岩质边坡稳定性快速评价方法研究

白雪飞 易 鑫

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 地质概况

晋豫鲁铁路通道通过地区属中温带干旱、半干旱气候区，地形主要为中低山区,起伏较大,沟壑纵横,地面高程740～850 m,相对高差约110 m,处于临汾—运城新裂陷九原山—塔儿山陷隆内,该段断层不发育,发育两组垂直裂隙①10∠85°、②300～320∠85°88°。根据《中国地震动峰值加速度区划图》(GB18306—2001),地震动峰值加速度为0.2g，地震基本烈度Ⅷ度。地面水系主要为沁河支流曲亭河的支沟，沟内有常年流水,水量较小,估计水量约40 L/min。该工点附近砂岩渗透系数K约为0.45 m/d,由于工点高程超过沟间高程较多,勘察期间未见地下水。因此,地下水对边坡的影响有限,就水文地质作用来讲,大气降雨水动力作用对边坡稳定性的影响较大。地下水类型为基岩裂隙潜水,含水层岩性为砂岩,地下水水位埋深约30～35 m,地下水主要受大气降雨补给。该区域主要出露岩性为第四系上更新砂质黄土和紫红色三叠系中统二马营组砂岩,中粗粒结构,中厚层状构造,泥钙质胶结,局部夹紫红色薄层状泥岩,岩质较软。

2 边坡的基本特征

2.1 边坡的地形特征

该自然边坡高约86 m,自然坡角为31°,铁路工程开挖后形成高43～48 m的边坡,开挖后坡角为47°。边坡类型为软质岩边坡,岩性主要为三叠系中统二马营组的砂岩。线路平面位置如图1,边坡坡面如图2所示。

图1 岩质高边坡工程平面

图2 岩质高边坡工程剖面

2.2 边坡的岩体物理性质

区域主要地层岩性为砂岩，紫红色为主,主要矿物成分为正长石,薄层状构造,细-中粒结构,岩质较软,锤击不易碎,岩体较完整,岩层产状：N55°W/9°S。

①J1：N65°E/垂直,l>2 m,s=0.5～0.7 m,微张,无充填。

②J2：N65°W/垂直,l>3 m,s=0.3～0.5 m,微张,偶见填充石英脉。

3 边坡稳定性初步评价

拟建线路位于边坡左侧陡崖上,整体横坡坡度约为31°,边坡开挖后形成约47°陡边坡,坡体顺直,植被较茂密,基岩出露,表面风化严重。其主要为三叠系中统二马营组紫红色砂岩,岩体较软,主要发育4组节理。由图3结构面赤平投影图分析,各组节理均与边坡开挖线大角度相交,边坡开挖后,结构面对侧壁的稳定性影响较小,其中J1与J2、J3与J4节理面夹角较小,倾角近乎垂直,并且在该区域的砂岩节理及其他结构面并非为贯通结构面,因此该边坡体在无巨大外力作用下,边坡岩体自身的稳定性较高,不会对线路产生影响。但J1与J3、J1与J4、J2与J3、J2与J4节理大角度相交,把边坡岩体切割成小块岩体,在铁路施工及运营过程中,对岩体产生扰动,易产生小型崩塌落石等地质灾害现象。

图3 结构面赤平极射投影

图4 结构面组合与ns(自然坡角)和cs(人工坡角)关系

由图4,边坡开挖所形成的岩质结构面与自然边坡结构面形成的整个边坡体结构成为一个稳定结构,根据形成不稳定性边坡的条件判定,该边坡开挖后仍然不具有形成滑动的结构面特征,不会产生滑动现象。

4 根据SMR法确定边坡的稳定坡角

SMR法是国际上判定岩质边坡稳定性较为广泛的一种方法,它是一种考虑节理面与边坡体相互关系的评价系统,这种方法是根据边坡岩体的诸多特征因素,赋予不同的分值,从而计算SMR的综合评分值来确定边坡稳定性。SMR的经验公式

SMR=RMR-(F1·F2·F3)+F4

式中SMR——边坡岩体质量评分；

RMR——岩体质量得分；

F1——边坡不连续面倾向与边坡倾向的有关系数；

F2——不连续面倾角有关的系数；

F3——不连续面与坡面倾角间关系的系数；

F4——边坡开挖方法调整系数。

通过上述SMR的评价得分值来确定边坡岩体是否稳定。根据边坡案例及个因素的影响程度,对边坡的各种评价因素赋值如下。

RMR=46F1=0.53F2=1

F3=25 自然边坡F4=15

根据经验公式计算得

SMR=37

同时,根据经验公式计算自然稳定坡角θ

θ=-6.550 115 2+0.070 691h+

0.937 697α+0.057 081SMR

计算出边坡的自然稳定坡角为θ=49.6°。

根据第3节所述,边坡开挖后形成坡度β为47°,β<θ,边坡开挖后处于稳定状态。

5 根据不平衡推力法确定边坡稳定性系数

在铁路边坡稳定分析和整治中最常用的另一种方法是不平衡推力法,这种方法是把整个边坡体划分为若干个条块刚体,滑面形式无特殊要求,其主要分为折线型和圆弧型。本文假设滑面为折线型,上一条块对下一条块的推力方向平行于该条块的滑面,根据作用在条块上力具有传递性,从上一条块传递给前一条块,依次传递,直到最前缘的一块的合力为零。把抗滑力与下滑力的比值称为边坡的稳定系数,用K表示。通过调整稳定系数K的值,使滑面上最前缘的一个条块的剩余推力为零,从而确定相应边坡的K值。其边坡条块分解受力如图5所示。

