基于赤平极射投影法的高切坡稳定性评价

基于赤平极射投影法的高切坡稳定性评价

0加固煤系地层高切坡的难点随着西部的快速发展，西南和西北地区的交通基础设施建设正在不断改善和完善。其中道路建设方面尤为显著,如重庆市将在“十一五”期间投资1120亿元从事道路交通建设与改造。在道路的建设过程中往往要穿越崇山峻岭,会经常遇到高填深挖工程,这样,给工程设计和施工带来了较大的难度,特别是道路需要穿过煤系地层等含软弱夹层的地段时,开挖形成的高切坡其稳定性是难以确定的。为了使高切坡在施工和营运过程中保持稳定,科研工作者一般采用了增大安全系数法来加固坡体,但是此法使工程材料造成了一定的浪费,怎样来优化加固煤系地层高切坡,已经成为众多专家和学者致力解决的问题。建设中的两巫二级公路(巫山—巫溪)将穿过重庆市巫山县和巫溪县,区域内地形地貌复杂,历史上曾多次发生大型山体滑坡、泥石流等自然灾害;岩石和土体的类型多种多样,岩体节理十分发育,给工程设计施工带来了一定难度。该公路K90+310~K90+370段将通过煤系地层,最高反倾高切坡达64m,笔者以此段高切坡作为研究对象,运用赤平极射投影法和有限元数值模拟,进行高切坡稳定性评价。1地层及含矿地层工程所在地山体发育,属侵蚀低山斜坡地貌。地势总体上南西高北东低,地面高程439.00~517.00m,相对高差78m,地形起伏较大,斜坡灌木发育,无地表水体出露。本区属朝阳-官阳背斜南翼,以单斜构造为主,未发现断层及次级褶皱。场地基岩岩层产状181°~215°∠19°~22°。斜坡岩体内主要发育4组裂隙:①组:产状42°~48°∠65°~85°,延展2.50~4.00m;②组:产状71°~78°∠70°~81°,延展3.00~4.00m;③组:产状313°~324°∠62°~81°,延展3.00~4.20m;④组:产状13°~15°∠81°~84°,延展3.00~4.00m。4组裂隙间距0.30~0.50m,张开,裂面平直,黏性土充填。从地勘资料可知,场地内出露地层主要为第四系人工填筑土(Q4me)、第四系残坡积碎石土(Q4el+dl)和下伏基岩组成,下伏基岩主要为三叠系上统须家河组砂岩(T3xj)、泥岩互层夹煤层和三叠系中统巴东组(T2b)泥灰岩、碳质角砾岩组成。其中煤夹层呈黑色,一般厚度较小,以薄夹层或透镜体型式出现(图1)。2大量伊利石形成的地质意义该段高切坡一个显著的特点就是含有煤夹层,且其厚度不均,从钻孔资料来分析,该高切坡主要含有两个煤夹层,煤夹层厚度一般为薄至极薄层状,或呈透镜状分布,最厚处为3.4m。煤夹层岩性较软,且含有大量伊利石,具有干裂、吸水性强、遇水膨胀软化,其结构易破坏而丧失强度等特点,在水和其它外营力作用下易形成具隔水、含水和强度低等特点的软弱带,这种作用对高切坡的稳定很不利,容易造成应力变异,岩体变形。高切坡形成后,由煤夹层、碳质泥岩的煤系地层将在坡中位置出露,因强度不足,坡中处煤夹层将有被侧向挤出的趋势,引起上部砂岩处于拉—张状态,当拉力超过到砂岩的抗拉强度时,则高切坡将失稳。由于工程所在地雨量充沛,降雨集中,地表水将沿着地表裂缝渗入坡体,导致煤系地层的物理力学参数进一步弱化,致使坡体因强度不足而产生坍滑变形,从而引起整个高切坡的变形破坏。3高切坡设计特点目前,此段高切坡尚未大面积开挖,设计坡角线呈弧形,线路设计高程427.99~429.38m,地面高程为438.20~463.55m,线路高程远低于原地面高程,线路埋深11.00~34.00m。施工后,高切坡高度为10.00~64.00m,坡向为333°~49°,平面线型处于曲线段。勘察单位建议开挖坡率采用:土层1∶1.25,强风化层1∶1.00,弱风化砂岩层按1∶0.50,其他弱风化层按1∶0.75。则根据此开挖坡率,利用赤平极射投影法和有限元数值模拟对高切坡稳定性进行评价。3.1结构面宏观稳定性分析赤平极射投影法是工程实际中常用来分析岩质高切坡整体稳定性的图解法之一。它能反映高切坡岩体中的结构面分布规律和相互组合状况,能表示岩体中结构面数量、产状及其相互的组合关系。该方法可以进行岩质高切坡破坏体形态、失稳滑动方向和稳定程度的分析评价。从地勘资料统计分析得到K90+310~K90+370左线高切坡岩体中4组主控结构面为LX1、LX2、LX3、LX4,分别采用赤平极射投影法进行主控结构面与高切坡面、层理面进行组合,以此组合关系和特征为依据,对K90+310~K90+370左线高切坡的稳定性进行定性分析评价。