顺层岩质边坡开挖松弛区试验研究

1、第24卷 第5期岩石力学与工程学报 V ol.24 No.52005年3月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering March ,2005收稿日期:20031114;修回日期:20031219 基金项目:铁道部科研资金资助项目(2002G0030102作者简介:冯 君(1977,男,2000年毕业于西南交通大学土木工程专业,现为西南交通大学博士研究生,主要从事岩土工程方面的研究工作。顺层岩质边坡开挖松弛区试验研究冯 君1,周德培1,李安洪2(1. 西南交通大学 岩土工程系,四川 成都 610031;2. 铁道第二勘察设计院,四川 成都

2、 610031摘要:路堑边坡走向与岩层走向夹角大小对顺层岩质边坡稳定性有影响,但究竟二者关系如何,是设计人员关心的问题。在实际工程中,陡倾状顺层岩质边坡不稳定岩体可以刷方,但清方量较大的缓倾角和中等倾角顺层岩质边坡,其开挖松弛区范围也是设计人员关心的问题。利用地质力学模型试验方法,对上述两个问题进行了探讨,给出了确定开挖松弛区范围的方法,以及顺层岩质边坡的边坡走向与岩层走向夹角的上限值。 关键词:岩石力学;顺层岩质边坡;松弛区;岩层走向;夹角;模型试验中图分类号:TU 457;U 416.1+3 文献标识码:A 文章编号:10006915(200505084006PHYSICAL MODELI

3、NG RESEARCH ON RELAXATION REGION OFCONSEQUENT ROCK SLOPE INDUCED BY ROAD CUTTINGFENG Jun 1,ZHOU De-pei 1,LI An-hong 2(1. Southwest Jiaotong University ,Chengdu 610031,China ; 2. The Railway Second Survey Design Institute ,Chengdu 610031,China Abstract :The stability of consequent rock slope is relat

4、ed to the intersecting angle between the strike directions of the cutting slope and strata ,but the exact relation is always unknown in specific practical cases. The unstable rock mass on the bedrock with a high dip angle may be dug out. But it may be very expensive to dig all rock mass on the bedro

5、ck with medium and low dip angles. So the relaxation region of consequent rock slope is greatly concerned. According to the modeling tests ,the method to determine relaxation region is explained. And the upper limit of intersecting angle between the strike directions of the cutting slope and strata

6、is also obtained.Key words :rock mechanics ;consequent rock slope ;relaxation region ;strike direction of strata ;intersecting angle ;modeling test1 引 言对于岩质边坡而言,工程实践中经常遇到也是容易产生破坏的一类边坡就是顺层边坡。在陡倾角的天然顺层边坡上开挖路堑时,路堑边坡角的设计值往往与岩层倾角一致;在缓倾角和中等倾角的天然顺层边坡上开挖路堑时,不可避免地将岩层切断,被切断岩层的稳定状态主要取决于岩层倾角和层面的抗剪强度。许多学者经过大量研究,

7、对于倾角较大且与岩层倾角相同的顺层边坡,提出了岩层滑移弯曲破坏模型15;对于开挖边坡倾角比岩层倾角大的,后缘完全被节理切断的顺层边坡,提出了刚体滑移破坏模型6,7。严格来说,顺层边坡应该是指岩层走向和倾向与边坡走向和倾向一致的边坡。然而在实际工程中,第24卷 第5期 冯 君等. 顺层岩质边坡开挖松弛区试验研究 841 完全符合上述条件的边坡并不多见,通常情况是边坡走向与岩层走向有一定的夹角,设计人员通常凭经验认为走向与岩层走向夹角小于20o、倾向接近的边坡为顺层边坡8,并未经试验结果验证。因此,究竟该夹角在什么范围内,应将边坡视为顺层边坡,这是相关工程人员非常关心的问题之一。实际现象表明,倾角

8、大于岩层倾角的顺层边坡并不是完全沿某个层面呈整体性滑动破坏,而多数是沿某个或某些层面滑动,沿岩层中一些间断的节理面拉开,由下而上逐渐滑动破坏,并且当坡脚不再开挖或不再受到扰动时,失稳滑动到一定程度也就不再往上发展9。那么,路堑开挖后,有多大范围的岩层有可能失稳滑动,即开挖松弛区有多大10,这也是相关工程人员关心的问题之一。本文利用地质力学模型试验方法,选取渝怀线DK375工点的顺层岩质边坡为典型坡体结构,通过模型试验对上述两个问题进行了探讨。2 模型设计2.1 相似比和相似材料根据试验条件,取几何相似比为100/1=L C ,容重相似比1=C ,则可得应力(粘聚力相似比100/1=L c C

