兩種巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值方法對(duì)比分析

蔣明杰

巖石抗剪強(qiáng)度通常分為巖塊、巖體與結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度。巖塊抗剪強(qiáng)度是指不包含節(jié)理裂隙在內(nèi)的巖石強(qiáng)度，強(qiáng)度相對(duì)最高;巖體抗剪強(qiáng)度考慮了巖石中存在的節(jié)理裂隙，強(qiáng)度相對(duì)較低;結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度是指巖體中結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度，強(qiáng)度最低。對(duì)于巖體邊坡來說，結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度往往起著控制作用，所以確定結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度成為穩(wěn)定分析中最重要的事情［1］。

為準(zhǔn)確的確定結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，國內(nèi)外廣大學(xué)者已經(jīng)做過大量的研究，提出了經(jīng)驗(yàn)法、反算法、試驗(yàn)法等幾種方法。其中試驗(yàn)法是最有效、最準(zhǔn)確的確定方法，但有些工程由于受到條件限制，無法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)，或很難直接得出與實(shí)際相符的強(qiáng)度指標(biāo)［2］，本文只討論經(jīng)驗(yàn)法和反算法。本文就同一邊坡結(jié)構(gòu)面進(jìn)行計(jì)算分析，確定結(jié)構(gòu)面計(jì)算參數(shù)c，φ值，并對(duì)比兩種方法的差異。

1 分析方法

1.1 經(jīng)驗(yàn)法

經(jīng)驗(yàn)法是目前應(yīng)用最廣泛，也是諸多國標(biāo)規(guī)范中采用的，表1列出文獻(xiàn)［3］中有關(guān)結(jié)構(gòu)面參數(shù)的取值。

應(yīng)用此方法時(shí)，首先根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)構(gòu)面的張開度、膠結(jié)及充填情況，查表2判斷結(jié)構(gòu)面的結(jié)合度，再查表1確定結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的范圍，最終確定一組值。此方法對(duì)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)、地區(qū)經(jīng)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的詳細(xì)程度的要求較高。

表1 結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值

表2 結(jié)構(gòu)面的結(jié)合程度

1.2 反算法

反算法是通過已知穩(wěn)定系數(shù)及結(jié)構(gòu)面等條件情況下，反算結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

反算的方法一般分為兩種，一種是反算整個(gè)結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)的平均值，反算采用的公式視滑面來定，由于c，φ值是兩個(gè)未知數(shù)，因而必須先假定一個(gè)未知數(shù)，再求另一個(gè)未知數(shù);另一種反算法的基本原理是視滑坡將要滑動(dòng)而尚未滑動(dòng)的瞬間坡體處于極限平衡狀態(tài)，列出滑坡主軸斷面的極限平衡方程求取結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度參數(shù)c，φ值。徐邦棟等人已經(jīng)對(duì)滑坡在不同發(fā)育階段的安全系數(shù)推薦值做過深入研究，采用極限平衡理論分析，當(dāng)滑坡處于剛滑動(dòng)階段時(shí)，取其穩(wěn)定系數(shù)為 1.0［4－6］;同時(shí)，采用邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)跡象的最高水位作為反算的地下水位，選擇結(jié)構(gòu)面作為反算的滑面。

文獻(xiàn)［1］中提出，為了用一個(gè)公式求一個(gè)未知數(shù)，按滑體厚度假定粘聚力c值，如表3。

表3 滑體厚度與粘聚力c值

應(yīng)用此方法時(shí)，要根據(jù)現(xiàn)狀邊坡的變形特征來選取穩(wěn)定性系數(shù)，根據(jù)邊坡高度和滑體厚度來選取粘聚力c值。這兩個(gè)對(duì)反算法計(jì)算結(jié)果起著決定性影響的數(shù)值的選取也是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行的。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

貴州省威寧縣某公路邊坡k0+480～k0+520段右側(cè)，邊坡高H約為33.3 m，頂部為0.5～1.5 m土層，下部為石灰?guī)r，巖體呈中風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育，寬度0.2～10 cm不等，巖屑充填，偶見溶蝕蜂孔、晶洞。巖體較完整，鉆進(jìn)穩(wěn)定，巖芯以短柱狀、長柱狀為主，少量塊狀。重力密度γ=26 kN/m3。根據(jù)巖石飽和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)報(bào)告，為較硬巖。巖體結(jié)構(gòu)面外傾，產(chǎn)狀為40∠30。開挖邊坡坡率為1∶0.75，即坡角為 53.13°。

坡面形式如圖1所示。

分析該邊坡滑動(dòng)方式及上部土層的破壞形式，考慮最不利情況，把邊坡頂部土層看作與下部巖性一致的石灰?guī)r。由于邊坡巖性一致，考慮巖質(zhì)邊坡滑動(dòng)的特性，假定巖體按平面滑動(dòng)，穩(wěn)定系數(shù)可按下式計(jì)算:

圖1 邊坡平面滑動(dòng)法計(jì)算簡圖

式中:Ks為穩(wěn)定系數(shù);W為滑動(dòng)巖體重，kN;α為滑面傾角，(°);c、φ 為滑面粘聚力，kPa、摩擦角(°)。

2.2 經(jīng)驗(yàn)法確定結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)

