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    基于塊體理論的巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性研究

    2017-11-02 07:07:41羅光財(cái)王述紅
    關(guān)鍵詞:巖質(zhì)坡腳塊體

    羅光財(cái),齊 龍,王 震,王述紅

    (1.中建五局土木工程有限公司, 湖南 益陽 413000; 2.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110819)

    基于塊體理論的巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性研究

    羅光財(cái)1,齊 龍2,王 震1,王述紅2

    (1.中建五局土木工程有限公司, 湖南 益陽 413000; 2.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110819)

    巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性分析對(duì)于下穿公路及建筑的安全起著至關(guān)重要的影響。通過運(yùn)用關(guān)鍵塊體理論,結(jié)合先進(jìn)的非接觸測(cè)量技術(shù)與GeoSMA-3D系統(tǒng),對(duì)益陽東部新區(qū)外環(huán)路建設(shè)項(xiàng)目K3+300—K3+340坡段高邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了比對(duì)分析。通過比對(duì)不同邊坡坡角下,整體穩(wěn)定性系數(shù)的變化與關(guān)鍵塊體的體積發(fā)現(xiàn):在一定范圍內(nèi),邊坡的整體穩(wěn)定安全系數(shù)隨著坡腳的變大而變?。凰阉鞯降年P(guān)鍵塊體數(shù)量隨著邊坡坡腳的變大而減少,當(dāng)坡腳小于60°時(shí),邊坡整體較安全;當(dāng)坡腳大于60°時(shí)應(yīng)該適當(dāng)考慮后期分級(jí)支護(hù)及邊坡的削坡問題。

    高陡邊坡;塊體識(shí)別;結(jié)構(gòu)面;邊坡穩(wěn)定性

    隨著邊坡工程建設(shè)規(guī)模不斷地?cái)U(kuò)大,尤其是高陡邊坡的比例日趨上升,提高高邊坡巖體穩(wěn)定性的研究水平,具有重要的科學(xué)和社會(huì)意義。含有大量巖體的地層中,巖體被結(jié)構(gòu)面切割成各種類型的結(jié)構(gòu)體,這些結(jié)構(gòu)體的存在會(huì)導(dǎo)致整個(gè)巖坡的失穩(wěn)。近年來巖質(zhì)高邊坡的研究越來越引起人們的關(guān)注。主要包括動(dòng)力特性[1-2]、參數(shù)特性[3-4]、空間表征等方面[5],上述研究目前大致分為兩個(gè)主要方向:力學(xué)計(jì)算分析法與綜合評(píng)價(jià)法。力學(xué)分析法主要是通過運(yùn)用包括有限元、離散元、流形元等不同的力學(xué)分析理論,對(duì)高陡巖坡在震動(dòng)、滲流等各種環(huán)境條件下的應(yīng)力位移場(chǎng),進(jìn)行比對(duì)分析[6-7];綜合評(píng)價(jià)法是指運(yùn)用模糊模型、灰度模型、遺傳模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等統(tǒng)計(jì)管理學(xué)模型,在考慮力學(xué)效應(yīng)的同時(shí),更加客觀全面的對(duì)整體巖坡進(jìn)行綜合整體的評(píng)價(jià)[8-9]。

