羅光財，齊 龍，王 震，王述紅

(1.中建五局土木工程有限公司， 湖南 益陽 413000； 2.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110819)

基于塊體理論的巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性研究

羅光財1，齊 龍2，王 震1，王述紅2

(1.中建五局土木工程有限公司， 湖南 益陽 413000； 2.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110819)

巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性分析對于下穿公路及建筑的安全起著至關(guān)重要的影響。通過運用關(guān)鍵塊體理論，結(jié)合先進(jìn)的非接觸測量技術(shù)與GeoSMA-3D系統(tǒng)，對益陽東部新區(qū)外環(huán)路建設(shè)項目K3+300—K3+340坡段高邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了比對分析。通過比對不同邊坡坡角下，整體穩(wěn)定性系數(shù)的變化與關(guān)鍵塊體的體積發(fā)現(xiàn)：在一定范圍內(nèi)，邊坡的整體穩(wěn)定安全系數(shù)隨著坡腳的變大而變?。凰阉鞯降年P(guān)鍵塊體數(shù)量隨著邊坡坡腳的變大而減少，當(dāng)坡腳小于60°時，邊坡整體較安全；當(dāng)坡腳大于60°時應(yīng)該適當(dāng)考慮后期分級支護(hù)及邊坡的削坡問題。

高陡邊坡；塊體識別；結(jié)構(gòu)面；邊坡穩(wěn)定性

隨著邊坡工程建設(shè)規(guī)模不斷地擴(kuò)大，尤其是高陡邊坡的比例日趨上升，提高高邊坡巖體穩(wěn)定性的研究水平，具有重要的科學(xué)和社會意義。含有大量巖體的地層中，巖體被結(jié)構(gòu)面切割成各種類型的結(jié)構(gòu)體，這些結(jié)構(gòu)體的存在會導(dǎo)致整個巖坡的失穩(wěn)。近年來巖質(zhì)高邊坡的研究越來越引起人們的關(guān)注。主要包括動力特性[1-2]、參數(shù)特性[3-4]、空間表征等方面[5]，上述研究目前大致分為兩個主要方向：力學(xué)計算分析法與綜合評價法。力學(xué)分析法主要是通過運用包括有限元、離散元、流形元等不同的力學(xué)分析理論，對高陡巖坡在震動、滲流等各種環(huán)境條件下的應(yīng)力位移場，進(jìn)行比對分析[6-7]；綜合評價法是指運用模糊模型、灰度模型、遺傳模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等統(tǒng)計管理學(xué)模型，在考慮力學(xué)效應(yīng)的同時，更加客觀全面的對整體巖坡進(jìn)行綜合整體的評價[8-9]。

在對高陡巖坡的研究中，常將巖質(zhì)巖體看成連續(xù)體，通過設(shè)置巖石的力學(xué)參數(shù)來模擬巖質(zhì)邊坡。但這種方法忽略了巖體非連續(xù)性及大變形這些重要的力學(xué)性質(zhì)。因此運用塊體理論[10-11]研究上述塊體化巖體模型破壞機(jī)制最有效方法之一，因為其核心內(nèi)容是通過分析開挖面周圍塊體穩(wěn)定性來搜索關(guān)鍵塊體，進(jìn)而分析巖體工程開挖面的穩(wěn)定性。塊體理論作為一種比較新穎的巖體分析方法，它由著名美籍華人科學(xué)家Shi于1985年首次提出，目前已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于包括三峽大壩在內(nèi)的多種工程中[10-12]，同時諸多學(xué)者也分別在塊體切割搜索[13]、曲面塊體表現(xiàn)[14]、塊體合并[15]、塊體穩(wěn)定性計算方法[16]等諸多方面進(jìn)行了研究并取得了豐厚的成果。但對于塊體理論的研究多圍繞大體積單一塊體進(jìn)行，對于結(jié)構(gòu)面較密集的碎裂巖體而言具有一定局限性。本文將塊體理論應(yīng)用于益陽東部新區(qū)外環(huán)路建設(shè)項目K3+300—K3+340坡段，針對結(jié)構(gòu)面密集且風(fēng)化嚴(yán)重這一特點，提出了基于塊體體積的整體穩(wěn)定性系數(shù)，對該碎裂巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了定量評價。從而可以預(yù)測出在不同放坡時邊坡的穩(wěn)定性情況，為邊坡工程的安全開挖及后期支護(hù)提供有力的理論依據(jù)。

1 塊體理論方法及實現(xiàn)

