基于赤平極射投影法的高切坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

基于赤平極射投影法的高切坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

0加固煤系地層高切坡的難點(diǎn)隨著西部的快速發(fā)展，西南和西北地區(qū)的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)正在不斷改善和完善。其中道路建設(shè)方面尤為顯著,如重慶市將在“十一五”期間投資1120億元從事道路交通建設(shè)與改造。在道路的建設(shè)過程中往往要穿越崇山峻嶺,會(huì)經(jīng)常遇到高填深挖工程,這樣,給工程設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)了較大的難度,特別是道路需要穿過煤系地層等含軟弱夾層的地段時(shí),開挖形成的高切坡其穩(wěn)定性是難以確定的。為了使高切坡在施工和營(yíng)運(yùn)過程中保持穩(wěn)定,科研工作者一般采用了增大安全系數(shù)法來(lái)加固坡體,但是此法使工程材料造成了一定的浪費(fèi),怎樣來(lái)優(yōu)化加固煤系地層高切坡,已經(jīng)成為眾多專家和學(xué)者致力解決的問題。建設(shè)中的兩巫二級(jí)公路(巫山—巫溪)將穿過重慶市巫山縣和巫溪縣,區(qū)域內(nèi)地形地貌復(fù)雜,歷史上曾多次發(fā)生大型山體滑坡、泥石流等自然災(zāi)害;巖石和土體的類型多種多樣,巖體節(jié)理十分發(fā)育,給工程設(shè)計(jì)施工帶來(lái)了一定難度。該公路K90+310~K90+370段將通過煤系地層,最高反傾高切坡達(dá)64m,筆者以此段高切坡作為研究對(duì)象,運(yùn)用赤平極射投影法和有限元數(shù)值模擬,進(jìn)行高切坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。1地層及含礦地層工程所在地山體發(fā)育,屬侵蝕低山斜坡地貌。地勢(shì)總體上南西高北東低,地面高程439.00~517.00m,相對(duì)高差78m,地形起伏較大,斜坡灌木發(fā)育,無(wú)地表水體出露。本區(qū)屬朝陽(yáng)-官陽(yáng)背斜南翼,以單斜構(gòu)造為主,未發(fā)現(xiàn)斷層及次級(jí)褶皺。場(chǎng)地基巖巖層產(chǎn)狀181°~215°∠19°~22°。斜坡巖體內(nèi)主要發(fā)育4組裂隙:①組:產(chǎn)狀42°~48°∠65°~85°,延展2.50~4.00m;②組:產(chǎn)狀71°~78°∠70°~81°,延展3.00~4.00m;③組:產(chǎn)狀313°~324°∠62°~81°,延展3.00~4.20m;④組:產(chǎn)狀13°~15°∠81°~84°,延展3.00~4.00m。4組裂隙間距0.30~0.50m,張開,裂面平直,黏性土充填。從地勘資料可知,場(chǎng)地內(nèi)出露地層主要為第四系人工填筑土(Q4me)、第四系殘坡積碎石土(Q4el+dl)和下伏基巖組成,下伏基巖主要為三疊系上統(tǒng)須家河組砂巖(T3xj)、泥巖互層夾煤層和三疊系中統(tǒng)巴東組(T2b)泥灰?guī)r、碳質(zhì)角礫巖組成。其中煤夾層呈黑色,一般厚度較小,以薄夾層或透鏡體型式出現(xiàn)(圖1)。2大量伊利石形成的地質(zhì)意義該段高切坡一個(gè)顯著的特點(diǎn)就是含有煤夾層,且其厚度不均,從鉆孔資料來(lái)分析,該高切坡主要含有兩個(gè)煤夾層,煤夾層厚度一般為薄至極薄層狀,或呈透鏡狀分布,最厚處為3.4m。煤夾層巖性較軟,且含有大量伊利石,具有干裂、吸水性強(qiáng)、遇水膨脹軟化,其結(jié)構(gòu)易破壞而喪失強(qiáng)度等特點(diǎn),在水和其它外營(yíng)力作用下易形成具隔水、含水和強(qiáng)度低等特點(diǎn)的軟弱帶,這種作用對(duì)高切坡的穩(wěn)定很不利,容易造成應(yīng)力變異,巖體變形。高切坡形成后,由煤夾層、碳質(zhì)泥巖的煤系地層將在坡中位置出露,因強(qiáng)度不足,坡中處煤夾層將有被側(cè)向擠出的趨勢(shì),引起上部砂巖處于拉—張狀態(tài),當(dāng)拉力超過到砂巖的抗拉強(qiáng)度時(shí),則高切坡將失穩(wěn)。