    在對(duì)高陡巖坡的研究中,常將巖質(zhì)巖體看成連續(xù)體,通過設(shè)置巖石的力學(xué)參數(shù)來模擬巖質(zhì)邊坡。但這種方法忽略了巖體非連續(xù)性及大變形這些重要的力學(xué)性質(zhì)。因此運(yùn)用塊體理論[10-11]研究上述塊體化巖體模型破壞機(jī)制最有效方法之一,因?yàn)槠浜诵膬?nèi)容是通過分析開挖面周圍塊體穩(wěn)定性來搜索關(guān)鍵塊體,進(jìn)而分析巖體工程開挖面的穩(wěn)定性。塊體理論作為一種比較新穎的巖體分析方法,它由著名美籍華人科學(xué)家Shi于1985年首次提出,目前已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于包括三峽大壩在內(nèi)的多種工程中[10-12],同時(shí)諸多學(xué)者也分別在塊體切割搜索[13]、曲面塊體表現(xiàn)[14]、塊體合并[15]、塊體穩(wěn)定性計(jì)算方法[16]等諸多方面進(jìn)行了研究并取得了豐厚的成果。但對(duì)于塊體理論的研究多圍繞大體積單一塊體進(jìn)行,對(duì)于結(jié)構(gòu)面較密集的碎裂巖體而言具有一定局限性。本文將塊體理論應(yīng)用于益陽東部新區(qū)外環(huán)路建設(shè)項(xiàng)目K3+300—K3+340坡段,針對(duì)結(jié)構(gòu)面密集且風(fēng)化嚴(yán)重這一特點(diǎn),提出了基于塊體體積的整體穩(wěn)定性系數(shù),對(duì)該碎裂巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)。從而可以預(yù)測(cè)出在不同放坡時(shí)邊坡的穩(wěn)定性情況,為邊坡工程的安全開挖及后期支護(hù)提供有力的理論依據(jù)。

    1 塊體理論方法及實(shí)現(xiàn)

    關(guān)鍵塊體理論假設(shè)巖體被各種結(jié)構(gòu)面及臨空面進(jìn)行切割后會(huì)形成各種形狀的塊體,這些塊體表面上看起來雜亂無章,實(shí)際有嚴(yán)格的分類。在巖體受結(jié)構(gòu)面切割后首先可以分為有限性塊體和無限塊體。通過塊體有限性定律可進(jìn)行判斷,即某凸塊體平移各半空間界面使之通過的坐標(biāo)原點(diǎn)形成棱錐,若棱錐為空集則塊體為有限,若不為空集,則塊體為無限。得到有限塊體之后,通過塊體的可動(dòng)性對(duì)塊體進(jìn)行判斷,即當(dāng)結(jié)構(gòu)面和臨空面構(gòu)成的塊體有限時(shí),僅結(jié)構(gòu)面構(gòu)成的塊體無限時(shí),塊體為可動(dòng);反之塊體為不可動(dòng)??蓜?dòng)性分析之后,對(duì)塊體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,可以將可動(dòng)塊體分為穩(wěn)定塊體、可能失穩(wěn)塊體及應(yīng)該重點(diǎn)維護(hù)加固的關(guān)鍵塊體。

    邊坡的穩(wěn)定性是由各關(guān)鍵塊體的穩(wěn)定性控制,而關(guān)鍵塊體的穩(wěn)定性系數(shù)判斷可得以下兩種形式:

    (1) 單面接觸滑動(dòng)。單面滑動(dòng)時(shí)的安全系數(shù)為

    (1)

    (2) 雙面接觸滑動(dòng)。雙面滑動(dòng)時(shí)的安全系數(shù)為

    (2)

    (3)

    (4)

    (5)

    GeoSMA-3D系統(tǒng)(Geotechnical Structure and Model Analysis)是“巖土工程結(jié)構(gòu)與模型分析系統(tǒng)”的簡(jiǎn)稱[17-19]。GeoSMA-3D是東北大學(xué)基于關(guān)鍵塊體理論獨(dú)立開發(fā)出的一款判斷巖體穩(wěn)定性的系統(tǒng)。本系統(tǒng)考慮了巖體的真實(shí)特征:非連續(xù)性、非均質(zhì)性、各向異性、非彈性,以及工程擾動(dòng)因素如爆破施工等。建立三維數(shù)值模型,在可視化環(huán)境中實(shí)現(xiàn)工程巖體任意剖切、量算、塊體顯示和開挖設(shè)計(jì),經(jīng)過程序自動(dòng)計(jì)算和搜索,自動(dòng)找出可動(dòng)塊體并提取真正的關(guān)鍵塊體,實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、查詢與空間分析,對(duì)于巖體工程設(shè)計(jì)和施工實(shí)踐具有很重要的實(shí)際意義(見圖1)。

    圖1 GeoSMA-3D塊體搜索系統(tǒng)

