邊坡穩(wěn)定性分析

邊坡穩(wěn)定性分析

邊坡穩(wěn)定分析是土壤學(xué)的一個(gè)經(jīng)典領(lǐng)域。極端平衡法是土壤肥力穩(wěn)定分析的之一。極限平衡分析方法是將在滑動(dòng)趨勢(shì)范圍內(nèi)的邊坡巖體沿某一滑動(dòng)面切成若干豎條或斜條,在分析條塊受力的基礎(chǔ)上建立整個(gè)滑動(dòng)巖體的力或力矩平衡方程,并以此為基礎(chǔ)確定邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)。相對(duì)于邊坡穩(wěn)定性分析中的數(shù)值分析法,極限平衡法出現(xiàn)較早,發(fā)展較為成熟,在國(guó)內(nèi)外的工程中多次使用。目前常用的二維極限平衡分析方法有:瑞典法(亦稱作Fellenious法)、簡(jiǎn)化Janbu法、Bishop簡(jiǎn)化法、嚴(yán)格Janbu法、Morgenstern-Price法等,區(qū)別主要在于條間力假設(shè)。這些方法都是假定滑體各分條塊在某種條件下在剪切面上都達(dá)到極限平衡狀態(tài),并將超載倍數(shù)或強(qiáng)度折減系數(shù)定義為邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)。Autobank軟件可對(duì)土壩、堤防、涵洞、水閘等進(jìn)行詳細(xì)的分析計(jì)算,滲流、變形、應(yīng)力、穩(wěn)定計(jì)算一體化,各個(gè)計(jì)算階段無(wú)縫結(jié)合。直接應(yīng)用AutoCAD圖形,全部圖形化界面,操作簡(jiǎn)便,最大限度地提高工作效率;并且內(nèi)部采用有限元技術(shù)和先進(jìn)計(jì)算方法,使用內(nèi)置的瑞典條分法、畢肖普算法、摩根斯頓法可對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算對(duì)比。因此,本研究利用Autobank軟件對(duì)水廠鐵礦北采場(chǎng)邊坡進(jìn)行建模,在允許范圍內(nèi)變化其上下坡角的大小,通過(guò)Autobank軟件中的三種算法算出各個(gè)情況下的安全系數(shù),并做以對(duì)比分析。以此來(lái)分析坡角變化對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性的影響,并針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工況尋找最優(yōu)的上下坡角配比。1研究區(qū)地質(zhì)特征水廠鐵礦床位于遷安鐵礦區(qū)北區(qū)西礦帶上復(fù)向斜的東北端,復(fù)向斜由北山向斜、舊水廠背斜、南山向斜組成。褶皺軸北東端翹起,向南西傾伏,區(qū)內(nèi)構(gòu)造斷裂發(fā)育,大小斷層有40余條。礦區(qū)處于構(gòu)造侵蝕類型的中低山地區(qū),地勢(shì)特征西南高,東北低。西部最高峰為將軍墓嶺,標(biāo)高332.90m,采坑底標(biāo)高-136.38m,地貌單元屬低山丘陵地貌。礦區(qū)出露地層主要有:侏羅系礫巖、泥巖及火山熔巖,太古界遷西群組麻巖(黑云混合片麻巖組和輝石黑云斜長(zhǎng)片麻巖組),第四系殘坡積土?；鹕饺蹘r位于侏羅系后城組(J2h)的底部,與下覆的太古界地層為不整合接觸關(guān)系,為似層狀、透鏡狀至不規(guī)則狀,厚度變化大,1線西南220m處至21線出露的火山熔巖為似層狀、不規(guī)則狀,9線以南30m處為透鏡狀,其它地段缺失。礫巖組以礫巖為主?；野咨?角礫狀結(jié)構(gòu),層狀結(jié)構(gòu)。角礫成分主要有各種片麻巖,沉積巖、火山巖組成,硅質(zhì)膠結(jié),局部鐵質(zhì)膠結(jié)。地表巖石風(fēng)化強(qiáng)烈,裂隙較發(fā)育,各向異性,RQD值62～88%,平均RQD值78%;線裂隙率0.13～0.21%,平均線裂隙率0.17%。泥巖組以泥巖為主。紫紅色,泥質(zhì)結(jié)構(gòu),中厚層狀構(gòu)造。巖心完整,多呈長(zhǎng)柱狀。失水后迅速干裂粉化,易破碎;遇水后迅速軟化和膨脹,變成泥狀。裂隙發(fā)育一般,各向異性,RQD值61～79%,平均RQD值70%;線裂隙率0.16～0.17%,平均線裂隙率0.17%。輝石黑云斜長(zhǎng)片麻巖組以輝石黑云斜長(zhǎng)片麻巖、輝石角閃黑云斜長(zhǎng)片麻巖、黑云斜長(zhǎng)片麻巖、石榴黑云變粒巖為主?；野咨?灰綠色,中粗粒結(jié)構(gòu),弱片麻狀構(gòu)造。巖心較完整,局部破碎。節(jié)理裂隙發(fā)育,各向異性,RQD值39～74%,平均RQD值62%;線裂隙率0.1～0.27%,平均線裂隙率0.17%。