巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析方法在線路工程中的應(yīng)用

巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析方法在線路工程中的應(yīng)用

巖質(zhì)邊坡是人類(lèi)生存和各種土木工程活動(dòng)中常見(jiàn)的自然地質(zhì)環(huán)境之一。隨著我國(guó)高等級(jí)公路建設(shè)的發(fā)展,公路工程穿山越嶺(涉及大開(kāi)挖)或高架跨溝(涉及小開(kāi)挖)時(shí)常涉及巖質(zhì)高邊坡問(wèn)題。巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)分析成為山區(qū)及沿海丘陵地區(qū)公路建設(shè)工程中的常見(jiàn)和重要的巖土工程問(wèn)題之一。它不僅對(duì)公路工程建設(shè)可行性決策產(chǎn)生重要的控制性作用,并可在很大程度上影響高速公路工程的建設(shè)投資和運(yùn)營(yíng)使用效益。迄今為止,巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)分析沒(méi)有完善的辦法,存在的問(wèn)題也較多:傳統(tǒng)的極限平衡法無(wú)法得到節(jié)理巖質(zhì)邊坡的準(zhǔn)確滑裂面及穩(wěn)定安全系數(shù),而各種數(shù)值分析方法只能算出應(yīng)力、位移、塑性區(qū)等,無(wú)法判斷邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)以及相應(yīng)的滑移面。1邊坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)清(遠(yuǎn))連(州)高速公路是二連浩特～廣州(E35)高速公路的重要組成部分,也是廣東省重要的出省通道之一。該段線路原為一級(jí)公路,邊坡多處崩滑,路面破壞嚴(yán)重,路況越來(lái)越差,部分路段技術(shù)指標(biāo)偏低,存在彎多、連續(xù)長(zhǎng)陡坡等弊端,現(xiàn)需將清連一級(jí)公路改建為高速公路。該段高速公路所經(jīng)地段地形地貌復(fù)雜,地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育,巖體破碎,地表、地下水充沛,構(gòu)成了易產(chǎn)生邊坡病害的地質(zhì)條件。原路塹深挖邊坡較陡,坡率一般為1∶0.1～1∶0.5,高度較高且無(wú)減壓平臺(tái),路容景觀性差,坡體裸露又未采取適宜的工程防護(hù)措施,有相當(dāng)數(shù)量的路塹挖方邊坡出現(xiàn)了程度不同的滑塌、崩塌和坍塌現(xiàn)象,滾石、落石等現(xiàn)象更是比比皆是,不良地質(zhì)現(xiàn)象較為發(fā)育,嚴(yán)重影響現(xiàn)有道路的正常運(yùn)營(yíng)。因此,需對(duì)該段巖質(zhì)高邊坡的穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行深入的分析評(píng)價(jià)。本文針對(duì)清(遠(yuǎn))連(州)高速公路的巖質(zhì)邊坡,根據(jù)地質(zhì)調(diào)查資料對(duì)邊坡進(jìn)行初步穩(wěn)定性評(píng)價(jià),然后根據(jù)地質(zhì)資料和赤平投影法判斷邊坡失穩(wěn)模式,再采用CSMR方法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行初步評(píng)價(jià),最后根據(jù)邊坡的破壞類(lèi)型和物理力學(xué)參數(shù)選擇相應(yīng)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法進(jìn)行穩(wěn)定性分析計(jì)算。2穩(wěn)定的定性分析2.1赤平投注法(1)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì)面的表征赤平極射投影法是巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析中常用的圖解法之一,多用于初步判別邊坡失穩(wěn)的模式。在巖質(zhì)邊坡中巖體的失穩(wěn)與破壞主要受巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)面(節(jié)理裂隙面)的控制,赤平極射投影法能反映邊坡巖體中的結(jié)構(gòu)面分布規(guī)律和相互組合狀況,能表示巖石邊坡坡面傾向和傾角、巖體中結(jié)構(gòu)面數(shù)量、產(chǎn)狀及其相互的組合空間關(guān)系,并將兩套參數(shù)合理表示在一個(gè)平面上,同時(shí)可以確定交線的產(chǎn)狀,直觀地反映出坡面、結(jié)構(gòu)面空間位置,對(duì)邊坡的失穩(wěn)模式做出判斷。依據(jù)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì)面控制理論,結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀與空間組合狀態(tài)性質(zhì)及數(shù)量是控制巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的重要因素。那些延伸長(zhǎng)度較大、間距較小、且有一定張開(kāi)度和泥質(zhì)充填物的、同時(shí)傾向與坡向基本相同或呈銳角相交的結(jié)構(gòu)面對(duì)巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性是最不利的,也是控制巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面。