    2 工程實(shí)例

    2.1 工程概況

    本文選取益陽東部新區(qū)外環(huán)路建設(shè)項(xiàng)目K3+300—K3+340坡段高陡邊坡為研究對(duì)象(見圖2)。K3+300—K3+340坡段邊坡路面為右側(cè)開挖路塹。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘和鉆探資料顯示,該處設(shè)計(jì)高程95 m,中心挖高約4.7 m,右側(cè)最深挖高83 m,為5級(jí)邊坡坡段,考慮放緩邊坡坡率的情況下,邊坡挖高將一直往高山處開挖, 并輔以錨桿進(jìn)行坡面加固,坡腳采用護(hù)腳的形式,邊坡防護(hù)形式為三維網(wǎng)或者拱形骨架防護(hù)形式,坡頂外側(cè)5 m設(shè)置截水溝,并進(jìn)行植草綠化,其中第二平臺(tái)寬度為4 m,其他的邊坡平臺(tái)為2 m,進(jìn)行分級(jí)設(shè)置。根據(jù)詳勘資料,該挖方段均為風(fēng)化板巖,其性狀:灰黃色,灰色,淺紫紅色,變余結(jié)構(gòu),薄層夾中厚層板狀構(gòu)造,巖質(zhì)稍硬,為較軟巖,巖體較完整。上覆表土層易被水流沖刷,沿巖面易發(fā)生坍塌,應(yīng)采用緩坡并進(jìn)行坡面防護(hù)。下伏基巖為板巖,巖體較完整,結(jié)構(gòu)面結(jié)合一般,巖層產(chǎn)狀為255°∠50-80°,與路線走向交角近40°,為順坡向,易產(chǎn)生順層滑塌,且劈理(節(jié)理)發(fā)育,節(jié)理產(chǎn)狀參考路中右側(cè)邊坡節(jié)理發(fā)育,形成不穩(wěn)定的塊體,產(chǎn)生局部的坍塌或掉塊,對(duì)邊坡穩(wěn)定性不利,因此應(yīng)該對(duì)該坡段的關(guān)鍵塊體情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。為了更好對(duì)高陡邊坡進(jìn)行分析,本研究首先將邊坡分為5級(jí),并分別在45°、60°、70°、80°等4種不同坡腳情況下進(jìn)行對(duì)比分析各級(jí)穩(wěn)定性和關(guān)鍵塊體情況(見圖3)。

    圖2 K3+300—K3+340坡段高邊坡平面設(shè)計(jì)圖

    2.2 非接觸結(jié)構(gòu)面測(cè)量

    為了獲得巖體幾何參數(shù)和結(jié)構(gòu)面參數(shù),運(yùn)用了三維非接觸測(cè)量系統(tǒng)—ShapeMetriX3D[10],該系統(tǒng)可以通過高清攝影圖片對(duì)巖體及其表面形狀的進(jìn)行三維建模,并且可以通過相應(yīng)的分析,得到巖體表面結(jié)構(gòu)面的相關(guān)信息,巖體結(jié)構(gòu)面的傾向、傾角、中心點(diǎn)坐標(biāo)等。另外該系統(tǒng)還可以對(duì)邊坡進(jìn)行空間建模,最終得到坡高、坡角等相應(yīng)的邊坡幾何參數(shù)。

    經(jīng)過ShapeMetriX3D結(jié)構(gòu)面搜索,建立起邊坡三維模型(見圖4),經(jīng)過對(duì)巖體表面確定性結(jié)構(gòu)面的搜索,共搜索到確定性結(jié)構(gòu)面信息41條,用赤平投影圖進(jìn)行表征(見圖5),根據(jù)其特性對(duì)其進(jìn)行組別劃分,共分為3組。

    圖3 K3+300—K3+340坡段高陡邊坡分級(jí)