9、C C C 。然后根据DK375工点原型的地层条件、岩层厚度、结构面特征、物理力学参数等选择相似材料制作坡体模型。采用多块基本尺寸为长10 cm 、宽5 cm 、厚1 cm 的砌块模拟岩层,测得其重度3kN/m 25=,现场岩层重度=24.6 3kN/m ,基本满足相似要求;在层面间夹以薄层相似材料模拟结构面,该相似材料根据相似原理采用重晶石粉、细石英砂、滑石粉和水混合而成,通过直剪试验测得其内摩擦角o 5.25=,粘聚力=ckPa 1,而现场结构面内摩擦角o 25=,粘聚力=c kPa 60,表明该材料大致符合相似比的要求。 2.2 试验内容按照原型坡体地质特征及其边界条件制作坡体模型进行试

10、验,试验模型共16组,具体情况见表1。主要研究岩层倾向、倾角以及岩层走向与线路走向夹角不同组合情况下,路堑开挖对坡体稳定性的影响及相应的开挖松弛区范围,试验中路堑一次开挖完成,不设置加固支挡结构。表1 试验模型一览表Table 1 Test models of layered rock slope (°模型编号岩层产状1234567 8 9 10 11 12 13141516 20202020252525 25 30 30 30 30 35353535注:, 分别表示岩层倾角以及边坡走向与岩层走向夹角。内容,尤其是位移,对于边坡工程来说更具有直观、简捷的特点。在本次试验中,由于坡体模

11、型采用砌块堆砌而成,测量应力比较困难,故只测定坡体位移。对于顺层岩质边坡,路堑开挖多引起坡体顺层滑动,因此在坡体内顺层面方向设置测点测定坡体位移。坡体内测点布置如图1所示。 2.3 试验方法(1 将模型试验装置绕中轴旋转至设计坡体岩层倾角位置,并固定。(2 在模型装置两边的玻璃面上划出坡体地表线、坡体结构面产状线、开挖坡面线等。(3 分步堆砌相似材料直到坡体地表线。每堆砌一层砌块,就均匀喷洒一薄层结构面相似材料,然后继续堆砌砌块。堆砌到各测点位置时,设置位移传感器。堆砌完成开挖前,将各测点对零。(4 开挖路堑。(5 每隔一定时间记录一次各测点的读数,直至读数稳定。3 试验结果分析模型试验中发现

12、,路堑开挖后,坡体变形发展很快,一般在开挖1 d 后,坡体变形基本停止,此时得出测点最终位移。模型测点115最终位移如表2所示。3.1 边坡走向与岩层走向夹角对坡体稳定性影响分析由表2的数据可以看出,对于岩层倾角相同的坡体模型,随着岩层走向和边坡走向夹角的增大,坡体各测点相应位移逐渐减小,且顺层方向的坡体位移变化趋势逐渐变缓,而顺层方向坡体位移是反映坡体稳定性的一个重要标志,由此可以说明对于 842 岩石力学与工程学报 2005年 (a 模型14 (b 模型58 (c 模型912 (d 模型1316图1 测点布置示意图(尺寸单位:cmFig.1 Arrangement of measuring

13、 points(unit of dimensions:cm表2 模型测点115试验位移值Table 2 The displacement at measuring points in the test mm测点模型编号1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 152 0.07 0.0第24卷第5期冯君等. 顺层岩质边坡开挖松弛区试验研究 843 坡体稳定性有影响,夹角越大,坡体越趋于稳定。绘出相同岩层倾角模型中测点1,6,11的位移边坡走向与岩层走向夹角曲线图(图2。由图2可知,当岩层倾角分别为20°,25°,30°,35°时,曲

14、线图中各条曲线的拐点所对应的x轴变量(边坡走向与岩层走向夹角位于30°附近,且随着岩层倾角的增大,拐点有右移的趋势,即拐点所对应的x轴变量(边坡走向与岩层走向夹角有增大的趋势。众所周知,当边坡走向与岩层走向垂直时(夹角为90°,边坡几乎不可能发生顺层滑动破坏,即可以不视为顺层边坡,但作为工程实际应用,可以取图2中各条曲线拐点所对应的夹角作为定义顺层边坡的极限夹角,即认为边坡走向与岩层走向夹角小于30°、倾向相近的边坡为顺层边坡。当然,由试验结果可以看出,岩层倾角越大,该极限夹角越大,但是一般在实际工程中,对于陡倾角天然顺层边坡,开挖坡角一般等于岩层倾角,即清掉了不

