陡緩節(jié)理切割形成的平面滑移型危巖穩(wěn)定性分析

王志勇（中鐵第四勘察設(shè)計研究院集團有限公司，湖北武漢　430063）

3　參數(shù)敏感性分析

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陡緩節(jié)理切割形成的平面滑移型危巖穩(wěn)定性分析

王志勇
（中鐵第四勘察設(shè)計研究院集團有限公司，湖北武漢430063）

摘要通過建立以陡、緩2組節(jié)理切割形成的危巖體平面滑移失穩(wěn)模式的工程地質(zhì)模型，分析典型失穩(wěn)模式的特征，并結(jié)合靜力平衡分析和數(shù)值模擬的方法研究節(jié)理傾角、邊坡坡角、裂隙水深度、結(jié)構(gòu)面強度等因素對危巖體穩(wěn)定性的影響，為危巖體崩塌成災(zāi)預(yù)判和危險性預(yù)估評價提供依據(jù)。研究結(jié)果表明:影響圍巖穩(wěn)定性的敏感因素由大到小依次為裂隙水、內(nèi)摩擦角、坡角、陡傾角、緩傾角和黏聚力。

關(guān)鍵詞危巖；節(jié)理；平面滑動；傾覆滾動

我國2 /3以上的國土面積為山區(qū)，是受危巖崩塌災(zāi)害最嚴重的國家之一。如福建省屬主要的山地地區(qū)，強大和活躍的構(gòu)造運動以及氣候濕熱交替循環(huán)劇烈，風化等作用強烈，導(dǎo)致構(gòu)造裂隙發(fā)育［1］。由不同產(chǎn)狀、深度、張開程度和密集程度的節(jié)理切割構(gòu)成的潛在崩塌體（危巖）直接威脅公路、鐵路、航道的安全運營。其中以陡緩節(jié)理切割形成的危巖體平面滑移失穩(wěn)模式最為常見。本文針對典型的工程地質(zhì)模型，結(jié)合危巖失穩(wěn)破壞機理，以平面滑移破壞模式為例評價危巖的穩(wěn)定性。

國內(nèi)外對危巖的大量研究主要集中在危巖分類、穩(wěn)定性分析方法、防治措施、失穩(wěn)后運動路徑等方面。文獻［2］采用灰色聚類法，同時結(jié)合可靠性理論和時序分析方法對危巖體穩(wěn)定性進行綜合評價。文獻［3］把非線性科學引入巖體穩(wěn)定性的定量評價中。文獻［4］基于三峽及西部地區(qū)的危巖崩塌實際情況開展危巖崩塌演化理論及防治實踐研究。較早期的文獻［5］按崩塌的形成機理把危巖體的破壞模式分為5類：傾倒式崩塌、滑移式崩塌、鼓脹式崩塌、拉裂式崩塌和錯斷式崩塌。由于崩塌問題的復(fù)雜性、不確定性及突發(fā)性，穩(wěn)定性評價方面仍處在定性、半定量的階段，并且缺乏對工程地質(zhì)條件與節(jié)理巖體形成對應(yīng)關(guān)系的研究。因此本文針對性地利用極限平衡和數(shù)值模擬的方法定量分析由陡緩2組節(jié)理切割形成的危巖穩(wěn)定性，并依據(jù)典型工程地質(zhì)模型探討邊坡傾角、陡緩節(jié)理產(chǎn)狀、裂隙水發(fā)育深度、黏聚力、內(nèi)摩擦角等影響參數(shù)的敏感性。

1危巖穩(wěn)定性的影響因素

危巖穩(wěn)定性影響因素主要包括研究區(qū)域地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖體結(jié)構(gòu)特征、風化卸荷特征、地震、氣象與水文地質(zhì)條件、巖體物理力學性質(zhì)、人工開挖等［6-7］。其中降雨、地震和人工開挖為外部誘導(dǎo)因素。依據(jù)主要影響因素總結(jié)了典型的危巖平面滑移失穩(wěn)破壞模式特征，見表1。

表1　危巖平面滑移失穩(wěn)破壞模式特征

2工程地質(zhì)模型及力學分析

滑移式崩塌在坡體上存在后緣陡傾的節(jié)理和緩傾于坡體向下的結(jié)構(gòu)面或軟弱面，雨水入滲巖體裂隙進一步軟化結(jié)構(gòu)面，2組節(jié)理逐漸貫通，產(chǎn)生了不穩(wěn)定的危巖體，在重力、動靜水壓力的綜合作用下滑移，直至重心滑移出坡體導(dǎo)致崩塌發(fā)生。

