基于赤平極射投影法的高切坡穩(wěn)定性評價

基于赤平極射投影法的高切坡穩(wěn)定性評價

0加固煤系地層高切坡的難點隨著西部的快速發(fā)展，西南和西北地區(qū)的交通基礎設施建設正在不斷改善和完善。其中道路建設方面尤為顯著,如重慶市將在“十一五”期間投資1120億元從事道路交通建設與改造。在道路的建設過程中往往要穿越崇山峻嶺,會經常遇到高填深挖工程,這樣,給工程設計和施工帶來了較大的難度,特別是道路需要穿過煤系地層等含軟弱夾層的地段時,開挖形成的高切坡其穩(wěn)定性是難以確定的。為了使高切坡在施工和營運過程中保持穩(wěn)定,科研工作者一般采用了增大安全系數(shù)法來加固坡體,但是此法使工程材料造成了一定的浪費,怎樣來優(yōu)化加固煤系地層高切坡,已經成為眾多專家和學者致力解決的問題。建設中的兩巫二級公路(巫山—巫溪)將穿過重慶市巫山縣和巫溪縣,區(qū)域內地形地貌復雜,歷史上曾多次發(fā)生大型山體滑坡、泥石流等自然災害;巖石和土體的類型多種多樣,巖體節(jié)理十分發(fā)育,給工程設計施工帶來了一定難度。該公路K90+310~K90+370段將通過煤系地層,最高反傾高切坡達64m,筆者以此段高切坡作為研究對象,運用赤平極射投影法和有限元數(shù)值模擬,進行高切坡穩(wěn)定性評價。1地層及含礦地層工程所在地山體發(fā)育,屬侵蝕低山斜坡地貌。地勢總體上南西高北東低,地面高程439.00~517.00m,相對高差78m,地形起伏較大,斜坡灌木發(fā)育,無地表水體出露。本區(qū)屬朝陽-官陽背斜南翼,以單斜構造為主,未發(fā)現(xiàn)斷層及次級褶皺。場地基巖巖層產狀181°~215°∠19°~22°。斜坡巖體內主要發(fā)育4組裂隙:①組:產狀42°~48°∠65°~85°,延展2.50~4.00m;②組:產狀71°~78°∠70°~81°,延展3.00~4.00m;③組:產狀313°~324°∠62°~81°,延展3.00~4.20m;④組:產狀13°~15°∠81°~84°,延展3.00~4.00m。4組裂隙間距0.30~0.50m,張開,裂面平直,黏性土充填。從地勘資料可知,場地內出露地層主要為第四系人工填筑土(Q4me)、第四系殘坡積碎石土(Q4el+dl)和下伏基巖組成,下伏基巖主要為三疊系上統(tǒng)須家河組砂巖(T3xj)、泥巖互層夾煤層和三疊系中統(tǒng)巴東組(T2b)泥灰?guī)r、碳質角礫巖組成。其中煤夾層呈黑色,一般厚度較小,以薄夾層或透鏡體型式出現(xiàn)(圖1)。2大量伊利石形成的地質意義該段高切坡一個顯著的特點就是含有煤夾層,且其厚度不均,從鉆孔資料來分析,該高切坡主要含有兩個煤夾層,煤夾層厚度一般為薄至極薄層狀,或呈透鏡狀分布,最厚處為3.4m。煤夾層巖性較軟,且含有大量伊利石,具有干裂、吸水性強、遇水膨脹軟化,其結構易破壞而喪失強度等特點,在水和其它外營力作用下易形成具隔水、含水和強度低等特點的軟弱帶,這種作用對高切坡的穩(wěn)定很不利,容易造成應力變異,巖體變形。高切坡形成后,由煤夾層、碳質泥巖的煤系地層將在坡中位置出露,因強度不足,坡中處煤夾層將有被側向擠出的趨勢,引起上部砂巖處于拉—張狀態(tài),當拉力超過到砂巖的抗拉強度時,則高切坡將失穩(wěn)。由于工程所在地雨量充沛,降雨集中,地表水將沿著地表裂縫滲入坡體,導致煤系地層的物理力學參數(shù)進一步弱化,致使坡體因強度不足而產生坍滑變形,從而引起整個高切坡的變形破壞。3高切坡設計特點目前,此段高切坡尚未大面積開挖,設計坡角線呈弧形,線路設計高程427.99~429.38m,地面高程為438.20~463.55m,線路高程遠低于原地面高程,線路埋深11.00~34.00m。施工后,高切坡高度為10.00~64.00m,坡向為333°~49°,平面線型處于曲線段。勘察單位建議開挖坡率采用:土層1∶1.25,強風化層1∶1.00,弱風化砂巖層按1∶0.50,其他弱風化層按1∶0.75。則根據(jù)此開挖坡率,利用赤平極射投影法和有限元數(shù)值模擬對高切坡穩(wěn)定性進行評價。3.1結構面宏觀穩(wěn)定性分析赤平極射投影法是工程實際中常用來分析巖質高切坡整體穩(wěn)定性的圖解法之一。它能反映高切坡巖體中的結構面分布規(guī)律和相互組合狀況,能表示巖體中結構面數(shù)量、產狀及其相互的組合關系。該方法可以進行巖質高切坡破壞體形態(tài)、失穩(wěn)滑動方向和穩(wěn)定程度的分析評價。從地勘資料統(tǒng)計分析得到K90+310~K90+370左線高切坡巖體中4組主控結構面為LX1、LX2、LX3、LX4,分別采用赤平極射投影法進行主控結構面與高切坡面、層理面進行組合,以此組合關系和特征為依據(jù),對K90+310~K90+370左線高切坡的穩(wěn)定性進行定性分析評價。