FAST臺址巨石混合體邊坡開挖穩(wěn)定性分析

閆金凱，馬 娟 ，馮 春

（1.中國地質科學院 地 質力學研究所，北京 1 00081；2.中國地質環(huán)境監(jiān)測院，北京 1 00081；3.中國科學院 力 學研究所，北京 1 00084）

0 引言

中國科學院國家天文臺“500m口徑球面射電望遠鏡”（Five hundred meters Aperture Spherical Telescope，簡稱FAST）是國家科教領導小組審議確定的國家重大科技基礎設施之一，擬采用我國科學家獨創(chuàng)的設計和我國貴州南部的喀斯特洼地的獨特地形條件，建設一個直徑500m的高靈敏度的巨型射電望遠鏡。FAST建成后將成為世界上最大口徑的射電望遠鏡，其效果圖如圖1所示。

圖1 FAST效果圖Fig.1 Schematic diagram of FAST

FAST建設項目位于貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣克度鎮(zhèn)金科村大窩凼洼地（圖2），工程場地內分布有大量的塊石堆積體（圖3），臺址開挖后塊石堆積體的穩(wěn)定性對FAST項目的建設及以后的安全運營有著重要影響。FAST臺址塊石堆積體中塊石尺寸較大，其粒徑一般在1m以上，大者可達數(shù)米或十幾米，塊石相互堆積、咬合，導致其力學性質和變形破壞特征與一般的土體和巖體有較大的差異。殷躍平［1］將此類地質體命名為“巨石混合體”，本文中也沿用這一概念。由于巨石混合體所具有的大塊石堆積的結構特性，致使對巨石混合體邊（滑）坡的穩(wěn)定性評價存在爭議。目前專門針對巨石混合體開展的研究較少，工程上通常將其作為常見的碎屑堆積體處理，沒有考慮塊石的尺寸效應對變形及力學特性的影響。

圖2 FAST臺址大窩凼洼地Fig.2 Da wo dang depression of FAST location

圖3 FAST臺址巨石混合體Fig.3 Large rock mixture in FAST location

殷躍平［1］認為對這類巨石土混合體反演所采用的內摩擦角應該比滑帶土的殘余抗剪強度試驗值高20％～30％，在考慮滑帶土性狀時，也應研究滑體結構對滑坡穩(wěn)定性的影響。李樹武、陳強等［2-3］結合堆積體的天然休止角與室內大剪試驗結果確定某堆積體的力學參數(shù)，認為可按堆石體的天然休止角作為其內摩擦角。朱彥，唐韜等［4-5］對 F AST臺址巖堆的特征進行了分析，認為堆石體的穩(wěn)定系數(shù)與安息角有關。涂國祥［6］通過大型三軸試驗對某冰水堆積體的變形及強度特性進行了研究。以上研究對巨石混合體邊（滑）坡的穩(wěn)定性評價具有一定的參考價值，但目前為止對此類巨石混合體邊（滑）坡的變形失穩(wěn)模式及穩(wěn)定性評價方法尚存在爭議，這也一定程度上影響了FAST工程的進展。

本文通過數(shù)值計算，選取典型剖面對FAST臺址巨石混合體邊坡開挖穩(wěn)定性進行研究，為FAST臺址巨石混合體及類似地質體的穩(wěn)定性評價及防治提供參考。

1 FAST臺址巨石混合體特征

1.1 成因分析

FAST臺址巨石混合體是崩塌堆積的產(chǎn)物，其形成條件主要有地質構造、地形地貌和水的作用。構造上，當斷層從場地中部呈南北向貫穿，巖層遭遇斷層強烈破壞，節(jié)理裂隙比較發(fā)育，將巖體切割成大小不一和形狀不規(guī)則的四方體，易風化剝落在山腳形成堆積體；高陡斷崖及陡壁為巨石混合體的形成提供了地貌條件；地表水沿裂隙滲入巖層，降低了巖石裂隙間的粘聚力和摩擦力，同時也增加了巖體的重量，促進了不穩(wěn)定巖體的崩塌，利于巨石混合體的形成。