根據(jù)常見地質(zhì)狀況采用圖1所示平面滑移分析模型。

圖1　平面滑移分析模型

圖1中α為模型邊坡傾角，β1，β2分別為陡、緩節(jié)理傾角，Z為裂隙深度，H為危巖塊體高度。陡緩2組節(jié)理一組是沿邊坡后緣由于構(gòu)造應(yīng)力、裂隙水及人工開挖等作用引起局部產(chǎn)出剪切錯動和拉裂的陡傾構(gòu)造節(jié)理或風化卸荷裂隙；另一組是順坡體向下緩傾的巖層面或夾層在地下水、大氣降雨、氣溫等風化營力作用下，逐漸軟化甚至發(fā)生泥化形成的軟弱結(jié)構(gòu)面，常見于傾斜層狀巖體邊坡中?；瑒用婕皬埩芽p的走向平行于坡面。張裂縫是陡傾的，水沿張裂縫的底部進入滑動面并沿滑動面滲透，在大氣壓力下沿滑動面的出露處流出。

依據(jù)圖1進行力學分析。安全系數(shù)K表示為

式中：c為結(jié)構(gòu)面黏聚力標準值；φ為結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角標準值；L為滑動面長度（每單位寬度內(nèi)面積）；V為裂縫水壓力；U為軟弱結(jié)構(gòu)面上的揚壓力；W為危巖體自重；P為地震力作用，P = Wn，n為地震系數(shù)（據(jù)地震烈度查表）。

有關(guān)計算公式為

當張裂縫位于坡頂面上時

當張裂縫位于坡面上時

式中：γw為浮重度，取10 kN/m；Zw為裂隙充水深度，天然狀態(tài)下取裂隙深度的1 /3，暴雨狀態(tài)下取裂隙深度的2 /3。

3參數(shù)敏感性分析

利用rocplane程序進行危巖穩(wěn)定性分析時主要考慮以下影響因素：①邊坡傾角α；②主控結(jié)構(gòu)面陡、緩節(jié)理傾角β1和β2；③裂隙充水深度Zw；④結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c。

設(shè)置坡高為60 m，其他基本參數(shù)不變，分析α，β，γ，c和Zw與安全系數(shù)K之間的相互關(guān)系。模擬時Zw通過裂隙水深度所占裂隙深度的百分比來反應(yīng)，其值取60％時近似于暴雨工況下的裂隙水深度所占比例。模型所選用的參數(shù)見表2，此時結(jié)構(gòu)面內(nèi)φ取30°，c取30 kPa。

表2　數(shù)值模擬參數(shù)取值

在考慮裂隙水作用的情況下，安全系數(shù)-坡角關(guān)系曲線見圖2。隨著陡傾節(jié)理傾角的減小，安全系數(shù)對坡角變化的敏感性增大，坡角越大，陡傾角越小，安全系數(shù)越?。ㄒ妶D2（a））；緩傾節(jié)理傾角從15°增大到25°，穩(wěn)定性對坡角變化的敏感性不大，緩傾角越大，坡角越大，安全系數(shù)越小，但緩傾角達到30°時，坡角變化對穩(wěn)定性的影響急劇增大（見圖2（b））。據(jù)此得到，陡傾角越小，緩傾角越大，穩(wěn)定性對坡角的變化越敏感。

安全系數(shù)-緩傾角關(guān)系曲線見圖3。當緩傾角≤20°時，坡角的變化不影響安全性；當超過20°時，緩傾角越大，坡角越大，對穩(wěn)定性的影響越大，安全系數(shù)越??；在坡角達到35°時，隨著緩傾角的增大，安全系數(shù)有先減小后增大的趨勢，轉(zhuǎn)折點在緩傾角25°處（見圖3（a））；當緩傾角在5°～15°時，陡傾角對安全系數(shù)影響較大，但均處在穩(wěn)定范圍，當緩傾角增大時，陡傾角變化對安全系數(shù)影響較小，均處在較不穩(wěn)定狀態(tài)（見圖3（b））。據(jù)此得到，當緩傾角較大時，成組的陡傾角對穩(wěn)定性影響不大，當坡角與緩傾角較為接近時巖體較穩(wěn)定。

安全系數(shù)-陡傾角關(guān)系曲線見圖4。坡角＜35°，陡傾角變化對穩(wěn)定性影響較小且均處在穩(wěn)定狀態(tài)，坡角越大，陡傾角越小，穩(wěn)定性越低，敏感性越強（見圖4（a））；緩傾角＜15°時，巖體穩(wěn)定性對陡傾角變化的敏感性較大，但處在穩(wěn)定狀態(tài)；緩傾角越大安全系數(shù)越小，對陡傾角變化的敏感性也越?。ㄒ妶D4（b））。據(jù)此得到，坡角超過35°時安全系數(shù)受陡傾角的影響較大，緩傾角超過15°之后，危巖處于不穩(wěn)定狀態(tài)，受陡傾角變化的影響不大。

