軟弱結(jié)構(gòu)面位置對巖質(zhì)順傾邊坡穩(wěn)定性的影響

譚銀龍，許萬忠，張黎明，曹國獻(xiàn)，賈建強(qiáng)

(1.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院地球科學(xué)系，云南 昆明 650093；2.昆明煤炭設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650011)

0 引 言

眾所周知，巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性主要由巖體結(jié)構(gòu)面控制，根據(jù)結(jié)構(gòu)面的膠結(jié)和充填情況，可分為硬性結(jié)構(gòu)面和軟弱結(jié)構(gòu)面[1]。其中，軟弱結(jié)構(gòu)面是巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性研究的重點(diǎn)。巖質(zhì)順傾邊坡是最容易發(fā)生失穩(wěn)的邊坡類型之一，該類邊坡穩(wěn)定性主要受結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及邊坡傾角、巖層走向等因素的影響，其中軟弱結(jié)構(gòu)面指標(biāo)是邊坡穩(wěn)定性的主控因素。很多學(xué)者針對結(jié)構(gòu)面各種指標(biāo)對巖質(zhì)順傾邊坡的穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了研究。馮君等[2]利用地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)方法分析巖層傾角以及結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度對順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響；林杭等[3]利用FLAC3D分析不同結(jié)構(gòu)面傾角與順傾巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性之間的關(guān)系；盧敦華等[4]利用FLAC3D分析結(jié)構(gòu)面的黏聚力和內(nèi)摩擦角對層狀巖體邊坡安全系數(shù)和滑動(dòng)面的變化規(guī)律的影響；魏俊奇等[5]利用MSC.Marc分析結(jié)構(gòu)面間距不同時(shí)順層巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)破壞位置；黃帥等[6]研究了結(jié)構(gòu)面各參數(shù)對巖質(zhì)順層邊坡穩(wěn)定性的影響；龍建輝等[7]基于極限平衡法，分析含軟弱夾層順層巖質(zhì)邊坡在降雨作用下的多級滑動(dòng)模式；楊金旺等[8]研究發(fā)現(xiàn)，順層巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定安全的控制性結(jié)構(gòu)面為層間錯(cuò)動(dòng)帶及其上盤巖體內(nèi)的軟弱結(jié)構(gòu)面。

由上可知，結(jié)構(gòu)面參數(shù)對巖質(zhì)順傾邊坡穩(wěn)定性的影響已有較多研究，但對于巖質(zhì)順傾邊坡軟弱結(jié)構(gòu)面的位置對邊坡破壞模式影響的研究則較為少見。為此，本文以耿馬縣河底崗某石灰?guī)r開采礦山為工程背景，充分考慮軟弱結(jié)構(gòu)面位置對邊坡穩(wěn)定性的影響，采用GeoStudio及MIDAS/GTS軟件，對該巖質(zhì)順傾邊坡的破壞失穩(wěn)模式進(jìn)行研究。

1 巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析基本理論

1.1 簡化Bishop法

極限平衡法是當(dāng)前國內(nèi)外應(yīng)用最廣的邊坡穩(wěn)定分析方法，其中Bishop法是一種適合于圓弧形破壞滑動(dòng)面的邊坡穩(wěn)定性分析方法[9]。在GeoStudio的Slope/W模塊中，選擇簡化Bishop法計(jì)算分析巖質(zhì)順傾邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。

1.2 有限元強(qiáng)度折減法理論

在采用有限元軟件MIDAS/GTS分析邊坡穩(wěn)定性時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)的計(jì)算采用有限單元法中的強(qiáng)度折減法(SRM)[10-15]。有限元強(qiáng)度折減法是指對巖土體的黏聚力c和內(nèi)摩擦角tanφ進(jìn)行同一比例折減，把計(jì)算不收斂作為邊坡處于臨界失穩(wěn)的判據(jù)，此時(shí)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)即為強(qiáng)度折減系數(shù)。

2 工程背景

河底崗露天灰?guī)r礦山邊坡最終開采境界邊坡高度約180 m，選取典型計(jì)算剖面Ⅱ—Ⅱ′(見圖1)，對最終開采境界邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，該剖面巖層產(chǎn)狀與開采邊坡傾向相同，發(fā)育1組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面，代表性產(chǎn)狀215°∠20°，傾角小于邊坡開挖坡角，將其看作軟弱結(jié)構(gòu)面，從而分析結(jié)構(gòu)面空間位置對巖質(zhì)順傾邊坡穩(wěn)定性的影響。