圖4 FAST工程某剖面圖Fig.4 Section diagram of FAST

1.2 巨石混合體特征

由于形成時期的不同，F(xiàn)AST臺址巨石混合體自下而上分為兩種類型，類型一為密實堆積的巨石混合體（稱為D1單元），為古崩塌堆積體，上覆于基巖，結構密實。塊石成分為白云質灰?guī)r及少量含泥灰?guī)r，塊石粒徑大小懸殊，大者達3.0m×4.0m×5.0m以上，小的只有1cm×2cm×3cm左右，大小混雜，塊石含量一般在80％～90％，塊體間為粘土、碎石、角礫的混合體充填，充填物多呈膠結狀態(tài)。

類型二為表層松散堆積的巨石混合體（稱為D2單元），近期崩塌堆積形成，粒徑大小及其塊體之間的充填物以及各組份的含量與D1單元的基本相同，結構松散，上覆于D1單元，厚度2.0～7.0m不等。塊石粒徑大小不均，相差較大，最大塊石直徑大于5m。

2 巨石混合體邊坡開挖穩(wěn)定性

巨石混合體屬于堆積體的一種，目前對堆積體邊（滑）坡的穩(wěn)定性評價一般是將堆積體作為連續(xù)體來考慮，采用土質邊（滑）坡的穩(wěn)定性評價方法來進行分析。雖然對巨石混合體邊坡來講采用基于連續(xù)介質的穩(wěn)定性評價方法存在一定的不合理之處，但由于目前缺乏對這類大塊石堆積的邊坡穩(wěn)定性評價方法，且工程中需對其穩(wěn)定系數(shù)進行量化，故通常對這類巨石混合體邊坡的穩(wěn)定性評價多采用土質邊坡的穩(wěn)定性評價方法。本文分別將巨石混合體視為連續(xù)介質和離散介質，采用土質邊坡穩(wěn)定性計算方法和離散元數(shù)值模擬，對FAST臺址典型巨石混合體邊坡的穩(wěn)定性進行研究。

FAST臺址巨石混合體邊坡在開挖工況下，有可能產(chǎn)生兩種破壞形式，即深層滑移和表層塊體的失穩(wěn)，現(xiàn)分別對這兩種情況進行分析。以圖4所示的剖面為計算剖面，考慮到臺址開挖后右半部分的松散巨石混合體全部清除，因此只取左半部分的剖面進行計算。

2.1 深層滑移模式

（1）計算模型建立

松散巨石混合體與下伏膠結密實的巨石混合體之間沒有明顯的界限和軟弱面，但在松散巨石混合體內部有可能沿某一滑動面發(fā)生失穩(wěn)滑動，因此采用GEO-SLOPE軟件搜索可能的滑動面，并計算相應的穩(wěn)定系數(shù)。鑒于巨石混合體的透水性較好，本次計算不考慮水的影響。

（2）參數(shù)選取

計算過程中需確定相關的計算參數(shù)，即巨石混合體的重度、內聚力和內摩擦角。由于巨石混合體的塊石尺寸較大，采用常規(guī)的試驗方法無法進行。本文采用大型三軸剪切試驗來確定巨石混合體的相關力學參數(shù)。具體方法為：通過對現(xiàn)場巨石混合體的尺寸進行調查，得出粒徑級配曲線，采用縮尺方法（相似級配法）將塊石粒徑進行縮尺后制作試樣，再進行大型三軸剪切試驗。根據(jù)試驗結果并參考經(jīng)驗取值，本次計算采用的參數(shù)如表1所示，其中內聚力表征的是塊石堆積的咬合力。

表1 FAST臺址巨石混合體物理力學參數(shù)Table 1 Recommended physical and mechanical parameters of large rock mixture

（3）計算結果

圖5為開挖后的計算模型及所得的最危險滑動面，可知開挖后的巨石混合體邊坡，最易發(fā)生滑動的區(qū)域為上部的堆積體。表2為Janbu法、Bishop法及Morgenstern-Price法各自對應的穩(wěn)定系數(shù)。由計算結果來看，三種方法計算所得的沿最危險滑動面滑動的穩(wěn)定系數(shù)均較大，表明此剖面的邊坡在開挖后不會發(fā)生坡體內部的滑動。

