，邊坡變形趨于穩定。綜合不同C、φ值可以看出，當C值大于8MPa且φ值大于30°時，邊坡變形速度趨于穩定，在0.1m/s-0.3m/s范圍內。

圖5 速度影響

4.3 不同C、φ值對最大壓應力σ的影響

數值模擬結果表明，最大拉應力都在2MPa附近波動，這與邊坡的抗拉強度t取值為2MPa有關，故只討論在抗拉強度t為2MPa時最大壓應力的變化，通過統計分析得到如圖6所示的點線圖。從圖可以看出，最大壓應力σ隨著粘聚力C值和內摩擦角φ的增加出現線性上升的趨勢。

圖6 拉應力影響

5 結論

基于現場調查、現場試驗、數據整理、數值模擬等方法，本文得出以下結論：

①巴頓（Barton）模型是一種快速確定較硬巖體結構面強度參數的方法，在野外可以方便快速確定巖體的強度參數。

②野外應用點荷載試驗初步測試巖石的抗壓強度、抗拉強度是可行的，尤其是對于沒有條件進行現場、室內試驗的初步地質調查來說，較為實用。

③赤平投影分析結果表明，邊坡最不利滑面穩定性系數為0.46，處于失穩滑動狀態，會產生掉塊、落石，與現場調查結果一致。

④邊坡變形破壞受巖體粘聚力和內摩擦角的影響較大，當抗剪強度參數取值與現場試驗接近時，邊坡變形趨于穩定，且此時邊坡最大拉應力也與點荷載試驗結果接近。