某邊坡巖體結(jié)構(gòu)特征及變形破壞影響因素研究

0 引言

巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性問(wèn)題一直是巖土工程的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容，巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性及變形破壞主要受到巖體結(jié)構(gòu)面及自身強(qiáng)度控制，故結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)及巖體強(qiáng)度參數(shù)取值是巖土穩(wěn)定性研究的基礎(chǔ)[1-2]，在野外現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查時(shí)，如何快速獲得結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)及巖體強(qiáng)度參數(shù)顯得尤為重要。

1 邊坡現(xiàn)狀

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，某邊坡坡表植被發(fā)育，基巖裸露，坡腳落石堆積。地層巖性為板巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，見(jiàn)圖1。

圖1 邊坡現(xiàn)狀

2 巖體結(jié)構(gòu)特征

2.1 結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)取值

20世紀(jì)60年代以來(lái)，Barton與其合作者們（1973，1976）在大量天然結(jié)構(gòu)面的剪切試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合結(jié)構(gòu)面的幾何特征和巖體力學(xué)特性，研究了結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度估算方法，提出了以下的巴頓（Barton）模型[3]：

式中:JRC為結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)（Joint Roughness Coefficient）；JCS為結(jié)構(gòu)面壁面抗壓強(qiáng)度（Joint Compression Strength），MPa；φb為基本摩擦角；σn為結(jié)構(gòu)面上的有效正應(yīng)力，MPa。

其中結(jié)構(gòu)面壁面抗壓強(qiáng)度JCS根據(jù)回彈儀測(cè)定的Re，使用巴頓推薦的米勒經(jīng)驗(yàn)關(guān)系公式計(jì)算：

在計(jì)算結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，片理面基本內(nèi)摩擦角取36°，節(jié)理面取32°，最大正應(yīng)力取5MPa，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 基于巴頓（Barton）模型等效抗剪強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算結(jié)果

通過(guò)上述計(jì)算可以得到邊坡巖體的抗剪強(qiáng)度為5MPa，等效粘聚力為C=0.29MPa，內(nèi)摩擦角為φ=34°。

圖2 巴頓（Barton）模型的等效處理方法

2.2 點(diǎn)荷載試驗(yàn)

點(diǎn)載荷試驗(yàn)是利用一對(duì)端部為直徑極小的加荷錐，將巖石試樣夾在兩個(gè)錐形壓頭之間施加集中荷載，使巖石拉裂，通過(guò)計(jì)算求得試樣點(diǎn)荷載強(qiáng)度，再依據(jù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，間接估算巖石單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，或者直接用于巖石分類、劃分風(fēng)化帶以及評(píng)價(jià)巖石各向異性程度等[4]。

設(shè)用卡尺或儀器立柱上的標(biāo)尺量得兩壓頭間距離為D，破壞荷載為P，那么點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)為：

式中：Is為未經(jīng)尺寸修正的點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)；P為試樣破壞時(shí)的點(diǎn)荷載；Dc為等效巖心直徑，對(duì)巖心徑向試驗(yàn)，對(duì)巖心軸向、巖塊或不規(guī)則塊試驗(yàn)WD，A為過(guò)兩壓頭接觸點(diǎn)平面的最小截面積，W為試樣的平均寬度。

為了得到統(tǒng)一可比的點(diǎn)荷載強(qiáng)度值，定義巖樣經(jīng)尺寸修正的點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)Is（50）為在D=50mm巖心上進(jìn)行徑向試驗(yàn)所測(cè)得的值。對(duì)于在其他情況下進(jìn)行的試驗(yàn)，使用尺寸修正系數(shù)Kp將試驗(yàn)結(jié)果歸一化為Is（50）：

Is（50）與單軸抗壓強(qiáng)度σc的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：

選取邊坡坡腳處的巖石進(jìn)行點(diǎn)荷載試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 點(diǎn)荷載試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果表

計(jì)算結(jié)果表明，巖石的平均抗壓強(qiáng)度約為83.379MPa，抗拉強(qiáng)度約為5.426MPa。

3 邊坡穩(wěn)定性分析

邊坡下部出露基巖巖性為板巖，受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和淺表生改造，以及公路施工人工開(kāi)挖邊坡的影響，巖體出露部分節(jié)理裂隙發(fā)育，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)得到兩組節(jié)理，節(jié)理面J1產(chǎn)狀：104°∠80°，節(jié)理面J2產(chǎn)狀：313°∠41°，節(jié)理間距10-50cm，片理面L產(chǎn)狀：208°∠72°，層厚15-20cm，坡面產(chǎn)狀：73°∠53°。