    圖4 邊坡第1級(jí)非接觸測(cè)量空間建模

    圖5 K3+340坡段結(jié)構(gòu)面分組赤平投影圖

    在實(shí)際關(guān)鍵塊體搜索中,在巖體中存在著許多表面無法觀察到的結(jié)構(gòu)面,這些結(jié)構(gòu)面同時(shí)也對(duì)巖體的整體穩(wěn)定性有影響。因此除了應(yīng)該考慮通過ShapeMetriX3D攝像技術(shù)獲得的確定性結(jié)構(gòu)面以外,還應(yīng)該考慮通過結(jié)構(gòu)面參數(shù)的隨機(jī)分布規(guī)律,對(duì)確定性結(jié)構(gòu)面進(jìn)行隨機(jī)性模擬[17]。本文中根據(jù)結(jié)構(gòu)面分布特性,主要考慮用Fisher分布與雙正態(tài)分布的形式分別對(duì)傾向、傾角進(jìn)行隨機(jī)結(jié)構(gòu)面的模擬。將確定性結(jié)構(gòu)面與隨機(jī)生成結(jié)構(gòu)面同時(shí)加入到GeoSMA-3D系統(tǒng)中進(jìn)行全部可移動(dòng)塊體的搜索。

    2.3 塊體搜索及穩(wěn)定性分析

    將得到的結(jié)構(gòu)面數(shù)據(jù)引入GeoSMA-3D系統(tǒng)中,同時(shí)輸入表1、表2中的結(jié)構(gòu)面與巖體的相應(yīng)力學(xué)參數(shù)與表3中結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀參數(shù),就可以得到如圖6所示可移動(dòng)塊體。其中塊體為系統(tǒng)搜索出的符合塊體可動(dòng)性的塊體。細(xì)線為結(jié)構(gòu)面切割巖體形成的跡線。

    表1 不同巖體力學(xué)參數(shù)

    表2 不同結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)

    表3 確定性結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀計(jì)算參數(shù)

    圖6坡段第1級(jí)邊坡可移動(dòng)塊體軸側(cè)圖

    為了更好的分析邊坡的坡腳變化對(duì)整個(gè)邊坡穩(wěn)定性的影響,文章采用了整體邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的方法進(jìn)行判斷(如式(6))。由于傳統(tǒng)的塊體安全系數(shù)是以單個(gè)塊體計(jì)算的,不同的塊體的安全系數(shù)也不同,為了給出一種綜合的評(píng)價(jià)方法,并且可以更好的對(duì)邊坡的整體安全系數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。于是本文采用按塊體體積加權(quán)的方法得出邊坡總體安全系數(shù)F總。

    (6)

    其中,VBn代表搜索出的第n個(gè)塊體的體積;Fsn代表搜索出的第n個(gè)塊體的安全系數(shù)。

    圖7表現(xiàn)了各級(jí)邊坡整體穩(wěn)定性系數(shù)與坡腳變化之間的關(guān)系。可以觀察出五級(jí)邊坡的總體穩(wěn)定性系數(shù)均隨著坡腳的增大而減小。當(dāng)坡腳接近60°時(shí),即坡度達(dá)到1∶0.57時(shí),各個(gè)邊坡的整體穩(wěn)定性系數(shù)接近于1,達(dá)到臨界狀態(tài),有發(fā)生危險(xiǎn)的可能。應(yīng)該進(jìn)行相應(yīng)的支護(hù)與錨固措施。當(dāng)坡腳大于60°時(shí),整體穩(wěn)定性系數(shù)過小,危險(xiǎn)程度較大,應(yīng)該適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行削坡已保證整體穩(wěn)定的安全。同時(shí)可以看出,再臨界角度60°時(shí),第三級(jí)與第四級(jí)邊坡明顯整體穩(wěn)定性系數(shù)低于1.05,因此在實(shí)際工程中應(yīng)該適當(dāng)考慮加大放坡的力度。

