順層巖質高邊坡剪切滑動破壞的敏感性因素分析*

劉婷婷 張 軍

(武漢理工大學道路橋梁與結構工程重點實驗室1) 武漢 430070)(武漢理工大學土木工程與建筑學院2) 武漢 430070) (中交第二公路勘察設計研究院有限公司3) 武漢 430056)

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順層巖質高邊坡剪切滑動破壞的敏感性因素分析*

劉婷婷1,2)張 軍3)

(武漢理工大學道路橋梁與結構工程重點實驗室1)武漢 430070)(武漢理工大學土木工程與建筑學院2)武漢 430070) (中交第二公路勘察設計研究院有限公司3)武漢 430056)

依托山西永源花崗巖礦山邊坡，通過現(xiàn)場地質調查、室內試驗和極限平衡理論，研究了順層巖質高邊坡沿結構面組合發(fā)生滑動破壞的情況，基于簡化Bishop法，探討了潛在滑體的幾何特征(滑體高度、滑體寬度以及滑動面傾角)對邊坡穩(wěn)定性的影響，結果表明，敏感度大小順序為：滑動面傾角>滑體寬度>滑體高度，即滑動面傾角對邊坡穩(wěn)定性起主要控制作用，滑體寬度和滑體高度對邊坡穩(wěn)定性的影響相對較小.

順層邊坡；簡化Bishop法；滑坡；敏感度

0 引 言

順層巖質邊坡是一種特殊類型的邊坡，在露天礦山、公路、鐵路等的建設中經常遇到，并造成了重大損失[1].順層邊坡巖體往往沿著某個最不利的剪切滑動面向邊坡面方向滑動造成邊坡的失穩(wěn)破壞.分析順層巖質邊坡的穩(wěn)定性問題，目前工程界主要應用剛體極限平衡[2-3]和數值模擬[4-5]2種方法.在極限平衡方面，其中參數、值的選取是比較關鍵的因素，龔文惠等[6-7]通過算例計算分析了邊坡安全系數對、敏感程度.嚴明等[8]通過對一個順向坡實例的詳細調查發(fā)現(xiàn)，順向坡的滑移-彎曲破壞，在強烈彎曲-隆起之后，整體失穩(wěn)之前還存在一個中間狀態(tài)：碎裂-散體化，在對其形成條件進行初步分析的基礎上，提出了“四階段”的滑移-彎曲破壞地質力學模式.梁專明等[9]以長沙商貿旅游職業(yè)技術學院工程邊坡為研究案例，探討了軟質巖順層邊坡的非典型潰屈型滑坡機制.朱晗迓等[10]考慮水壓力和地震等多種荷載的共同作用，對層狀巖體的潰屈破壞模式進行了研究.Ebrahim等[11]利用離散元程序對Karoun順層滑坡進行反分析，發(fā)現(xiàn)結構面參數對該邊坡的穩(wěn)定性起控制作用.針對軟硬巖互層順傾邊坡，夏開宗等[12]建立了順層軟硬巖互層邊坡穩(wěn)定性的分析模型，分析了層面強度、巖層厚度、巖層傾角以及水力作用等各項因素對邊坡穩(wěn)定性的影響.

上述學者主要討論了巖質邊坡對參數c,φ值的敏感程度，鮮有學者討論潛在滑體的幾何特征對巖質高邊坡穩(wěn)定性的影響.文中以山西永源花崗巖礦山邊坡為例，運用加拿大RocScience公司開發(fā)的SLIDE軟件分析了自重情況下潛在滑體的高度、厚度、滑動面傾角對邊坡穩(wěn)定性的影響，提出了運用SLIDE模擬結構面的方法，為邊坡工程設計和施工提供指導.

1 工程概況及計算參數

1.1 工程概況

山西永源石材有限公司渾源縣中莊鋪鄉(xiāng)人崖山花崗石礦(以下簡稱永源礦)1993年6月建成投產，批準最高開采高程為2 070 m，最低開采標高1 920 m，則會形成最高約150 m高的采場邊坡.現(xiàn)在處于生成后期，邊坡穩(wěn)定問題已經成為制約露天礦生產的決定性因素.

根據現(xiàn)場地質情況，選取西邊坡中露頭較好的位置進行了地表調查，各個調查點(區(qū)域)的位置見圖1；西邊坡由礦體(輝綠巖)和圍巖(片麻巖)兩部分組成，1～9號調查點出露的基巖大都是片麻巖，而10～14號調查點出露的基巖大都是輝綠巖.

圖1 地質調查點分布圖

圖2 邊坡地質模型

基于現(xiàn)場地質調查，建立了邊坡的地質模型，見圖2所示，并對該邊坡可能的主要破壞模式進行了初步分析，歸納為以下4種.