關(guān)鍵塊體理論假設(shè)巖體被各種結(jié)構(gòu)面及臨空面進(jìn)行切割后會形成各種形狀的塊體，這些塊體表面上看起來雜亂無章，實際有嚴(yán)格的分類。在巖體受結(jié)構(gòu)面切割后首先可以分為有限性塊體和無限塊體。通過塊體有限性定律可進(jìn)行判斷，即某凸塊體平移各半空間界面使之通過的坐標(biāo)原點形成棱錐，若棱錐為空集則塊體為有限，若不為空集，則塊體為無限。得到有限塊體之后，通過塊體的可動性對塊體進(jìn)行判斷，即當(dāng)結(jié)構(gòu)面和臨空面構(gòu)成的塊體有限時，僅結(jié)構(gòu)面構(gòu)成的塊體無限時，塊體為可動；反之塊體為不可動?？蓜有苑治鲋?，對塊體進(jìn)行運動學(xué)分析，可以將可動塊體分為穩(wěn)定塊體、可能失穩(wěn)塊體及應(yīng)該重點維護(hù)加固的關(guān)鍵塊體。

邊坡的穩(wěn)定性是由各關(guān)鍵塊體的穩(wěn)定性控制，而關(guān)鍵塊體的穩(wěn)定性系數(shù)判斷可得以下兩種形式：

(1) 單面接觸滑動。單面滑動時的安全系數(shù)為

(1)

(2) 雙面接觸滑動。雙面滑動時的安全系數(shù)為

(2)

(3)

(4)

(5)

GeoSMA-3D系統(tǒng)(Geotechnical Structure and Model Analysis)是“巖土工程結(jié)構(gòu)與模型分析系統(tǒng)”的簡稱[17-19]。GeoSMA-3D是東北大學(xué)基于關(guān)鍵塊體理論獨立開發(fā)出的一款判斷巖體穩(wěn)定性的系統(tǒng)。本系統(tǒng)考慮了巖體的真實特征：非連續(xù)性、非均質(zhì)性、各向異性、非彈性，以及工程擾動因素如爆破施工等。建立三維數(shù)值模型，在可視化環(huán)境中實現(xiàn)工程巖體任意剖切、量算、塊體顯示和開挖設(shè)計，經(jīng)過程序自動計算和搜索，自動找出可動塊體并提取真正的關(guān)鍵塊體，實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)統(tǒng)計、查詢與空間分析，對于巖體工程設(shè)計和施工實踐具有很重要的實際意義(見圖1)。

圖1 GeoSMA-3D塊體搜索系統(tǒng)

2 工程實例

2.1 工程概況

本文選取益陽東部新區(qū)外環(huán)路建設(shè)項目K3+300—K3+340坡段高陡邊坡為研究對象(見圖2)。K3+300—K3+340坡段邊坡路面為右側(cè)開挖路塹。根據(jù)現(xiàn)場踏勘和鉆探資料顯示，該處設(shè)計高程95 m，中心挖高約4.7 m，右側(cè)最深挖高83 m，為5級邊坡坡段，考慮放緩邊坡坡率的情況下，邊坡挖高將一直往高山處開挖， 并輔以錨桿進(jìn)行坡面加固，坡腳采用護(hù)腳的形式，邊坡防護(hù)形式為三維網(wǎng)或者拱形骨架防護(hù)形式，坡頂外側(cè)5 m設(shè)置截水溝，并進(jìn)行植草綠化，其中第二平臺寬度為4 m，其他的邊坡平臺為2 m，進(jìn)行分級設(shè)置。根據(jù)詳勘資料，該挖方段均為風(fēng)化板巖，其性狀：灰黃色，灰色，淺紫紅色，變余結(jié)構(gòu)，薄層夾中厚層板狀構(gòu)造，巖質(zhì)稍硬，為較軟巖，巖體較完整。上覆表土層易被水流沖刷，沿巖面易發(fā)生坍塌，應(yīng)采用緩坡并進(jìn)行坡面防護(hù)。下伏基巖為板巖，巖體較完整，結(jié)構(gòu)面結(jié)合一般，巖層產(chǎn)狀為255°∠50-80°，與路線走向交角近40°，為順坡向，易產(chǎn)生順層滑塌，且劈理(節(jié)理)發(fā)育，節(jié)理產(chǎn)狀參考路中右側(cè)邊坡節(jié)理發(fā)育，形成不穩(wěn)定的塊體，產(chǎn)生局部的坍塌或掉塊，對邊坡穩(wěn)定性不利，因此應(yīng)該對該坡段的關(guān)鍵塊體情況進(jìn)行評價。為了更好對高陡邊坡進(jìn)行分析，本研究首先將邊坡分為5級，并分別在45°、60°、70°、80°等4種不同坡腳情況下進(jìn)行對比分析各級穩(wěn)定性和關(guān)鍵塊體情況(見圖3)。