根據(jù)切坡面及坡體內巖體主控結構面產狀,以K90+340和K90+360兩個典型剖面為例,作赤平極射投影圖(圖2~圖3)。由圖2可知:巖層產狀較緩,反傾,對高切坡穩(wěn)定性影響小。高切坡若直立開挖,在K90+340剖面處,LX1裂隙與高切坡呈小角度相交為順層結構面,但裂隙傾角較陡,若按1∶0.50坡率放坡之后,裂隙傾角陡于坡腳,對高切坡的穩(wěn)定性影響小;LX2和LX3裂隙切割成楔型體,交線產狀為14°∠63°,與高切坡呈小角度相交,若按1∶0.50坡率放坡開挖后基本上與交線傾角一致,可能發(fā)生楔型滑動。由圖3可知,巖層產狀較緩,反傾,對高切坡穩(wěn)定性影響較小,LX1裂隙與高切坡呈小角度相交為順層結構面,但裂隙傾角較陡,若按1∶0.5坡率放坡之后,裂隙傾角陡于坡角,對高切坡的穩(wěn)定性影響小;LX2和LX4可能在高切坡上形成楔型體。3.2反傾巖質高切坡穩(wěn)定性的計算分析有限單元法(FEM)是巖質高切坡穩(wěn)定性的數(shù)值分析計算法中使用較為廣泛的一種,不論是理論基礎,還是實踐應用和經驗都比較成熟。因此,采用有限元法(FEM)對K90+310~K90+370段反傾巖質高切坡穩(wěn)定性進行計算分析是適宜的。本文利用美國大型有限元計算軟件ANSYS來進行分析。3.2.1儲細砂巖3.20m、細砂巖3.本次計算是以此段高切坡典型剖面K90+360為例,根據(jù)鉆探資料可知,巖層從表及里分別為:細砂巖(3.80m)、煤層(0.50m)、細砂巖(3.20m)、粉砂質泥巖(0.70m)、細砂巖(5.60m)、煤層(1.50m)、細砂巖(3.70m)、粉質泥巖(2.33m)、細砂巖(20.12m)碳質角礫巖(7.26±m(xù))(圖1)。計算模型與實際比例為1∶1,其計算模型見圖4,x方向(垂直與道路中心線)范圍為225.28m,y向(垂直于公路)范圍為199.38m,總節(jié)點數(shù)為2762個,四邊形單元數(shù)為2596個。3.2.2義miso屈服準則本文計算所采用的是理想彈塑性模型,ANSYS程序中是采用廣義Mises屈服準則,即我們通常所說的Drucker-Prager準則,計算時模型底部為全部約束,左右為法向約束。所用巖體力學參數(shù)均來自《勘察報告》的建議值和工程類比值(表1)。3.2.3高切坡破壞模式利用ANSYS軟件中的殺死單元法,根據(jù)施工順序分2個階段來開挖,計算分3次來完成,第1次計算擬開挖路段巖體在重力作用下的彈性變形和應力,作為初始狀態(tài)(圖5);第2次是計算第1階段開挖高切坡的應力調整和位移變化情況;第3次是計算高切坡形成后但未加支護的情況下坡體的應力、位移最終形成情況,以來分析坡體的穩(wěn)定性。高切坡一旦開挖,坡內應力由于卸荷作用就會重新調整,使得坡體應力釋放,釋放應力的過程中會引起坡體往凌空面方向產生位移,從第1階段開挖結果來看,坡體水平方向和豎直方向的位移最大值主要是出現(xiàn)在坡頂殘坡積碎石土層和煤夾層位置(圖6~圖7)。坡內應力得到一定的釋放,且在開挖坡表局部區(qū)域出現(xiàn)拉應力現(xiàn)象(圖8)。從第2階段開挖情況來看(圖9~圖10),最大的塑性變形區(qū)出現(xiàn)在含煤夾層位置。從塑性區(qū)來看該高切坡不會出現(xiàn)從坡腳出現(xiàn)剪切破壞情況,但由于開挖后,煤夾層出現(xiàn)壓裂破壞,能使坡體后沿巖體出現(xiàn)拉-裂破壞。同時高切坡第3~5級臺階可能出現(xiàn)剪切破壞。從以上模擬結果、結合高切坡地質條件分析可以推斷此高切坡破壞模式主要是壓裂破壞。在高切坡開挖前,巖體處于受壓狀態(tài),由于其抗壓強度較高坡體能保持穩(wěn)定狀態(tài);當高切坡開挖后,反傾的層狀細砂巖處于懸臂受彎狀態(tài),高切坡開挖越高,巖層懸臂越長,巖層內拉應力增加,拉應力達到抗拉強度后巖層折斷而傾倒,則使煤層受到擠壓而壓裂,甚至從坡面擠出。這種破壞首先在細砂巖上部的表層發(fā)生,表層破壞后,內部煤層也失去支撐而破壞,這種破壞逐層向下發(fā)展,最終使高切坡失穩(wěn)。4高切坡的加固。據(jù)采用錨桿噴射混凝土-掛網進行加固,自1)根據(jù)采樣試驗結果統(tǒng)計,砂巖抗剪強度中的內摩擦角tanφ=0.84,理論破裂角(45°+φ/2)為65°;因此建議按1︰0.50(64°)坡率分階放坡開挖是比較合理的。同時,由于高切坡巖體較破碎,完整性差,開挖卸荷之后,在雨季時,地表水體的沖刷和侵蝕作用下,容易導致高切坡局部崩塌,因此可采用錨桿噴射混凝土-掛網來加固高切坡,以滿足整體穩(wěn)定性。2)從有限元分析可知由于煤夾層的存在,開挖卸荷之后,高切坡第3