(2)單組優(yōu)勢(shì)面與邊坡面組合將邊坡巖體中的3組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面J1:145°∠63°、J2:285°∠73°和Y:60°∠55°,采用赤平極射投影法,進(jìn)行單組優(yōu)勢(shì)面與邊坡面(55°∠70°)組合;以優(yōu)勢(shì)(結(jié)構(gòu))面與坡面的組合關(guān)系和特征為依據(jù),對(duì)K2174+219～K2174+354邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行定性分析評(píng)價(jià),如圖1所示。由圖1看出,結(jié)構(gòu)面對(duì)坡體穩(wěn)定性影響不大。坡面巖層受節(jié)理、裂隙切割,巖體較為破碎。坡面巖塊臨空,且?guī)r層受降水及風(fēng)化等不利因素影響,巖體及結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度會(huì)逐漸降低,容易產(chǎn)生碎落破壞。2.2全球穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法(1)smr分類(lèi)體系巖體分類(lèi)體系中RMR分類(lèi)體系獲得了普遍接受。該分類(lèi)體系主要通過(guò)巖體的單軸抗壓強(qiáng)度、RQD、節(jié)理?xiàng)l件、節(jié)理間距和地下水等5個(gè)方面對(duì)巖體的質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)分,主要適用于地下開(kāi)挖工程。由于巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性不僅取決于巖體本身的條件,還取決于邊坡的幾何特性、控制結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀和開(kāi)挖面產(chǎn)狀的相對(duì)關(guān)系等,因此在宏觀評(píng)定邊坡穩(wěn)定性時(shí),還需要對(duì)RMR的評(píng)分加以修正。在RMR體系的基礎(chǔ)上,提出了評(píng)定邊坡穩(wěn)定的SMR體系,其綜合評(píng)分值由式(1)確定:式中:RMR值為巖體質(zhì)量評(píng)分;F1、F3反映了邊坡面與控制結(jié)構(gòu)面之間傾向和傾角之間的差別;F2反映了結(jié)構(gòu)面的傾角;F4為反映爆破開(kāi)挖方法的系數(shù)。SMR在應(yīng)用中存在兩個(gè)重要缺陷:①這個(gè)方法沒(méi)有考慮到邊坡高度對(duì)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果的影響;②沒(méi)有區(qū)分控制結(jié)構(gòu)面的條件對(duì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果影響。據(jù)此對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)可得CSMR分類(lèi)體系,CSMR指標(biāo)計(jì)算公式為式中:ξ為邊坡高度修正系數(shù);λ為結(jié)構(gòu)面性質(zhì)折減系數(shù)。(2)強(qiáng)風(fēng)化巖溶巖體K2174+219～K2174+354強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r邊坡巖體RMR評(píng)分見(jiàn)表1。分析結(jié)果表明,邊坡穩(wěn)定性較好,僅存在掉塊危險(xiǎn),可采取局部加固措施。3計(jì)算分析3.1剛體橫截面平衡法(1)滑動(dòng)面滑動(dòng)的c極限平衡法是發(fā)展最早也是工程實(shí)踐中最常用的方法。極限平衡法假定土體為剛性,即把巖土材料本構(gòu)關(guān)系看作剛塑性體,不考慮材料本身應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系。應(yīng)用極限平衡法研究邊坡穩(wěn)定性,首先要假定破壞是沿土體內(nèi)某一確定的滑動(dòng)面滑動(dòng)。根據(jù)滑裂土體的靜力平衡條件和摩爾-庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則可以計(jì)算沿該滑裂面滑動(dòng)的可能性,即安全系數(shù)的大小,或破壞率的高低。然后系統(tǒng)選取多個(gè)可能的滑動(dòng)面,用同樣的方法計(jì)算穩(wěn)定安全系數(shù)或破壞概率。安全系數(shù)最低或破壞概率最高的滑動(dòng)面就是可能性最大的滑動(dòng)面,也稱(chēng)為潛在滑動(dòng)面。這一方法工程上常用有瑞典條分法、畢肖普法、簡(jiǎn)布法。對(duì)于具有明確的軟弱結(jié)構(gòu)面的邊坡,也可采用傳遞系數(shù)法、楔體分析法,驗(yàn)算沿該結(jié)構(gòu)面的抗滑穩(wěn)定系數(shù)。由于這些方法對(duì)條塊間作用力的假定不同,對(duì)同一邊坡穩(wěn)定分析將得出不同的安全系數(shù)值。大量學(xué)者的研究及工程實(shí)踐表明,這些條分法足以滿足一般工程需要。(2)粘聚力及飽和度該邊坡共測(cè)量?jī)山M地質(zhì)斷面,K2174+178斷面坡面產(chǎn)狀55°∠70°,巖層產(chǎn)狀60°∠55°。結(jié)構(gòu)面抗剪斷峰值強(qiáng)度指標(biāo):內(nèi)摩擦角φ=29.8°;粘聚力c=90kPa;飽和重度γ′=25kN/m3。邊坡的計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2。