根据切坡面及坡体内岩体主控结构面产状,以K90+340和K90+360两个典型剖面为例,作赤平极射投影图(图2~图3)。由图2可知:岩层产状较缓,反倾,对高切坡稳定性影响小。高切坡若直立开挖,在K90+340剖面处,LX1裂隙与高切坡呈小角度相交为顺层结构面,但裂隙倾角较陡,若按1∶0.50坡率放坡之后,裂隙倾角陡于坡脚,对高切坡的稳定性影响小;LX2和LX3裂隙切割成楔型体,交线产状为14°∠63°,与高切坡呈小角度相交,若按1∶0.50坡率放坡开挖后基本上与交线倾角一致,可能发生楔型滑动。由图3可知,岩层产状较缓,反倾,对高切坡稳定性影响较小,LX1裂隙与高切坡呈小角度相交为顺层结构面,但裂隙倾角较陡,若按1∶0.5坡率放坡之后,裂隙倾角陡于坡角,对高切坡的稳定性影响小;LX2和LX4可能在高切坡上形成楔型体。3.2反倾岩质高切坡稳定性的计算分析有限单元法(FEM)是岩质高切坡稳定性的数值分析计算法中使用较为广泛的一种,不论是理论基础,还是实践应用和经验都比较成熟。因此,采用有限元法(FEM)对K90+310~K90+370段反倾岩质高切坡稳定性进行计算分析是适宜的。本文利用美国大型有限元计算软件ANSYS来进行分析。3.2.1储细砂岩3.20m、细砂岩3.本次计算是以此段高切坡典型剖面K90+360为例,根据钻探资料可知,岩层从表及里分别为:细砂岩(3.80m)、煤层(0.50m)、细砂岩(3.20m)、粉砂质泥岩(0.70m)、细砂岩(5.60m)、煤层(1.50m)、细砂岩(3.70m)、粉质泥岩(2.33m)、细砂岩(20.12m)碳质角砾岩(7.26±m)(图1)。计算模型与实际比例为1∶1,其计算模型见图4,x方向(垂直与道路中心线)范围为225.28m,y向(垂直于公路)范围为199.38m,总节点数为2762个,四边形单元数为2596个。3.2.2义miso屈服准则本文计算所采用的是理想弹塑性模型,ANSYS程序中是采用广义Mises屈服准则,即我们通常所说的Drucker-Prager准则,计算时模型底部为全部约束,左右为法向约束。所用岩体力学参数均来自《勘察报告》的建议值和工程类比值(表1)。3.2.3高切坡破坏模式利用ANSYS软件中的杀死单元法,根据施工顺序分2个阶段来开挖,计算分3次来完成,第1次计算拟开挖路段岩体在重力作用下的弹性变形和应力,作为初始状态(图5);第2次是计算第1阶段开挖高切坡的应力调整和位移变化情况;第3次是计算高切坡形成后但未加支护的情况下坡体的应力、位移最终形成情况,以来分析坡体的稳定性。高切坡一旦开挖,坡内应力由于卸荷作用就会重新调整,使得坡体应力释放,释放应力的过程中会引起坡体往凌空面方向产生位移,从第1阶段开挖结果来看,坡体水平方向和竖直方向的位移最大值主要是出现在坡顶残坡积碎石土层和煤夹层位置(图6~图7)。坡内应力得到一定的释放,且在开挖坡表局部区域出现拉应力现象(图8)。从第2阶段开挖情况来看(图9~图10),最大的塑性变形区出现在含煤夹层位置。从塑性区来看该高切坡不会出现从坡脚出现剪切破坏情况,但由于开挖后,煤夹层出现压裂破坏,能使坡体后沿岩体出现拉-裂破坏。同时高切坡第3~5级台阶可能出现剪切破坏。从以上模拟结果、结合高切坡地质条件分析可以推断此高切坡破坏模式主要是压裂破坏。在高切坡开挖前,岩体处于受压状态,由于其抗压强度较高坡体能保持稳定状态;当高切坡开挖后,反倾的层状细砂岩处于悬臂受弯状态,高切坡开挖越高,岩层悬臂越长,岩层内拉应力增加,拉应力达到抗拉强度后岩层折断而倾倒,则使煤层受到挤压而压裂,甚至从坡面挤出。这种破坏首先在细砂岩上部的表层发生,表层破坏后,内部煤层也失去支撑而破坏,这种破坏逐层向下发展,最终使高切坡失稳。4高切坡的加固。据采用锚杆喷射混凝土-挂网进行加固,自1)根据采样试验结果统计,砂岩抗剪强度中的内摩擦角tanφ=0.84,理论破裂角(45°+φ/2)为65°;因此建议按1︰0.50(64°)坡率分阶放坡开挖是比较合理的。同时,由于高切坡岩体较破碎,完整性差,开挖卸荷之后,在雨季时,地表水体的冲刷和侵蚀作用下,容易导致高切坡局部崩塌,因此可采用锚杆喷射混凝土-挂网来加固高切坡,以满足整体稳定性。2)从有限元分析可知由于煤夹层的存在,开挖卸荷之后,高切坡第3