    圖7各級(jí)邊坡整體穩(wěn)定性系數(shù)隨坡腳變化曲線

    當(dāng)安全系數(shù)Fs小于1.05時(shí),可移動(dòng)塊體會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)鍵塊體。關(guān)鍵塊體的存在對(duì)整個(gè)邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生相當(dāng)大影響,由于塊體已經(jīng)處于不穩(wěn)定的狀態(tài),極有可能因?yàn)榻涤昊驍_動(dòng)情況發(fā)生突發(fā)性崩塌,甚至?xí)l(fā)巖體剝落及滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。因此,對(duì)各個(gè)區(qū)段的關(guān)鍵塊體積的變化規(guī)律的研究十分重要。圖8中顯示的為在各級(jí)邊坡坡腳變化過程中,生成關(guān)鍵塊體的體積??梢钥闯觯阉鞯降年P(guān)鍵塊體的體積基本與坡腳大小成負(fù)相關(guān),即隨著坡腳的增大生成關(guān)鍵塊體的體積也會(huì)增大。而且第1級(jí)與第2級(jí)邊坡中關(guān)鍵塊體的體積明顯多于第3、4、5級(jí)邊坡,這可能是由于巖體內(nèi)部的自重應(yīng)力對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面的黏結(jié)強(qiáng)度有一定的影響,也與不同層級(jí)邊坡所處的巖層不同有關(guān)。

    圖8各級(jí)邊坡生成關(guān)鍵塊體體積隨坡腳變化曲線

    3 結(jié) 論

    本文通過運(yùn)用關(guān)鍵塊體理論,結(jié)合GeoSMA-3D系統(tǒng),對(duì)益陽東部新區(qū)外環(huán)路建設(shè)項(xiàng)目K3+300—K3+340坡段高邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了比對(duì)分析,通過比對(duì)不同邊坡坡角下,整體穩(wěn)定性系數(shù)的變化與關(guān)鍵塊體的體積的分析發(fā)現(xiàn),在一定范圍內(nèi),邊坡的整體穩(wěn)定安全系數(shù)隨著坡腳的變大而變小,且當(dāng)坡腳小于60°時(shí),邊坡整體較安全,當(dāng)坡腳大于60°時(shí)3、4、5級(jí)邊坡穩(wěn)定性較差。同時(shí),搜索到的關(guān)鍵塊體數(shù)量隨著邊坡坡腳的變大大致呈減少趨勢(shì),第1、2級(jí)巖坡搜索到的關(guān)鍵塊體體積明顯大于3、4、5級(jí)邊坡,應(yīng)該適當(dāng)考慮后期應(yīng)該采取分級(jí)支護(hù)及分級(jí)削坡的方法保證在穩(wěn)定的前提下最大程度的增加經(jīng)濟(jì)效益。

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    [19] 王述紅,張紫杉,王存根,等.巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀隨機(jī)分布空間表征[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,38(1):121-125.

    StabilityAnalysisofHighandSteepSlopeBasedonBlockTheory

    LUO Guangcai1, QI Long2, WANG Zhen1, WANG Shuhong2

    (CCFEBCivilEngineeringCo.,Ltd.,Yiyang,Hu'nan413000,China; 2.NortheasternUniversitySchoolofResourcesandCivilEngineering,Shengyang,Liaoning110819,China)

    The stability analysis of high rock slope plays an important role in the safety of highway and building. Based on the key block theory this paper combined with the advanced non-contact measurement technology and GeoSMA-3D system of Yiyang eastern new construction of the outer ring road of K3+300—K3+340, and compared and analyzed the slope stability of high slope by comparing different slope angle, the overall stability coefficient and the change of key block size found. In a certain range, with the overall stability safety factor of the slope decreases, the number of key block search to decrease as the slope becomes larger, when the slope is less than 60, the overall slope is safe, when the slope is greater than 60 should be appropriate to consider the late support in grade and slope cutting slope problems.

    highandsteepslope;blockidentification;structuralplane;slopestability

    10.3969/j.issn.1672-1144.2017.05.032

    2017-05-02

    2017-06-04

    國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51474050;U1602232);地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(SKLGP2014K011);遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀人才支持計(jì)劃項(xiàng)目(LN2014006)

    羅光財(cái)(1979—),男,湖南常德人,工程師,碩士,主要從事施工技術(shù)研究工作。 E-mail:350460420@qq.com

    TU45

    A

    1672—1144(2017)05—0178—05

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