按平面問(wèn)題分析,其穩(wěn)定系數(shù)K為:Κ=FΤ=Wcosαtanφ+clWsinα(3)K=FT=Wcosαtanφ+clWsinα(3)經(jīng)簡(jiǎn)化后得:Κ=tanφtanα+4cγ′hsin2α(4)各參數(shù)代入公式(3)得:Κ=tan29.8°tan55°+4×9025×17.29×sin110°Κ=1.28邊坡安全系數(shù)為1.28,說(shuō)明邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。3.2有限強(qiáng)度法(1)限元強(qiáng)度折減系數(shù)法邊坡穩(wěn)定分析中,邊坡在外荷載或自重的作用下失穩(wěn)破壞時(shí),塑性區(qū)會(huì)貫穿整個(gè)坡體而形成一滑裂帶,整個(gè)坡體會(huì)沿著這個(gè)滑裂帶移動(dòng),從而使得滑裂帶上的坡體成為機(jī)動(dòng)結(jié)構(gòu),因而其有限元計(jì)算結(jié)果會(huì)不收斂。有限元強(qiáng)度折減系數(shù)法正是基于這一點(diǎn)提出來(lái)的。有限元強(qiáng)度折減系數(shù)法的基本思想與傳統(tǒng)的極限平衡方法一致,均可稱(chēng)之為強(qiáng)度儲(chǔ)備安全度。其基本原理是:在理想彈塑性有限元計(jì)算中,將巖土體參數(shù)c、φ值同時(shí)除以一個(gè)折減系數(shù)F,得到一組新的c′、φ′值,然后作為新的材料參數(shù)帶入試算,當(dāng)計(jì)算正好收斂時(shí),也即F再稍大一些(數(shù)量級(jí)一般為10-3),計(jì)算便不收斂,對(duì)應(yīng)的F被稱(chēng)為坡體的最小安全系數(shù)(邊坡的安全系數(shù))。此時(shí)巖土體達(dá)到臨界狀態(tài),發(fā)生剪切破壞。由此可見(jiàn),有限元強(qiáng)度折減法與剛體極限平衡法計(jì)算所得的安全系數(shù)具有相同的物理意義。c′=cF(5)φ′=arctan|1F?tanφ|(6)(2)巖質(zhì)邊坡結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度有限元分析坡面產(chǎn)狀55°∠70°,由于優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面為巖層層面,產(chǎn)狀60°∠55°屬前述硬性結(jié)構(gòu)面,故采用ANSYS程序提供的無(wú)厚度接觸單元來(lái)模擬結(jié)構(gòu)面。以往人們?cè)谶M(jìn)行巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析時(shí),往往采用巖體強(qiáng)度,而不是采用結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度。實(shí)際上,巖體結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度參數(shù)要比巖石的強(qiáng)度低得多,因此,對(duì)于巖質(zhì)邊坡來(lái)說(shuō),起控制作用的是結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度。本實(shí)例有兩組方向不同的主要結(jié)構(gòu)面,采用低強(qiáng)度實(shí)體單元模擬,按照連續(xù)介質(zhì)處理,結(jié)構(gòu)面材料本構(gòu)關(guān)系與巖石材料本構(gòu)關(guān)系均采用理想彈塑性模型,屈服準(zhǔn)則為廣義米賽斯準(zhǔn)則。按照二維平面應(yīng)變問(wèn)題建立有限元模型。計(jì)算時(shí),首先選取初始折減系數(shù)F=c/c′=tanφ/tanφ′,將結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減,將折減后的參數(shù)作為輸入,進(jìn)行有限元計(jì)算,若程序收斂,則巖體仍處于穩(wěn)定狀態(tài);然后,再增加折減系數(shù),直到不收斂為止,此時(shí)系統(tǒng)處于極限狀態(tài),此時(shí)的折減系數(shù)F即為坡體的穩(wěn)定安全系數(shù),同時(shí),還可以得到危險(xiǎn)滑動(dòng)面。邊坡安全系數(shù)為1.29,說(shuō)明邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài),見(jiàn)圖3。4有限元分析在巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析中應(yīng)用的可行性通過(guò)算例定性分析和定量計(jì)算可得:采用剛性極限平衡法和有限元強(qiáng)度折減法兩種方法結(jié)合使用來(lái)評(píng)價(jià)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性能是可行的。(1)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)是一復(fù)雜的系統(tǒng)工程問(wèn)題,應(yīng)該結(jié)合使用定性分析和定量分析方法來(lái)分析其穩(wěn)定性,現(xiàn)在通常還是考慮多種定量方法并舉、相互校核來(lái)提高評(píng)價(jià)分析的準(zhǔn)確度,這也是本線路巖質(zhì)邊坡和今后其他同類(lèi)邊坡穩(wěn)定性分析的研究方向。(2)有限元強(qiáng)度折減法能得到與剛性極限平衡法幾乎接近的安全系數(shù)和最大可能滑動(dòng)面。通過(guò)算例表明有限元計(jì)算所得的安全系數(shù)與剛性極限平衡法所得幾乎相等。二者相結(jié)合來(lái)評(píng)價(jià)實(shí)際工程將提高巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)分析的準(zhǔn)確度。(3)有限元強(qiáng)度