圖2 K3+300—K3+340坡段高邊坡平面設(shè)計圖

2.2 非接觸結(jié)構(gòu)面測量

為了獲得巖體幾何參數(shù)和結(jié)構(gòu)面參數(shù)，運用了三維非接觸測量系統(tǒng)—ShapeMetriX3D[10]，該系統(tǒng)可以通過高清攝影圖片對巖體及其表面形狀的進(jìn)行三維建模，并且可以通過相應(yīng)的分析，得到巖體表面結(jié)構(gòu)面的相關(guān)信息，巖體結(jié)構(gòu)面的傾向、傾角、中心點坐標(biāo)等。另外該系統(tǒng)還可以對邊坡進(jìn)行空間建模，最終得到坡高、坡角等相應(yīng)的邊坡幾何參數(shù)。

經(jīng)過ShapeMetriX3D結(jié)構(gòu)面搜索，建立起邊坡三維模型(見圖4)，經(jīng)過對巖體表面確定性結(jié)構(gòu)面的搜索，共搜索到確定性結(jié)構(gòu)面信息41條，用赤平投影圖進(jìn)行表征(見圖5)，根據(jù)其特性對其進(jìn)行組別劃分，共分為3組。

圖3 K3+300—K3+340坡段高陡邊坡分級

圖4 邊坡第1級非接觸測量空間建模

圖5 K3+340坡段結(jié)構(gòu)面分組赤平投影圖

在實際關(guān)鍵塊體搜索中，在巖體中存在著許多表面無法觀察到的結(jié)構(gòu)面，這些結(jié)構(gòu)面同時也對巖體的整體穩(wěn)定性有影響。因此除了應(yīng)該考慮通過ShapeMetriX3D攝像技術(shù)獲得的確定性結(jié)構(gòu)面以外，還應(yīng)該考慮通過結(jié)構(gòu)面參數(shù)的隨機(jī)分布規(guī)律，對確定性結(jié)構(gòu)面進(jìn)行隨機(jī)性模擬[17]。本文中根據(jù)結(jié)構(gòu)面分布特性，主要考慮用Fisher分布與雙正態(tài)分布的形式分別對傾向、傾角進(jìn)行隨機(jī)結(jié)構(gòu)面的模擬。將確定性結(jié)構(gòu)面與隨機(jī)生成結(jié)構(gòu)面同時加入到GeoSMA-3D系統(tǒng)中進(jìn)行全部可移動塊體的搜索。

2.3 塊體搜索及穩(wěn)定性分析

將得到的結(jié)構(gòu)面數(shù)據(jù)引入GeoSMA-3D系統(tǒng)中，同時輸入表1、表2中的結(jié)構(gòu)面與巖體的相應(yīng)力學(xué)參數(shù)與表3中結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀參數(shù)，就可以得到如圖6所示可移動塊體。其中塊體為系統(tǒng)搜索出的符合塊體可動性的塊體。細(xì)線為結(jié)構(gòu)面切割巖體形成的跡線。

表1 不同巖體力學(xué)參數(shù)

表2 不同結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)

表3 確定性結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀計算參數(shù)

圖6坡段第1級邊坡可移動塊體軸側(cè)圖

為了更好的分析邊坡的坡腳變化對整個邊坡穩(wěn)定性的影響，文章采用了整體邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的方法進(jìn)行判斷(如式(6))。由于傳統(tǒng)的塊體安全系數(shù)是以單個塊體計算的，不同的塊體的安全系數(shù)也不同，為了給出一種綜合的評價方法，并且可以更好的對邊坡的整體安全系數(shù)進(jìn)行評價。于是本文采用按塊體體積加權(quán)的方法得出邊坡總體安全系數(shù)F總。

(6)