查表2可知，該結(jié)構(gòu)面為結(jié)合程度一般。查表1可知，結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)中摩擦角φ(°)值宜取18～27，粘聚力c(kPa)值宜取90～50。結(jié)合表1標(biāo)注，可取 φ =18°，c=50 kPa。

滑動(dòng)巖體重:

結(jié)構(gòu)面長度:

計(jì)算得W=14 156.78 kN，L=66.6 m，代入式(1)則邊坡穩(wěn)定性系數(shù)Ks=1.03。

2.3 反算法確定結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)

采用極限平衡理論分析，取邊坡將要滑動(dòng)而尚未滑動(dòng)的瞬間穩(wěn)定性系數(shù)Ks=1.00。假定傾角為α的結(jié)構(gòu)面為滑坡主軸斷面。按滑體厚度假定粘聚力c值有著豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

滑體厚度:

根據(jù)表3假定結(jié)構(gòu)面內(nèi)聚力值，c=16.5 kPa。

則由式(1)可得:

由式(4)可得: φ =26.04°。

反算法計(jì)算出的內(nèi)摩擦角數(shù)值與經(jīng)驗(yàn)法取值存在著差異。產(chǎn)生此情況的主要原因是反算法計(jì)算過程中的Ks、c值都是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況假定的，它們的取值過程也與人的主觀因素有關(guān)。

2.4 兩種方法取值對(duì)比

兩種取值方法的計(jì)算得出的參數(shù)對(duì)比如表4。

表4 坡高33.3 m的參數(shù)取值

可見，由經(jīng)驗(yàn)法計(jì)算出的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)在與反算法給定的穩(wěn)定性系數(shù)一致時(shí)，兩種方法所確定的結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)有較大的差異。但此時(shí)反算法計(jì)算出的φ值在經(jīng)驗(yàn)法推薦的φ值取值范圍內(nèi)。

3 討論

分別調(diào)整上述邊坡的高度為H=15 m、H=50 m，用反算法計(jì)算時(shí)選取不同的穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算得出結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。如表5、表6。

表5 坡高15 m的參數(shù)取值

表6 坡高50 m的參數(shù)取值

可見，隨著邊坡高度的變化，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)法時(shí)結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值不變，但邊坡穩(wěn)定性系數(shù)有很大變化;應(yīng)用反算法時(shí)，粘聚力c值隨著坡高變化，摩擦角φ值則隨著選取的穩(wěn)定性系數(shù)變化。因此在應(yīng)用反算法時(shí)，如何選取一個(gè)可靠的穩(wěn)定性系數(shù)對(duì)于準(zhǔn)確計(jì)算結(jié)構(gòu)面參數(shù)是很重要的。

邊坡越穩(wěn)定，穩(wěn)定性系數(shù)越大，用反算法時(shí)穩(wěn)定性系數(shù)就越難準(zhǔn)確取值，計(jì)算出結(jié)構(gòu)面的c、φ值與實(shí)際相差較大，確定的參數(shù)對(duì)工程意義相對(duì)較小，此時(shí)不宜用反算法;邊坡越危險(xiǎn)，穩(wěn)定性系數(shù)越小，此時(shí)根據(jù)邊坡變形特征可較準(zhǔn)確選取穩(wěn)定性系數(shù)值，并且能較準(zhǔn)確確定滑面位置，因此用反算法可較準(zhǔn)確確定滑面c、φ值，對(duì)工程有較大的實(shí)際意義，故此時(shí)宜用反算法。

4 結(jié)論

1)經(jīng)驗(yàn)法確定的結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)依據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)、地區(qū)經(jīng)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的詳細(xì)程度等取值，不同的人取值會(huì)有很大的差異;反算法計(jì)算出的結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)與所取穩(wěn)定性系數(shù)有關(guān)。實(shí)際工作中應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)面室內(nèi)試驗(yàn)資料和兩種方法取值，綜合確定結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

2)經(jīng)驗(yàn)法更適用于新開挖邊坡和較穩(wěn)定邊坡的防護(hù)設(shè)計(jì)中，反算法更適用于現(xiàn)狀危險(xiǎn)滑坡治理中。

［1］鄭穎人，陳祖煜，王恭先，等.邊坡與滑坡工程治理［M］.北京:人民交通出版社，2007.

［2］任偉中，金亞兵，馮光平，等.滑(邊)坡穩(wěn)定性評(píng)估探討［J］.巖土力學(xué)，2010(7).

［3］GB 50330－2002，建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范［S］.

［4］曾 鈴，蔣中明，付宏淵.邊坡潛在滑動(dòng)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)反演研究［J］.中外公路，2011(2).

［5］童志怡.巖質(zhì)邊坡滑動(dòng)面力學(xué)參數(shù)的取值理論和方法研究［D］.北京:中國科學(xué)院研究生院，2009.

［6］鄭明新.論滑帶土強(qiáng)度特征及強(qiáng)度參數(shù)的反算法［J］.巖土力學(xué)，2003(4).