基坑高陡巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析

艾 昕,謝俊杰

(1.甘肅交建項目管理有限公司,蘭州 730000; 2.福建省閩武長城巖土工程有限公司,福州350000)

0 引言

隨著人們對礦產(chǎn)資源的不斷開發(fā)及利用,礦區(qū)產(chǎn)生了諸多高陡巖質(zhì)邊坡。巖質(zhì)邊坡由各類巖體及結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)組成,坡體巖性、巖體結(jié)構(gòu)、地下水等因素都會影響其穩(wěn)定性狀態(tài)。巖質(zhì)邊坡災(zāi)害具有隱蔽性、突發(fā)性、破壞性強(qiáng)及防治難度大等特點[1]。近年來,巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評價與安全治理已成為工程領(lǐng)域的研究重點。

目前,對于巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的研究主要分為定量與定性分析法[2]。定性分析法(如工程地質(zhì)類比法)是根據(jù)相關(guān)的地勘資料、現(xiàn)場調(diào)查及工程經(jīng)驗對巖質(zhì)邊坡進(jìn)行分析,但存在精度不高問題。定量分析法主要通過極限平衡原理計算,但該方法難以合理判定巖體隨開挖時間變化出現(xiàn)的薄弱部位、滑動面位置、滑動面剪切強(qiáng)度等問題[3-5]。

以長沙某高陡巖質(zhì)邊坡為研究對象,將赤平投影法、數(shù)值計算軟件Phase2及Slide相結(jié)合,判斷邊坡的穩(wěn)定性,分析邊坡破壞模式,計算邊坡支護(hù)結(jié)果,得出高陡巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析思路及治理方法,為類似分析治理提供技術(shù)參考。

1 巖體結(jié)構(gòu)特征

該場地為石灰?guī)r采場遺留礦坑形成的高陡巖質(zhì)邊坡,擬治理BC區(qū)段,邊坡寬度約25 m,高度35～39 m,坡角55°～76°?，F(xiàn)場調(diào)查坡體存在較多節(jié)理裂隙,層理面十分明顯。邊坡現(xiàn)狀如圖1所示。

根據(jù)現(xiàn)場實地調(diào)查,將BC段高陡邊坡坡面產(chǎn)狀匯總?cè)绫?所示。

由表1結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀信息判斷可知,該段邊坡巖層層面順傾,邊坡可能產(chǎn)生沿巖層層面的平面滑動。結(jié)合勘察信息、室內(nèi)試驗及經(jīng)驗參數(shù),邊坡巖土物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)如表2所示。

2 穩(wěn)定性分析與評價

2.1 赤平投影分析

對于巖質(zhì)邊坡,其穩(wěn)定性主要受結(jié)構(gòu)面控制,基于赤平投影技術(shù)對結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀進(jìn)行研究,是對巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行定性評價的主要手段[6]。

根據(jù)野外實測結(jié)構(gòu)面資料,采用赤平投影分析來定性評價邊坡的穩(wěn)定性。根據(jù)現(xiàn)場工程經(jīng)驗,巖質(zhì)邊坡平面滑動的破壞判定通常認(rèn)為只有在與邊坡傾向夾角在±20°范圍內(nèi)時有可能發(fā)生。將邊坡結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀繪制在赤平投影圖上,結(jié)果如圖2。

由圖2可以看出,層理與邊坡面傾向相同,且層面L的傾角48°小于邊坡面P的傾角55°,易發(fā)生平面滑動破壞。裂隙L1與裂隙L2及邊坡大角度相交,對邊坡穩(wěn)定性影響較小。裂隙L1與裂隙L2分別與層理L及坡面P相交,L與L2兩結(jié)構(gòu)面的組合交線OE位于結(jié)構(gòu)傾向線OA及OB之間,兩結(jié)構(gòu)面均為滑動面,可能發(fā)生雙平面滑動,OE為滑動方向,故初步判斷該邊坡為平面滑動破壞。

2.2 數(shù)值模擬分析

結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查及赤平投影分析,利用數(shù)值模擬軟件Phase2,對巖質(zhì)邊坡變形發(fā)展趨勢與支護(hù)結(jié)果進(jìn)行模擬分析,從而對邊坡進(jìn)行治理[7-8]。

研究思路如下:結(jié)合主應(yīng)力σ1跡線,考慮邊坡的歷史應(yīng)力發(fā)展確定應(yīng)力松弛范圍,根據(jù)邊坡穩(wěn)定狀態(tài),對邊坡潛在的滑動面進(jìn)行參數(shù)反演及邊坡支護(hù),計算穩(wěn)定性系數(shù)。

2.2.1 應(yīng)力松弛區(qū)劃分

礦坑開挖使周圍巖體卸荷,導(dǎo)致巖體應(yīng)力重分布,坡體淺層產(chǎn)生應(yīng)力松弛。開挖過程中,土體受力狀態(tài)改變,部分巖層暴露在空氣中,原有結(jié)構(gòu)被破壞并重新排列,造成錯動及位移。這些變形釋放了土體內(nèi)部原有的應(yīng)力,使邊坡周圍土體中的應(yīng)力下降,尤其是高陡邊坡更加明顯。該區(qū)域的土體密度及強(qiáng)度發(fā)生降低甚至大幅減少,對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響,故判斷應(yīng)力松弛區(qū)域?qū)r質(zhì)邊坡支護(hù)具有重要意義[12]。