15、稳定岩体,坡体破坏形式也发生了变化,不属于本次试验可以讨论的范围,因此,极限夹角30°只能是针对缓倾角和中等倾角且路堑开挖把岩层切断的顺层边坡。3.2 坡体开挖松弛区范围研究坡体在经过人工开挖作用后,原有的力学平衡状态被打破,而重新建立新的力学平衡体系,坡体内应力就会重新调整。这种调整实际上是在有限范围内进行的,即在开挖临空面附近调整变化较大,而在离开挖面较远的区域则变化较小,也即总体上呈现衰减变化的趋势。岩土边坡工程由于自身特有的物理力学属性以及其所处的地质环境和工程环境等因素的影响,在坡体开挖过程中的失稳与坡体开挖卸载造成坡体内的应力重分布和位移变化密切相关,坡体失稳破坏范围必然

16、产生在这个有限的应力重分布和位移变化的影响区内。因此找出这个应力影响区和位移影响区在工程上有重要意义。一般来说,开挖松弛区可以通过应力场或者位移场进行判断。在实际工程中,以位移为依据往往比以应力为依据更具有简捷直观的特点,在该次试验中,仅讨论利用位移来判断坡体开挖松弛区。根据开挖坡体的几何特点和受力状况可知,顺层坡体的滑动(或潜在滑动方向是向坡体外侧顺层向下的,于是顺层方 (a 岩层倾角20°(b 岩层倾角25° (c 岩层倾角30°(d 岩层倾角35°图2 关键点位移岩层走向与边坡走向夹角曲线图Fig.2 Curves of displacement-

17、intersecting angle between the strike directions of the cutting slope and strata 844 岩石力学与工程学报 2005年向的位移可以直观的反映开挖影响的大小,从力的影响状况可知,该位移由开挖面至坡体内的变化规律为逐渐减小,直至为0。因此,可以从开挖临空面自上而下不同点向坡体内顺层向作适当长度的参考线,绘出沿各参考线的位移变化曲线,并找到其上的显著拐点,以近似作为坡体失稳与稳定部分的分界点,从而把这些显著拐点自上而下顺次连接起来形成松弛区的内边界,并以此来判断坡体开挖松弛区范围。但若坡体中没有相对整个坡体明显的软弱结

18、构面,位移变化曲线上的拐点通常不明显,这时一般改用应力的方法判断坡体开挖松弛区。若仍通过位移方法近似判断松弛区,由于从工程实际意义来讲,一般当坡体内某点的位移在某量值以下时,就可以认为该点以内的坡体处于稳定状态,所以此时需根据具体工程的实际情况,根据不同的安全系数来估计拐点处的位移限定值。实际上,对于不同性质的岩体其位移限定值是不同的。根据一些实际工程的计算结果分析,并偏于安全角度考虑,建议将限定值取为 5 mm(换算为本次模型试验的限定值,即0.05 mm。由前面的讨论可知,坡体在开挖过程中,由于卸载而发生应力松弛。坡体内应力发生调整的过程中,相应发生了位移,造成一定范围的松弛区,该区是引起

19、坡体失稳的主要原因。根据前面给出的确定松弛区范围的方法,确定各模型近似开挖松弛区范围如图3所示。4 结 论通过16组小比例模型试验,可以得出以下几点结论:(1 人工开挖使顺层边坡岩体向临空面滑移变形,而产生向下的形变拉应力。岩体本身由于有一定的抗变形能力,致使上部自然山体边坡受下部的牵引作用,而与其一起向下产生移动和变形,而变形的量值从临空面向坡体内部依次减小,从而形成变形边界,并由此可确定出坡体开挖松弛区范围。(2 岩层倾角固定的情况下,随着边坡走向与岩层走向夹角的增加,坡体逐渐趋向稳定。对于具有缓倾角或中等倾角岩层、开挖边坡坡角大于岩层倾角的路堑边坡,当路堑边坡走向与岩层走向夹角超过30&

20、#176;时,基本上可以不将其视为顺层边坡。 (a 岩层倾角20° (b 岩层倾角25° (c 岩层倾角30° (d 岩层倾角35°图3 开挖松弛区范围示意图(尺寸单位:cmFig.3 The plot of relaxation region(unit of dimensions :cm第 24 卷 第5期 冯 君等. 顺层岩质边坡开挖松弛区试验研究 845 参考文献(References： 1 李云鹏，杨治林，王芝银. 顺层边坡岩体结构稳定性位移理论J. 岩石力学与工程学报，2000，19(6：747750.(Li Yunpeng，Yang Zhil

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