圖2　安全系數(shù)-坡角關(guān)系曲線

圖3　安全系數(shù)-緩傾角關(guān)系曲線

圖4　安全系數(shù)-陡傾角關(guān)系曲線

圖5　安全系數(shù)-裂隙水深度關(guān)系曲線

安全系數(shù)-裂隙水深度關(guān)系曲線見圖5。坡角超過35°之后穩(wěn)定性對裂隙水深度較為敏感；陡傾角變化時穩(wěn)定性對裂隙水深度較為敏感；緩傾角越大安全系數(shù)越小，對裂隙水深度變化的敏感性越小。

分析危巖體黏聚力對穩(wěn)定性的影響時，不考慮裂隙水作用。黏聚力取30 kPa，坡角取45°。緩傾角取15°，20°，25°和30°，陡傾角取60°，90°和110°，內(nèi)摩擦角取10°～45°。分析危巖體內(nèi)摩擦角對穩(wěn)定性影響時，內(nèi)摩擦角取30°，黏聚力取10～50 kPa。

不同緩傾角和陡傾角條件下，安全系數(shù)與黏聚力、內(nèi)摩擦角的關(guān)系曲線分別見圖6、圖7。緩傾角變化對危巖整體穩(wěn)定性的影響相對于陡傾角更大；隨著緩傾角增大，穩(wěn)定性減弱；隨著黏聚力逐漸增大安全系數(shù)的變化率基本保持一致；緩傾角越低，安全系數(shù)對內(nèi)摩擦角的變化越敏感；陡傾角變化對危巖體穩(wěn)定性變化趨勢影響很小。

依據(jù)以上分析并結(jié)合危巖體穩(wěn)定性判別標準（見表3）可知，坡角35°的危巖體處于穩(wěn)定狀態(tài)，坡角45°的危巖體基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。坡角55°，60°的危巖體的穩(wěn)定性分別見表4、表5。

圖6　安全系數(shù)-黏聚力關(guān)系曲線

圖7　安全系數(shù)-內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線

表3　平面滑移模式危巖體穩(wěn)定性判別標準

表4　坡角55°危巖體的穩(wěn)定性

表5　坡角65°危巖體的穩(wěn)定性

4　結(jié)論與建議

本文結(jié)合工程經(jīng)驗對平面滑移模式的野外判別特征進行了分析，從巖體巖性、巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況、地形地貌條件、結(jié)構(gòu)體形式、主要受力狀態(tài)及失穩(wěn)后的運動模式等方面總結(jié)了其特點，可據(jù)此在工程勘察初期對危巖體崩塌災(zāi)害的可能性進行預(yù)估。此外，利用極限平衡法，基于對陡緩傾節(jié)理切割危巖體的力學分析，給出了安全系數(shù)計算公式，并計算分析了陡緩傾節(jié)理角度對安全系數(shù)的影響。主要結(jié)論如下：

1）影響危巖穩(wěn)定性的敏感因素由大到小依次為裂隙水、內(nèi)摩擦角、坡角、陡傾角、緩傾角和黏聚力。

2）坡角越大，陡傾角越小，安全系數(shù)越??；坡角越大，緩傾角越大，安全系數(shù)越小；隨著裂隙水深度增大，緩傾角和坡角越大，安全系數(shù)越小，陡傾角越小安全系數(shù)越?。浑S著內(nèi)摩擦角的減小，緩傾角越大，安全系數(shù)越小。

建議在實際工程應(yīng)用中，首先依據(jù)平面滑移模式的失穩(wěn)特征對致災(zāi)的可能性和破壞力進行預(yù)估，并將極限平衡法安全系數(shù)計算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相結(jié)合得出對危巖體穩(wěn)定性的準確判斷。

參考文獻

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（責任審編李付軍）

Stability Analysis on Dangerous rock of Plane Sliding Mode Formed by Cutting of Steep or Gentle Joints

WANG Zhiyong
（China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430063，China）

AbstractT he engineering geological model of plane-sliding rock cut by steep and gentle joints was established to analyze the characteristics of typical rock unstable modes. Combined with the static equilibrium analysis and numerical simulation method，influence of joint angles，slope angle，fissure water depth，structure surface strength and other factors on the stability of rock was studied. T he results show that the sensitive factors from large to small in turn were fissure water depth，internal friction angle，slope angle，steep joint angle，gently joint angle and cohesion. T he research results provide effective support for possibility prediction and hazard pre-assessment on collapse of dangerous rock.

Key wordsDangerous rock；Joint；Plane sliding；Overturning；rolling

中圖分類號U216. 41+5

文獻標識碼A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 31

文章編號：1003-1995（2016）06-0116-05

收稿日期：2016-01-13；修回日期：2016-03-07

作者簡介：王志勇（1971—），男，高級工程師，碩士。