不考慮該段邊坡采空區(qū)的影響,僅對上部巖體進(jìn)行穩(wěn)定性分析。在Phase2中,分9個時步模擬礦坑開采過程,將礦坑邊坡現(xiàn)狀與未開挖前初始狀態(tài)的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行比對,結(jié)合邊坡主應(yīng)力增量計算云圖判定應(yīng)力松弛區(qū)分布范圍,如圖3所示。由圖3可知,整個圈內(nèi)即為該邊坡開挖后應(yīng)力松弛區(qū)較為集中的區(qū)域,Δσ1值為-100～0 kPa,主要分布在該邊坡上部區(qū)域。提取圖3中2號線的Δσ1數(shù)值,繪制Δσ1隨距離變化的曲線圖,如圖4。

圖3 BC段邊坡Δσ1增量圖Fig.3 Delta Δσ1 of the BC section slope

從圖4中Δσ1值隨邊坡坡面至坡體距離增加而變化的曲線可見,2#線的應(yīng)力松弛區(qū)根據(jù)曲線變化速率大致可分為兩個區(qū)間:18～30 m為應(yīng)力松弛漸變區(qū),即Δσ1向正值緩慢增加區(qū)段。0～18 m為應(yīng)力松弛顯著區(qū),即Δσ1值由負(fù)值快速下降區(qū)段[8]。

2.2.2 潛在滑動面判定

根據(jù)邊坡天然狀態(tài)下的邊坡坡角、結(jié)構(gòu)面分布、邊坡松弛區(qū)范圍模擬結(jié)果、邊坡現(xiàn)狀踏勘穩(wěn)定狀態(tài)特征,對該段邊坡進(jìn)行綜合分析評價,判定為雙平面滑動破壞?；瑒用嫖恢萌鐖D5所示。

圖5 現(xiàn)狀邊坡潛在滑動面工程地質(zhì)模型Fig.5 Engineering geological model of potential sliding surface of the slope

2.2.3 邊坡現(xiàn)狀參數(shù)反演

結(jié)合現(xiàn)場勘察信息、赤平投影圖及工程經(jīng)驗,綜合判定該區(qū)段巖質(zhì)邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

應(yīng)用Slide軟件對現(xiàn)狀邊坡進(jìn)行參數(shù)反演。選擇Bishop計算方法計算1000次,對于潛在滑動面按照0.5 m薄層建立模型?，F(xiàn)階段邊坡安全狀態(tài)為基本穩(wěn)定狀態(tài),以穩(wěn)定性系數(shù)為1.10左右進(jìn)行反演分析。

邊坡現(xiàn)狀穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果如圖6所示,穩(wěn)定性系數(shù)為1.096。按照現(xiàn)行規(guī)范要求,邊坡穩(wěn)定性系數(shù)應(yīng)大于1.35,故需采取措施對其進(jìn)行支護(hù)。

圖6 BC段邊坡現(xiàn)狀穩(wěn)定性計算結(jié)果Fig.6 Calculation results of present stability of BC section slope

3 邊坡支護(hù)穩(wěn)定性評價

根據(jù)邊坡現(xiàn)狀應(yīng)力松弛區(qū)分布情況及潛在的破壞機(jī)制,對其進(jìn)行加固處理。對上部巖體按照1∶0.5進(jìn)行淺表層刷方并采用系統(tǒng)錨桿予以支護(hù),其余巖體部分保持天然狀態(tài),支護(hù)措施采用錨桿十字板支護(hù)技術(shù)。

計算結(jié)果如圖7所示。治理后的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.392,滿足現(xiàn)行規(guī)范中一級建筑邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)≥1.35的要求。由圖7可見,采用上述方案進(jìn)行支護(hù),邊坡穩(wěn)定性系數(shù)提升較多,加固后的邊坡處于安全狀態(tài),證明該方案是有效可行的。

圖7 邊坡治理后穩(wěn)定性評價Fig.7 Stability evaluation of slope after treatment

4 結(jié)論

結(jié)合赤平投影、極限平衡法及有限元法,對長沙某礦坑巖質(zhì)邊坡進(jìn)行分析評價,得到結(jié)論如下:該巖質(zhì)邊坡破壞機(jī)制為沿不利結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生雙平面滑動破壞的模式。礦坑開挖后,巖質(zhì)邊坡存在應(yīng)力松弛區(qū)與集中區(qū),應(yīng)力松弛區(qū)位于在坡面中上部,應(yīng)力集中區(qū)位于坡腳。在雙平面滑動巖質(zhì)邊坡治理中采用預(yù)應(yīng)力錨桿進(jìn)行支護(hù),能夠顯著提升邊坡穩(wěn)定性系數(shù),有效治理邊坡。