由于工程所在地雨量充沛,降雨集中,地表水將沿著地表裂縫滲入坡體,導(dǎo)致煤系地層的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)一步弱化,致使坡體因強(qiáng)度不足而產(chǎn)生坍滑變形,從而引起整個(gè)高切坡的變形破壞。3高切坡設(shè)計(jì)特點(diǎn)目前,此段高切坡尚未大面積開挖,設(shè)計(jì)坡角線呈弧形,線路設(shè)計(jì)高程427.99~429.38m,地面高程為438.20~463.55m,線路高程遠(yuǎn)低于原地面高程,線路埋深11.00~34.00m。施工后,高切坡高度為10.00~64.00m,坡向?yàn)?33°~49°,平面線型處于曲線段。勘察單位建議開挖坡率采用:土層1∶1.25,強(qiáng)風(fēng)化層1∶1.00,弱風(fēng)化砂巖層按1∶0.50,其他弱風(fēng)化層按1∶0.75。則根據(jù)此開挖坡率,利用赤平極射投影法和有限元數(shù)值模擬對(duì)高切坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。3.1結(jié)構(gòu)面宏觀穩(wěn)定性分析赤平極射投影法是工程實(shí)際中常用來(lái)分析巖質(zhì)高切坡整體穩(wěn)定性的圖解法之一。它能反映高切坡巖體中的結(jié)構(gòu)面分布規(guī)律和相互組合狀況,能表示巖體中結(jié)構(gòu)面數(shù)量、產(chǎn)狀及其相互的組合關(guān)系。該方法可以進(jìn)行巖質(zhì)高切坡破壞體形態(tài)、失穩(wěn)滑動(dòng)方向和穩(wěn)定程度的分析評(píng)價(jià)。從地勘資料統(tǒng)計(jì)分析得到K90+310~K90+370左線高切坡巖體中4組主控結(jié)構(gòu)面為L(zhǎng)X1、LX2、LX3、LX4,分別采用赤平極射投影法進(jìn)行主控結(jié)構(gòu)面與高切坡面、層理面進(jìn)行組合,以此組合關(guān)系和特征為依據(jù),對(duì)K90+310~K90+370左線高切坡的穩(wěn)定性進(jìn)行定性分析評(píng)價(jià)。根據(jù)切坡面及坡體內(nèi)巖體主控結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀,以K90+340和K90+360兩個(gè)典型剖面為例,作赤平極射投影圖(圖2~圖3)。由圖2可知:巖層產(chǎn)狀較緩,反傾,對(duì)高切坡穩(wěn)定性影響小。高切坡若直立開挖,在K90+340剖面處,LX1裂隙與高切坡呈小角度相交為順層結(jié)構(gòu)面,但裂隙傾角較陡,若按1∶0.50坡率放坡之后,裂隙傾角陡于坡腳,對(duì)高切坡的穩(wěn)定性影響小;LX2和LX3裂隙切割成楔型體,交線產(chǎn)狀為14°∠63°,與高切坡呈小角度相交,若按1∶0.50坡率放坡開挖后基本上與交線傾角一致,可能發(fā)生楔型滑動(dòng)。由圖3可知,巖層產(chǎn)狀較緩,反傾,對(duì)高切坡穩(wěn)定性影響較小,LX1裂隙與高切坡呈小角度相交為順層結(jié)構(gòu)面,但裂隙傾角較陡,若按1∶0.5坡率放坡之后,裂隙傾角陡于坡角,對(duì)高切坡的穩(wěn)定性影響小;LX2和LX4可能在高切坡上形成楔型體。3.2反傾巖質(zhì)高切坡穩(wěn)定性的計(jì)算分析有限單元法(FEM)是巖質(zhì)高切坡穩(wěn)定性的數(shù)值分析計(jì)算法中使用較為廣泛的一種,不論是理論基礎(chǔ),還是實(shí)踐應(yīng)用和經(jīng)驗(yàn)都比較成熟。因此,采用有限元法(FEM)對(duì)K90+310~K90+370段反傾巖質(zhì)高切坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析是適宜的。本文利用美國(guó)大型有限元計(jì)算軟件ANSYS來(lái)進(jìn)行分析。3.2.1儲(chǔ)細(xì)砂巖3.20m、細(xì)砂巖3.