圖5 計算模型及最危險滑動面Fig.5 Calculation model and the most dangerous slip surface

表2 最危險滑動面對應的穩(wěn)定系數(shù)Table 2 Stability factor of the most dangerous slip surface

2.2 坡體表面塊體失穩(wěn)模式

巨石混合體邊坡是由大塊石堆積而成，塊石之間互相鑲嵌、咬合，臺址開挖后，一部分塊石被挖走，影響了塊石的堆積狀態(tài)，有可能造成塊石的局部失穩(wěn)。因此，對圖4所示的剖面進行離散元數(shù)值模擬，研究開挖后巨石混合體邊坡的穩(wěn)定情況。

（1）計算模型建立

本次計算依據(jù)圖4所示的典型剖面建立計算模型。由于密實膠結的巨石混合體物理力學性質較好，已接近巖類，且與基巖之間沒有明顯的軟弱帶，故建模時，將基巖與密實堆積的巨石混合體視為連續(xù)介質，松散堆積的巨石混合體設為離散介質。

本次計算采用三角形單元，由于軟件的限制無法實現(xiàn)塊石尺寸與實際調查所得的實際塊石尺寸及粒徑級配相符，故生成單元時采用了代表粒徑。即根據(jù)調查所得的塊石粒徑分布情況，通過以下公式計算塊石的代表粒徑ˉD：

式中：pi——粒徑di的塊石重量占總重量的百分數(shù)。

經(jīng)計算得此剖面處巨石混合體的代表粒徑為1.8m，建模時塊體單元尺寸以1.8m為基準進行網(wǎng)格劃分。

圖6為開挖前的計算模型，圖7為開挖后的計算模型，在開挖模型上選取四個測點監(jiān)測位移變化情況。

圖6 開挖前計算模型Fig.6 Calculation model before excavation

圖7 開挖后計算模型Fig.7 Calculation model after excavation

（2）計算結果

由圖8所示的位移云圖得知，開挖后巨石混合體邊坡發(fā)生變形的部位主要為上部較陡的區(qū)域，下部坡度較緩的區(qū)域變形較小。其變形失穩(wěn)模式與土質滑坡不同，不是沿邊坡內部的某一滑面發(fā)生滑動，而是表層的塊體在開挖后由于失去支撐而發(fā)生變形，再導致與其相接觸的后部塊體的變形，塊體變形模式以翻滾、滑移為主。其原因在于，由于巨石混合體中塊石互相鑲嵌、堆積，咬合作用較強，且上部松散的巨石混合體與下部密實巨石混合體之間沒有軟弱夾層，所以不易在坡體內部發(fā)生滑動。開挖時，表層的塊體被挖走，導致其后部原本與其相接觸的塊體失去支撐，在重力作用下發(fā)生變形，重新進行堆積。從圖9所示的各測點的位移曲線來看，幾個測點的位移先增大，而后逐漸趨于平穩(wěn)，也即塊石經(jīng)過重新堆積后又逐漸趨于穩(wěn)定，說明這類巨石混合體具有一定的自穩(wěn)性。

圖8 開挖后位移云圖Fig.8 Displacement results after excavation

圖9 測點位移曲線Fig.9 Displacement variation curve of monitoring points

3 結論

通過對FAST臺址巨石混合體邊坡兩種可能的變形失穩(wěn)模式進行研究，主要取得了以下認識：

（1）巨石混合體塊石之間互相咬合的特性導致其抗剪強度參數(shù)較高，本文選取的計算剖面不會發(fā)生坡體內部的滑動。

（2）FAST臺址開挖后容易發(fā)生失穩(wěn)的部位為邊坡上部較陡的區(qū)域，失穩(wěn)模式是表層塊體的翻滾、滑移變形。

（3）塊體運動過程中重新堆積，具有一定的自穩(wěn)性。

本文只對FAST臺址某一剖面進行了分析，對于其它部分的巨石混合體邊坡可采用同樣的方法進行計算分析，從而為FAST臺址巨石混合體邊坡的開挖穩(wěn)定性評價及防治提供參考。

致謝：本文在寫作過程中引用了貴州省建筑工程勘察院的相關勘察資料，特此致謝!

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