图5 边坡条块受力分解

根据受力平衡得

Fi+cili+Ei-1sin (θi-1-θi)fi-(Wicosθi+

Ei-1cos (θi-1-θi))K=0

当K=1时

Ei-1(cos (θi-1-θi)-sin (θi-1-θi)fi)+

Wicosθi-(Fi+cili)=0

其中

Fi=Wisinθifi,Wisinθi是该土条的滑动力,fi为条块土的内摩擦角,ci是该土条的凝聚力,Ei-1φ是上一土条传递给它的推力。

φ=cos (θi-1-θi)-sin (θi-1-θi)fi,φ称为传递系数,因此不平衡推力法又成为传递系数法。

不平衡推力法充分考虑了各条块间的相互作用力,其适用于土质边坡以及呈块状结构、层状构造的岩质边坡,适用较为广泛,但滑块间的作用力方向并非规则,这种方法强行规定了各作用力的方向,计算出的结果也偏于安全。因此，采用不平衡推力法对边坡进行稳定性评价时,当安全系数接近1的时候,计算出的结果较为准确,相反则计算结果的准确性大大降低。安全系数的选取也根据边界条件的不同,根据对边坡研究的程度、危害性及对工程的重要性,选取不同的安全系数值。

根据上述不平衡推力传递法,该处高边坡以J2节理面与岩层层面的结构面组合为最不利滑动面进行计算,天然密度通过取样试验得出,C、φ值均取经验值C=18 kPa、φ=32°。本工点为重要工程,根据规范安全系数取值为1.3。边坡稳定性计算成果表见表1所示。

从表1计算结果,计算得出稳定性系数K为1.59,边坡稳定性较高,因此判定该高边坡开挖后处于稳定结构。

6 利用Flac模拟确定边坡稳定性系数

根据既有边坡及人工开挖情况,收集基本物理力学参数及地质构造特性数据,建立Flac模型,边坡体变形模式采用弹塑性变形,且边坡体破坏模式遵守莫尔-库伦强度准则,重力加速度采用10 m/s2。网格划分成水平和竖直的结点,如图6所示。依据基本的数据假设该边坡体模型下部为刚体,沉降为零,模型上部具有自由界面,在天然重力作用下可以存在竖直方向的变形沉降,根据FLAC软件评价原理求出结点主应力、速度和位移,进而得出边坡体的水平位移和竖直位移,如图7、图8所示。

表1 不平衡推力传递法计算

图6 FLAC 5.0网格划分

图7 高边坡水平位移云图

从水平与竖向位移云图分布规律来看,位移等值线与坡面几乎平行,仅在坡体突出的部位有位移的突兀点,出现位移极值,表征了在坡体发生滑动时,这些点将是位移最大的位置。根据所建立的模型及Flac软件内置的强度折减法,得出该边坡的安全系数为1.8,可见该边坡具有较大的安全余度,满足铁路系统中所规范的工程技术要求,该边坡处于稳定状态。

图8 高边坡竖向位移云图

7 结束语

影响软质岩边坡稳定性因素有着多样性、离散性的特点,且各个敏感因素耦合又是非线性的,使得对其进行详细的稳定性分析需要大量的计算和论证。正是因为其复杂性,因此对其稳定性定性的评价显得十分重要。只有在定性判断正确的前提下,计算和分析才是有价值的。

本文把岩质边坡的稳定性评价系统化,首先通过平极射投影法对边坡勘测所得的结构面数据进行分析,对软质岩边坡的稳定性进行初步判定。然后通过计算与判定结果进行对比和验证。拟建立起浅变质岩系高边坡稳定性的快速评价体系,提高加固效果,为今后处理该类岩质边坡问题提供合理的参考依据。

[1]铁道第一勘测设计院.铁道工程地质手册[M].北京：中国铁道出版社,1999

[2]陈祖煜.岩质边坡稳定性分析—原理、方法、程序[M].北京：中国水利水电出版社,2005

[3]蒋爵光.铁路工程地质学[M].北京：中国铁道出版社,1991

[4]李玉兰.FLAC基本原理及在岩土工程分析中的应用[J].企业技术开发，2007(4)

[5]孙东亚,陈祖煜,杜伯辉,等.边坡稳定性评价方法RMR-SMR体系及其修正[J].岩石力学与工程学报,1997(2)