1) 潰曲破壞 潰屈破壞大多發(fā)育在插入式順層邊坡中，坡面沒有順層臨空面，邊坡高度較高，在重力或其他荷載作用下，邊坡坡腳應力集中，導致坡腳巖層發(fā)生揉屈，進而發(fā)生潰屈破壞.永源礦采場西邊坡為中傾反向邊坡，發(fā)育有與坡向相同的陡傾結構面，且此陡傾結構面貫通性較好，采場邊坡高度較高，有可能在重力荷載作用下發(fā)生潰屈破壞.

2) 傾倒破壞 傾倒破壞大多發(fā)生在陡傾順層或陡傾反向巖質邊坡中.永源礦采場西邊坡坡面上部分地方順坡向陡傾節(jié)理密集發(fā)育，容易發(fā)生傾倒破壞，見圖3.

圖3 邊坡局部坡面節(jié)理密集發(fā)育

3) 崩塌、墜落破壞 邊坡中產狀為340°∠82°的節(jié)理很發(fā)育，該組結構面與坡面走向垂直.坡面上由該組結構面與傾向坡內的陡立結構面(70°∠60°)、坡面切割出來的小型塊體容易發(fā)生崩塌或墜落.

4) 剪切滑移破壞 剪切破壞是巖質邊坡常見的破壞模式，一般是沿著順層結構面發(fā)生.對于永源礦西邊坡，一組產狀為70°∠60°陡傾順坡節(jié)理控制邊坡的穩(wěn)定性，節(jié)理平行排列，構成滑移體的后緣邊界，而邊坡體上存在一組產狀為59°∠15°的結構面，該組結構面構成了滑移控制面，即在邊坡中容易發(fā)生形如塊體ACDE(及ABIG)及AJF(及AIG)塊體的滑移型破壞.

上述4種潛在破壞模式，前3種破壞模式主要發(fā)生在邊坡表層或局部，潛在危害較小，而對于剪切滑移破壞，破壞深度和規(guī)模都很大，潛在危害嚴重，故需要對這種模式進行分析.

1.2 結構面參數

結構面是具有一定方向、延展較大而厚度較小的二維面狀地質界面.它在巖體中的變化非常復雜.結構面的存在，使巖體顯示構造上的不連續(xù)性和不均質性，巖體力學性質與結構面的特性密切相關.結構面最重要的力學性質之一是抗剪強度.從結構面的變形分析可以看出，結構面在剪切過程中的力學機制比較復雜，構成結構面抗剪強度的因素是多方面的，大量試驗結果表明，結構面抗剪強度一般可以用庫倫準則表述

(1)

式中：c，φ分別為結構面上的粘聚力和內摩擦角；σn為作用在結構面上的法向應力.

式中：σ為剪切面上的正應力，MPa；τ為剪切面上的切應力，MPa；S為剪切面積，cm2；Pn為法向荷載，kg；Pτ為切向荷載，kg.

試驗后結構面見圖4，根據試驗后破壞巖樣可以看出，試件的最終破壞按試件結構面破壞.圖5為結構面剪切試驗剪切應力-剪切變形曲線.

圖4 結構面試樣

圖5 結構面剪切應力-剪切變形曲線

以結構面的直剪試驗結果和和已有的巖石力學參數為基礎，綜合以上巖體基本質量指標BQ計算、Hoek-Brown經驗方程估算和折減系數法等3種取值方法，給出了建議采用的結構面計算參數，見表1.

表1 邊坡計算參數

2 計算方法與模型

2.1 計算方法

采用簡化Bishop法計算巖質邊坡折減滑動破壞，簡化Bishop法是英國著名土力學專家Bishop[13]提出的邊坡穩(wěn)定計算方法，被認為是計算圓弧滑動面安全系數最好的方法,張香渝等[14]把簡化Bishop法推廣到非圓弧滑動面安全系數的求解上，對于非圓弧巖質邊坡極限平衡分析，簡化Bishop法分析步驟如下：(1)假定只存在水平條間力,豎向條間力為零；(2)各土條滿足豎向力平衡條件；(3)滑體滿足總體力矩平衡條件.巖塊受力分析示意圖見圖6.

圖6 簡化Bishop條分法受力分析圖

可建立如下平衡條件.由巖塊i豎向力平衡可知

(2)

由巖塊i底面切向力平衡可知

(3)

潛在滑體整體力矩平衡條件

根據式(1)～(3)，可得

(5)

(6)

(7)

2.2 敏感度計算

敏感度分析是指通過計算一個自變量發(fā)生變化時所引起的因變量的改變率從而分析該自變量對因變量的貢獻.邊坡安全系數對第i個影響因素的敏感度計算公式為

(8)

2.3 計算模型

沿結構面組合的剪切滑動破壞是巖質高邊坡失穩(wěn)的一種主要形式，為了研究潛在滑體的幾何特征(高度h、厚度w以及滑動面傾角δ)對巖質高邊坡穩(wěn)定性的影響，文中以山西永源花崗石礦邊坡為例，探討了自重情況下邊坡安全系數對潛在滑體的幾何特征的敏感度，計算中h=15，30，45，60，75，90m，w=20，40，60，80，100m；δ=0°，15°，30°，共計算了6×5×3=90種情況.計算模型見圖7，計算參數見表1.