黑云混合片麻巖組以黑云混合片麻巖為主,淺部風(fēng)化強(qiáng)烈,深部較完整,除風(fēng)化裂隙外,裂隙發(fā)育一般,各向異性。RQD值45～93%,平均RQD值66%;線裂隙率0.13～0.34%,平均線裂隙率0.20%。淺部含風(fēng)化裂隙水。第四系堆積物及人工填土由分布于采坑兩幫范圍地表的坡殘積土及人工廢石等組成,結(jié)構(gòu)松散,含孔隙水且透水。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取得的各類巖石樣品的室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn),得出如表1所示的邊坡巖體的物理力學(xué)參數(shù)取值表。水廠鐵礦地區(qū)屬于地震活動(dòng)多發(fā)地區(qū),天然地震與爆破同時(shí)發(fā)生的可能性極小,因此,只在整體邊坡穩(wěn)定性計(jì)算中考慮天然地震,按7°地震烈度考慮,取水平地震影響系數(shù)為0.05。2角梯度對(duì)角穩(wěn)定性的影響研究2.1坡腳角度及邊坡模型本研究分別選取43、45、47°進(jìn)行邊坡剖面穩(wěn)定性計(jì)算(項(xiàng)目在水廠鐵礦北采場(chǎng)該段邊坡進(jìn)行邊坡坡角開挖試驗(yàn),監(jiān)測(cè)從43～47°坡角的巖石應(yīng)力情況。因此,本論文中模擬計(jì)算選取43、45、47°,跨度2°進(jìn)行計(jì)算,具有代表性并有針對(duì)性,最后利用該次研究成果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作對(duì)比)。首先在Autobank中建立模型,為上下角均為43°(即為上下角均為43°),而后在模型中改變其坡腳角度(45°、47°)分別進(jìn)行計(jì)算,如圖2-1。邊坡極限平衡分析采用瑞典法、畢肖普法和摩根斯頓法三種方法,利用Autobank軟件建模。自重情況下,利用三種不同的極限平衡分析法計(jì)算43°坡腳的安全系數(shù),如圖2-2。由于露天礦邊坡是非永久性邊坡,而且是逐步形成的,最終邊坡形成后保留的時(shí)間短,這些因素決定了邊坡容許安全系數(shù)不必過(guò)大?？紤]到露天礦邊坡為巖質(zhì)邊坡,因此全部計(jì)算以摩根斯頓法為依據(jù),其它方法為輔。通過(guò)邊坡角的設(shè)置,利用瑞典法、畢肖普法、摩根斯頓法分別計(jì)算出45°、47°邊坡角時(shí)的安全系數(shù),整理對(duì)比如表2。如上表2所示,僅在自重應(yīng)力作用下時(shí),在坡腳變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性有一定的影響,并且隨著坡腳角度的增加使得穩(wěn)定性慢慢下降,三種分析方法中均可得此規(guī)律,可以得出邊坡角對(duì)邊坡坡面的整體穩(wěn)定性是有一定的影響的。2.2最佳邊坡角確定通過(guò)對(duì)下邊坡角的變化,利用瑞典法、畢肖普法、摩根斯頓法計(jì)算得出邊坡在兩種工況下的安全系數(shù),整理對(duì)比分析如表3。通過(guò)表3可以看出,當(dāng)上邊坡角固定為(1)節(jié)中篩選出的最佳度數(shù)43°時(shí),變化下邊坡角角度同樣對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性造成影響。水和地震導(dǎo)致邊坡極限平衡分析得出的結(jié)果較單純自重工況下低,說(shuō)明影響其邊坡整體的穩(wěn)定性。計(jì)算結(jié)果以摩根斯頓法為主,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的需要,在水和地震的影響下選取安全系數(shù)在1.200以上的上下邊坡角,可以從表3中看出,43/47°最為合適。3確定邊坡制作系數(shù)3.1本次計(jì)算的剖面重點(diǎn)在西幫擴(kuò)幫區(qū)域邊坡坡底最低標(biāo)高為-440m,邊坡變化情況局部較大,應(yīng)進(jìn)行邊坡角修正;對(duì)其他分區(qū)邊坡變化較小的區(qū)域進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算,可采用原設(shè)計(jì)邊坡角。3.2通過(guò)多方案的優(yōu)化計(jì)算,并綜合考慮礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、巖層性質(zhì)和水文地質(zhì)條件等因素,依據(jù)邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的邊坡安全系數(shù)最小應(yīng)大于1.166。3.3邊坡穩(wěn)定性的兩個(gè)主要影響因素:水和地震。從計(jì)算結(jié)果可以看出,水和地震對(duì)