其中，VBn代表搜索出的第n個塊體的體積；Fsn代表搜索出的第n個塊體的安全系數(shù)。

圖7表現(xiàn)了各級邊坡整體穩(wěn)定性系數(shù)與坡腳變化之間的關(guān)系?？梢杂^察出五級邊坡的總體穩(wěn)定性系數(shù)均隨著坡腳的增大而減小。當(dāng)坡腳接近60°時，即坡度達(dá)到1∶0.57時，各個邊坡的整體穩(wěn)定性系數(shù)接近于1，達(dá)到臨界狀態(tài)，有發(fā)生危險的可能。應(yīng)該進(jìn)行相應(yīng)的支護(hù)與錨固措施。當(dāng)坡腳大于60°時，整體穩(wěn)定性系數(shù)過小，危險程度較大，應(yīng)該適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行削坡已保證整體穩(wěn)定的安全。同時可以看出，再臨界角度60°時，第三級與第四級邊坡明顯整體穩(wěn)定性系數(shù)低于1.05，因此在實際工程中應(yīng)該適當(dāng)考慮加大放坡的力度。

圖7各級邊坡整體穩(wěn)定性系數(shù)隨坡腳變化曲線

當(dāng)安全系數(shù)Fs小于1.05時，可移動塊體會轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)鍵塊體。關(guān)鍵塊體的存在對整個邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生相當(dāng)大影響，由于塊體已經(jīng)處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，極有可能因為降雨或擾動情況發(fā)生突發(fā)性崩塌，甚至?xí)l(fā)巖體剝落及滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。因此，對各個區(qū)段的關(guān)鍵塊體積的變化規(guī)律的研究十分重要。圖8中顯示的為在各級邊坡坡腳變化過程中，生成關(guān)鍵塊體的體積?？梢钥闯?，搜索到的關(guān)鍵塊體的體積基本與坡腳大小成負(fù)相關(guān)，即隨著坡腳的增大生成關(guān)鍵塊體的體積也會增大。而且第1級與第2級邊坡中關(guān)鍵塊體的體積明顯多于第3、4、5級邊坡，這可能是由于巖體內(nèi)部的自重應(yīng)力對巖體結(jié)構(gòu)面的黏結(jié)強(qiáng)度有一定的影響，也與不同層級邊坡所處的巖層不同有關(guān)。

圖8各級邊坡生成關(guān)鍵塊體體積隨坡腳變化曲線

3 結(jié) 論

本文通過運用關(guān)鍵塊體理論，結(jié)合GeoSMA-3D系統(tǒng)，對益陽東部新區(qū)外環(huán)路建設(shè)項目K3+300—K3+340坡段高邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了比對分析，通過比對不同邊坡坡角下，整體穩(wěn)定性系數(shù)的變化與關(guān)鍵塊體的體積的分析發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)，邊坡的整體穩(wěn)定安全系數(shù)隨著坡腳的變大而變小，且當(dāng)坡腳小于60°時，邊坡整體較安全，當(dāng)坡腳大于60°時3、4、5級邊坡穩(wěn)定性較差。同時，搜索到的關(guān)鍵塊體數(shù)量隨著邊坡坡腳的變大大致呈減少趨勢，第1、2級巖坡搜索到的關(guān)鍵塊體體積明顯大于3、4、5級邊坡，應(yīng)該適當(dāng)考慮后期應(yīng)該采取分級支護(hù)及分級削坡的方法保證在穩(wěn)定的前提下最大程度的增加經(jīng)濟(jì)效益。

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StabilityAnalysisofHighandSteepSlopeBasedonBlockTheory

LUO Guangcai1, QI Long2, WANG Zhen1, WANG Shuhong2

(CCFEBCivilEngineeringCo.,Ltd.,Yiyang,Hu'nan413000,China; 2.NortheasternUniversitySchoolofResourcesandCivilEngineering,Shengyang,Liaoning110819,China)

The stability analysis of high rock slope plays an important role in the safety of highway and building. Based on the key block theory this paper combined with the advanced non-contact measurement technology and GeoSMA-3D system of Yiyang eastern new construction of the outer ring road of K3+300—K3+340, and compared and analyzed the slope stability of high slope by comparing different slope angle, the overall stability coefficient and the change of key block size found. In a certain range, with the overall stability safety factor of the slope decreases, the number of key block search to decrease as the slope becomes larger, when the slope is less than 60, the overall slope is safe, when the slope is greater than 60 should be appropriate to consider the late support in grade and slope cutting slope problems.

highandsteepslope;blockidentification;structuralplane;slopestability

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.05.032

2017-05-02

2017-06-04

國家自然科學(xué)基金資助項目(51474050；U1602232)；地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室項目(SKLGP2014K011)；遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀人才支持計劃項目(LN2014006)

羅光財(1979—)，男，湖南常德人，工程師，碩士，主要從事施工技術(shù)研究工作。 E-mail:350460420@qq.com

TU45

A

1672—1144(2017)05—0178—05