圖7 算例邊坡幾何形狀

基于SLIDE的特點，文中提出了一種用SLIDE計算潛在滑體沿結構面破壞的安全系數的方法，解決了SLIDE無法計算巖體沿弱面發(fā)生破壞的問題.具體思路是：在對巖體參數賦值時，巖石的重度不變，但是巖石強度參數c，φ賦的是結構面的強度參數值.

3 結果與討論

圖8～10為不同δ下的安全系數與滑體高度關系的曲線.由圖8～10可知，當w和δ一定時，隨著h的增大，安全系數Fos非線性減小，但是變化率即dFos/dh隨h的增大而不斷減小，說明滑體高度較小時，安全系數隨之增大而顯著減小，但當h增大到一定程度后，安全系數隨滑體高度的增大變化不明顯.

圖8 安全系數與滑體高度關系曲線(δ=0°)

圖9 安全系數與滑體高度關系曲線(δ=15°)

圖10 安全系數與滑體高度關系曲線(δ=30°)

圖11 安全系數對滑體高度的敏感度與滑體寬度關系曲線

由圖8～10可知，當δ≤15°時，隨滑體寬度的增大，邊坡安全系數不斷增大，但是當δ>15°，隨滑體寬度的增大Fos不斷減小.上述結論說明滑體寬度對邊坡安全系數的影響受滑動面傾角影響較大，δ不同，F(xiàn)os-w關系曲線走勢可能不同.

圖12 安全系數對滑體寬度的敏感度與滑體寬度關系曲線

由圖8～10可知，在w和h一定的情況下，滑動面傾角越大，邊坡安全系數越小，例如當δ=0°時，F(xiàn)os最大達25.58，相同情況下，δ=30°時，F(xiàn)os僅為1.97，兩者竟相差13倍，說明滑動面傾角對邊坡安全系數的影響非常顯著.

圖13 安全系數對滑動面傾角的敏感度與滑體高度關系曲線

4 結 論

1) 潛在滑體的幾何特征中，敏感度大小順序為：滑動面傾角>滑體寬度>滑體高度，說明滑動面傾角對邊坡穩(wěn)定性起主要控制作用，滑體寬度和滑體高度對邊坡穩(wěn)定性的影響相對較小.

2) 邊坡穩(wěn)定性隨滑體高度的增大非線性減小，并且邊坡安全系數對滑體高度的敏感度受滑體寬度的影響不大，但是滑動面傾角對其影響較明顯，滑動面傾角越大，安全系數對滑體高度的敏感度越小，反之越大.

3) 滑體寬度對邊坡穩(wěn)定性的影響受滑動面傾角影響較大，當滑動面傾角≤15°時，滑體寬度越大，邊坡穩(wěn)定性越高，但是當滑動面傾角>15°時，滑體寬度越大，邊坡穩(wěn)定性越低.

4) 滑動面傾角對邊坡穩(wěn)定性的影響最大，相同情況下，當滑動面傾角由0°增大到30°時，邊坡安全系數由25.58驟降到1.97.安全系數對滑動面傾角的敏感度隨滑體高度的增大而非線性減小，而隨滑體寬度增加而增大.

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LIU Tingting1,2)ZHANG Jun3)

(KeyLaboratoryofRoadwayBridgeandStructureEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)1)(SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)2)(CCCCSecondHighwayConsultantsCo.Ltd,Wuhan430070,China)3)

Selecting Yongyuan granite mine slope as the site for analysis, the study on the mechanism of sliding-shear failure along the combination of steep and gently inclined joints is conducted through field investigation, laboratory tests and limit equilibrium theory. Based on simplified bishop method, the influence of potential landslide geometric characteristics(landslide height, landslide width and sliding surface inclination) to slope stability is explored for sliding-shear failure of high rock slope that along the combinations of joints and various fracture zones. The sensitivity level of each geometric characteristic is established. The orders of sensitivity from large to small are the sliding surface inclination, landslide width and land slide height. It means that sliding surface inclination performs a control role on the slope stability and the influence of landslide height and landslide width is relatively weak.

dipping rock slope; simplified bishop method; landslide; sensitivity

2016-08-24

*中國博士后面上基金資助(2015M582289)

TU457 doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.05.007

劉婷婷(1986- )：女，博士后，主要研究領域為應力波傳播和邊坡穩(wěn)定性分析