進(jìn)行相關(guān)的巖石物理力學(xué)試驗(yàn)，部分試驗(yàn)見圖2。所得到的物理力學(xué)參數(shù)包括巖石的容重、單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)等。為綜合評定礦區(qū)邊坡巖體的力學(xué)指標(biāo)，將上述試驗(yàn)獲得的巖石物理力學(xué)指標(biāo)，通過折減系數(shù)法、工程規(guī)范法、Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則以及計(jì)算巖體BQ值等4種方法確定后，結(jié)果見表1。

圖2 部分試驗(yàn)

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

3 有限元分析計(jì)算

為研究軟弱結(jié)構(gòu)面位置對順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響，假設(shè)不考慮軟弱結(jié)構(gòu)面其他影響因素，軟弱結(jié)構(gòu)面厚度取2.0 m，按照結(jié)構(gòu)面與坡腳位置的不同，將計(jì)算分析模型分為結(jié)構(gòu)面穿過坡腳、結(jié)構(gòu)面在坡腳之上、結(jié)構(gòu)面在坡腳之下3種情況。分析計(jì)算時(shí)將巖體與軟弱結(jié)構(gòu)面均看成各向同性體，采用M-C屈服準(zhǔn)則作為模型計(jì)算時(shí)的本構(gòu)模型，運(yùn)用MIDAS/GTS軟件進(jìn)行有限元穩(wěn)定性計(jì)算。邊坡簡化模型見圖3。

圖3 邊坡簡化模型(單位：m)

3.1 軟弱結(jié)構(gòu)面穿過坡腳

軟弱結(jié)構(gòu)面穿過坡腳時(shí)邊坡最大剪切應(yīng)變云圖見圖4。從圖4可知，當(dāng)軟弱結(jié)構(gòu)面穿過坡腳時(shí)，邊坡沿軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生破壞失穩(wěn)的可能性較大。

圖4 軟弱結(jié)構(gòu)面穿過坡腳時(shí)邊坡最大剪切應(yīng)變云圖

3.2 軟弱結(jié)構(gòu)面位于坡腳上部

取該狀況下軟弱結(jié)構(gòu)面與坡腳豎向距離分別為20、30、40、50 m以及60 m計(jì)算。軟弱面位于坡腳上部40 m時(shí)邊坡最大剪切應(yīng)變云圖見圖5。軟弱面位于坡腳上部距離與邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的關(guān)系見圖6。從圖5、6可知，軟弱結(jié)構(gòu)面位置對巖質(zhì)順傾邊坡穩(wěn)定性有較大影響，軟弱結(jié)構(gòu)面愈接近坡腳，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)愈小，隨著軟弱結(jié)構(gòu)面逐漸遠(yuǎn)離坡腳，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)逐漸提高，此時(shí)潛在滑移面穿越軟弱結(jié)構(gòu)面并從坡腳剪出。

圖5 軟弱面位于坡腳上部40 m時(shí)邊坡最大剪切應(yīng)變云圖

圖6 軟弱面位于坡腳上部距離與邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的關(guān)系

3.3 軟弱結(jié)構(gòu)面位于坡腳下部

取該狀況下軟弱結(jié)構(gòu)面與坡腳豎向距離分別為20、30、40、50 m以及60 m計(jì)算。軟弱面位于坡腳下部40 m時(shí)邊坡最大剪切應(yīng)變云圖見圖7。軟弱面位于坡腳下部距離與邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的關(guān)系見圖8。從圖7、8可知，隨軟弱結(jié)構(gòu)面距離坡腳下部的位置越遠(yuǎn)，軟弱結(jié)構(gòu)面對邊坡穩(wěn)定性的影響越小，此時(shí)邊坡失穩(wěn)的潛在滑移面將與軟弱結(jié)構(gòu)面無關(guān)。

圖7 軟弱面位于坡腳下部40 m時(shí)邊坡最大剪切應(yīng)變云圖

圖8 軟弱面位于坡腳下部距離與邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的關(guān)系

4 極限平衡計(jì)算

4.1 軟弱結(jié)構(gòu)面穿過坡腳

采用GeoStudio在Slope/W模塊中運(yùn)用極限平衡法中的簡化Bishop法，計(jì)算軟弱結(jié)構(gòu)面穿過坡腳狀況下的邊坡穩(wěn)定性。軟弱面穿過坡腳邊坡潛在滑移面示意見圖9。從圖9可知，當(dāng)軟弱結(jié)構(gòu)面穿過坡腳時(shí)，邊坡沿軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生失穩(wěn)破壞的可能性較大。