根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)特征，赤平投影分析如圖3所示。

圖3 邊坡巖體穩(wěn)定性分析圖

由邊坡穩(wěn)定性分析知，圖中坡面投影區(qū)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(wěn)定性系數(shù)分析得知，雙滑面23的穩(wěn)定性系數(shù)為0.46，處于失穩(wěn)滑動(dòng)狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生掉塊、落石，這與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果一致。

4 邊坡變形破壞影響因素分析

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

4.1 不同C、φ值對(duì)位移d的影響

位移大小可以直觀地反應(yīng)邊坡變形的程度，位移大則邊坡變形就大，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析得到如圖4所示的點(diǎn)線圖。從圖中可以看出，當(dāng)粘聚力C值小于8MPa時(shí)，邊坡位移波動(dòng)明顯，C值越小變形差別越大；當(dāng)粘聚力C值大于8MPa時(shí)，外邊坡變形趨于穩(wěn)定。當(dāng)內(nèi)摩擦角φ值小于15°時(shí)，邊坡位移波動(dòng)較大，且φ值越小變形差異越大；當(dāng)內(nèi)摩擦角φ值大于15°時(shí)，邊坡變形趨于穩(wěn)定。綜合不同C、φ值可以看出，當(dāng)C值大于8MPa且φ值大于15°時(shí)，邊坡變形趨于穩(wěn)定，在0.5m-0.8m范圍內(nèi)。

圖4 位移影響

4.2 不同C、φ值對(duì)變形速度v的影響

邊坡變形速度大小作為邊坡變形監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)，對(duì)保證工程施工和運(yùn)行的安全起重要作用，將數(shù)值模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析得到如圖5所示的點(diǎn)線圖。從圖中可以看出，當(dāng)粘聚力C值小于8MPa時(shí)，邊坡變形速度變化明顯，C值越小變形速度差別越大；當(dāng)粘聚力C值大于8MPa時(shí)，邊坡變形速度趨于穩(wěn)定。當(dāng)內(nèi)摩擦角φ值小于30°時(shí)，邊坡變形速度波動(dòng)明顯，且φ值越小變形速度差異越大；當(dāng)內(nèi)摩擦角φ值大于30°時(shí)，邊坡變形趨于穩(wěn)定。綜合不同C、φ值可以看出，當(dāng)C值大于8MPa且φ值大于30°時(shí)，邊坡變形速度趨于穩(wěn)定，在0.1m/s-0.3m/s范圍內(nèi)。

圖5 速度影響

4.3 不同C、φ值對(duì)最大壓應(yīng)力σ的影響

數(shù)值模擬結(jié)果表明，最大拉應(yīng)力都在2MPa附近波動(dòng)，這與邊坡的抗拉強(qiáng)度t取值為2MPa有關(guān)，故只討論在抗拉強(qiáng)度t為2MPa時(shí)最大壓應(yīng)力的變化，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析得到如圖6所示的點(diǎn)線圖。從圖可以看出，最大壓應(yīng)力σ隨著粘聚力C值和內(nèi)摩擦角φ的增加出現(xiàn)線性上升的趨勢(shì)。

圖6 拉應(yīng)力影響

5 結(jié)論

基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、數(shù)據(jù)整理、數(shù)值模擬等方法，本文得出以下結(jié)論：

①巴頓（Barton）模型是一種快速確定較硬巖體結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)的方法，在野外可以方便快速確定巖體的強(qiáng)度參數(shù)。

②野外應(yīng)用點(diǎn)荷載試驗(yàn)初步測(cè)試巖石的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度是可行的，尤其是對(duì)于沒(méi)有條件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)、室內(nèi)試驗(yàn)的初步地質(zhì)調(diào)查來(lái)說(shuō)，較為實(shí)用。

③赤平投影分析結(jié)果表明，邊坡最不利滑面穩(wěn)定性系數(shù)為0.46，處于失穩(wěn)滑動(dòng)狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生掉塊、落石，與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果一致。

④邊坡變形破壞受巖體粘聚力和內(nèi)摩擦角的影響較大，當(dāng)抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)接近時(shí)，邊坡變形趨于穩(wěn)定，且此時(shí)邊坡最大拉應(yīng)力也與點(diǎn)荷載試驗(yàn)結(jié)果接近。