本次計(jì)算是以此段高切坡典型剖面K90+360為例,根據(jù)鉆探資料可知,巖層從表及里分別為:細(xì)砂巖(3.80m)、煤層(0.50m)、細(xì)砂巖(3.20m)、粉砂質(zhì)泥巖(0.70m)、細(xì)砂巖(5.60m)、煤層(1.50m)、細(xì)砂巖(3.70m)、粉質(zhì)泥巖(2.33m)、細(xì)砂巖(20.12m)碳質(zhì)角礫巖(7.26±m(xù))(圖1)。計(jì)算模型與實(shí)際比例為1∶1,其計(jì)算模型見圖4,x方向(垂直與道路中心線)范圍為225.28m,y向(垂直于公路)范圍為199.38m,總節(jié)點(diǎn)數(shù)為2762個(gè),四邊形單元數(shù)為2596個(gè)。3.2.2義miso屈服準(zhǔn)則本文計(jì)算所采用的是理想彈塑性模型,ANSYS程序中是采用廣義Mises屈服準(zhǔn)則,即我們通常所說的Drucker-Prager準(zhǔn)則,計(jì)算時(shí)模型底部為全部約束,左右為法向約束。所用巖體力學(xué)參數(shù)均來(lái)自《勘察報(bào)告》的建議值和工程類比值(表1)。3.2.3高切坡破壞模式利用ANSYS軟件中的殺死單元法,根據(jù)施工順序分2個(gè)階段來(lái)開挖,計(jì)算分3次來(lái)完成,第1次計(jì)算擬開挖路段巖體在重力作用下的彈性變形和應(yīng)力,作為初始狀態(tài)(圖5);第2次是計(jì)算第1階段開挖高切坡的應(yīng)力調(diào)整和位移變化情況;第3次是計(jì)算高切坡形成后但未加支護(hù)的情況下坡體的應(yīng)力、位移最終形成情況,以來(lái)分析坡體的穩(wěn)定性。高切坡一旦開挖,坡內(nèi)應(yīng)力由于卸荷作用就會(huì)重新調(diào)整,使得坡體應(yīng)力釋放,釋放應(yīng)力的過程中會(huì)引起坡體往凌空面方向產(chǎn)生位移,從第1階段開挖結(jié)果來(lái)看,坡體水平方向和豎直方向的位移最大值主要是出現(xiàn)在坡頂殘坡積碎石土層和煤夾層位置(圖6~圖7)。坡內(nèi)應(yīng)力得到一定的釋放,且在開挖坡表局部區(qū)域出現(xiàn)拉應(yīng)力現(xiàn)象(圖8)。從第2階段開挖情況來(lái)看(圖9~圖10),最大的塑性變形區(qū)出現(xiàn)在含煤夾層位置。從塑性區(qū)來(lái)看該高切坡不會(huì)出現(xiàn)從坡腳出現(xiàn)剪切破壞情況,但由于開挖后,煤夾層出現(xiàn)壓裂破壞,能使坡體后沿巖體出現(xiàn)拉-裂破壞。同時(shí)高切坡第3~5級(jí)臺(tái)階可能出現(xiàn)剪切破壞。從以上模擬結(jié)果、結(jié)合高切坡地質(zhì)條件分析可以推斷此高切坡破壞模式主要是壓裂破壞。在高切坡開挖前,巖體處于受壓狀態(tài),由于其抗壓強(qiáng)度較高坡體能保持穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)高切坡開挖后,反傾的層狀細(xì)砂巖處于懸臂受彎狀態(tài),高切坡開挖越高,巖層懸臂越長(zhǎng),巖層內(nèi)拉應(yīng)力增加,拉應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度后巖層折斷而傾倒,則使煤層受到擠壓而壓裂,甚至從坡面擠出。這種破壞首先在細(xì)砂巖上部的表層發(fā)生,表層破壞后,內(nèi)部煤層也失去支撐而破壞,這種破壞逐層向下發(fā)展,最終使高切坡失穩(wěn)。4高切坡的加固。據(jù)采用錨桿噴射混凝土-掛網(wǎng)進(jìn)行加固,自1)根據(jù)采樣試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì),砂巖抗剪強(qiáng)度中的內(nèi)摩擦角tanφ=0.84,理論破裂角(45°+φ/2)為65°;因此建議按1︰0.50(64°)坡率分階放坡開挖是比較合理的。同時(shí),由于高切坡巖體較破碎,完整性差,開挖卸荷之后,在雨季時(shí),地表水體的沖刷和侵蝕作用下,容易導(dǎo)致高切坡局部崩塌,因此可采用錨桿噴射混凝土-掛網(wǎng)來(lái)加固高切坡,以滿足整體穩(wěn)定性。2)從有限元分析可知由于煤夾層的存在,開挖卸荷之后,高切坡第3