圖9 軟弱面穿過坡腳邊坡潛在滑移面示意

4.2 軟弱結(jié)構(gòu)面位于坡腳上部

為分析軟弱結(jié)構(gòu)面位于坡腳上部不同位置對邊坡穩(wěn)定性的影響，取該狀況下軟弱結(jié)構(gòu)面與坡腳豎向距離分別為20、30、40、50 m以及60 m計(jì)算。軟弱面位于坡腳上部40 m時(shí)邊坡潛在滑移面示意見圖10。軟弱面位于坡腳上部距離與邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的關(guān)系見圖11。從圖10、11可知，軟弱結(jié)構(gòu)面的位置對巖質(zhì)順傾邊坡有較大的影響，軟弱結(jié)構(gòu)面愈接近坡腳，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)愈?。浑S著軟弱結(jié)構(gòu)面逐漸遠(yuǎn)離坡腳，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)逐漸提高，此時(shí)潛在滑移面將穿越軟弱結(jié)構(gòu)面并從坡腳剪出。

圖10 軟弱面位于坡腳上部40 m時(shí)邊坡潛在滑移面示意

圖11 軟弱面位于坡腳上部距離與邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的關(guān)系

4.3 軟弱結(jié)構(gòu)面位于坡腳下部

取該狀況下軟弱結(jié)構(gòu)面與坡腳豎向距離分別為20、30、40、50 m以及60 m計(jì)算。軟弱面位于坡腳下部40 m時(shí)邊坡潛在滑移面示意見圖12。軟弱面位于坡腳下部距離與邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的關(guān)系見圖13。從圖12、13可知，隨軟弱結(jié)構(gòu)面距離坡腳下部的位置越遠(yuǎn)，軟弱結(jié)構(gòu)面對邊坡穩(wěn)定性的影響越小，此時(shí)邊坡失穩(wěn)的潛在滑移面與軟弱結(jié)構(gòu)面無關(guān)。

圖12 軟弱面位于坡腳下部40 m時(shí)邊坡潛在滑移面示意

圖13 軟弱面位于坡腳下部距離與邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的關(guān)系

不同方法得到的軟弱結(jié)構(gòu)面位于坡腳不同位置與邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系見圖14。從圖14可知：

圖14 軟弱結(jié)構(gòu)面位于坡腳不同位置與邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的關(guān)系

(1)基于SRM和Bishop法計(jì)算得出的巖質(zhì)順傾邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)隨軟弱結(jié)構(gòu)面距離坡腳位置的規(guī)律幾乎一致，隨著軟弱結(jié)構(gòu)面遠(yuǎn)離坡腳，含軟弱結(jié)構(gòu)面的巖質(zhì)順傾邊坡的穩(wěn)定系數(shù)逐漸升高，表明軟弱結(jié)構(gòu)面越接近坡腳，發(fā)生失穩(wěn)破壞的可能性越大。

(2)由于計(jì)算原理和計(jì)算方法的不同，2種方法得到的穩(wěn)定性系數(shù)有所不同，SRM在天然工況下得出的穩(wěn)定性系數(shù)比Bishop法在天然工況下得出的穩(wěn)定性系數(shù)平均高出約3.18%，與文獻(xiàn)[16]的結(jié)論較為接近，從而說明這2種計(jì)算方法得出的結(jié)果具有一致性。

5 結(jié) 語

本文基于GeoStudio及MIDAS/GTS軟件對軟弱結(jié)構(gòu)面位置對巖質(zhì)順傾邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

(1)軟弱結(jié)構(gòu)面的位置對巖質(zhì)順傾邊坡穩(wěn)定性有較大的影響，當(dāng)軟弱結(jié)構(gòu)面穿越坡腳時(shí)，邊坡潛在滑移面一般也將穿越坡腳剪出。

(2)當(dāng)軟弱結(jié)構(gòu)面處于坡腳上方時(shí)，邊坡潛在滑移面一般將穿過軟弱結(jié)構(gòu)面并從坡腳剪出。

(3)當(dāng)軟弱結(jié)構(gòu)面處于坡腳下方時(shí)，隨軟弱結(jié)構(gòu)面距離坡腳的位置越遠(yuǎn)，軟弱結(jié)構(gòu)面對邊坡穩(wěn)定性的影響越小，此時(shí)邊坡失穩(wěn)的潛在滑移面將與軟弱結(jié)構(gòu)面無關(guān)。

(4)基于SRM和Bishop法計(jì)算得出的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的變化規(guī)律基本一致，SRM在天然工況下得出的穩(wěn)定性系數(shù)比Bishop法在天然工況下得出的穩(wěn)定性系數(shù)平均高出約3.18%，表明2種計(jì)算方法所反映的規(guī)律具有一致性。