基于现场大型直剪试验的顺层岩质边坡稳定性分析

冯永能,郭微(重庆市勘测院,重庆市岩土工程技术研究中心,重庆 400020)

基于现场大型直剪试验的顺层岩质边坡稳定性分析

冯永能∗,郭微
(重庆市勘测院,重庆市岩土工程技术研究中心,重庆 400020)

摘 要:以重庆轨道交通十号线朱家湾车场为依托工程,采用现场原位大型直剪试验,得到岩体软弱结构面的强度参数,与《建筑边坡工程技术规范》GB 50330-2013中的软弱结构面抗剪强度指标推荐值进行对比。运用有限元强度折减法对该边坡典型断面的破坏模式和稳定性进行分析,其结果显示该边坡为欠稳定边坡,易沿层面发生滑动破坏,针对分析结果提出了相应的加固和支护措施。

关键词:边坡;直剪试验;有限元;强度折减法

1　引 言

边坡稳定性的影响因素较多,且各因素普遍具有随机、模糊等不确定性,影响因素与边坡稳定性之间则表现为复杂的非线性关系,目前仍未找到一种通用的确定性方法来描述。国内外研究[1～4]早期主要采用定性的方法,如工程地质类比法,仅以土体为研究对象的,其特点是采用材料力学和简单的均质弹性、弹塑性理论为基础的半经验半理论性质的研究方法进行岩质边坡的稳定性研究。但由于其力学机理的粗浅或假设的不合理,其计算结果与实际情况差别较大。上世纪60年代后期出现以弹塑性理论为基础的极限平衡法等新方法,计算机技术和岩体力学机理研究的发展,给定量评价边坡的稳定性创造条件,并逐渐发展出极限平衡法、有限元法等数值方法,从而使边坡稳定性研究进入模式机制和作用过程的研究成为可能。

岩体结构面抗剪强度是岩质边坡稳定性分析的重要参数,设计和计算时通常根据规范[5]《建筑边坡工程技术规范》GB 50330-2013和工程经验进行类比和估算,也可以采用极限平衡法或数值分析方法,根据边坡实测位移对结构面强度进行反演[6～8]。但很多情况下,岩质受软弱结构面控制,为准确测定结构面强度,仍然依赖于现场原位大型直剪试验及室内直剪试验的资料。

本文以重庆轨道交通朱家湾车辆段工程为依托,采用现场试验与数值分析相结合的方法对该工程边坡的稳定性和破坏模式进行分析,并提出相应的措施和建议。

2　工程概况

朱家湾车辆段工程位于渝邻高速公路西侧、重庆快速路系统一横线环山隧道段以北的地块内,场地呈狭长形,东西宽约410 m,南北长约900 m,面积约40 hm2。场地原始地貌为构造剥蚀丘陵地貌,地形总体为西高东低,地面高程约280 m～390 m,相对高差110 m,地形坡角10°～30°,场地地表主要为林地、农田,植被较茂密,局部分布有鱼塘、藕田、水田。

场地边坡分布如图1所示,其中一号边坡为挖方边坡,边坡类型主要为顺层岩质边坡;二号边坡为挖方边坡,边坡类型主要为切向、反向岩质边坡;三号边坡为填方边坡;四号边坡为挖方边坡,边坡类型为切向岩质边坡。根据设计意图,对一号边坡将采用坡率法进行分阶放坡开挖,坡率采用1∶1.50,并设置锚杆对边坡进行锚固;对二、四号边坡将采用坡率法进行分阶放坡开挖,坡率采用1∶0.75～1∶1.00,并设置锚杆对边坡进行锚固;对三号边坡将采用坡率法进行分阶放坡回填,坡率采用1∶1.75。

图1　朱家湾车辆段环境边坡分布图

场地内多数地段基岩被第四系土层覆盖,基岩露头零星出露。场地地层由上至下分别为第四系全新统素(杂)填土、崩坡积层块石土、残坡积层粉质黏土,下伏基岩为侏罗系下统珍珠冲组岩层,基岩以中厚层砂质泥岩、砂岩为主。

3　现场实验

在距试验深度60 cm高度处向下开凿不小于50 cm×50 cm×50 cm的立方体试墩,从上至下开挖,不扰动试件,形成与剪切面一致的基底面,同时修平试样顶面。试样采用自由浸水饱和,饱和不少于48 h。

记录每个试样的垂直荷载及破坏时的剪应力,绘制剪应力与法向应力的关系曲线,获取土体的凝聚力c和内摩擦角φ。如图2、图3所示:

图2　现场直剪试验示意图

图3　现场试验图

现场剪切试验共完成3组。TJ2-1#剪切面为土层与泥岩交接层面,夹灰白色、黄色黏性土,浸水饱和后呈软塑状,擦痕明显,起伏差2 cm～5 cm;TJ2-2#剪切面为泥岩与砂岩交接层面,夹褐黄色、灰白色黏性土,浸水饱和后呈软塑状,擦痕明显,局部剪切面光滑,起伏差1 cm～3 cm;TJ3#剪切面为砂岩与泥岩交接层面,夹褐黄色、灰白色黏性土,浸水饱和后呈软塑状,起伏差3 cm～7 cm。每组试验各制备试样5个,每个试样沿预定剪切面剪损,剪断后,剪切面凹凸不平。

现场大剪试验成果统计表 表1

《建筑边坡工程技术规范》GB 50330-2013中软弱结构面的抗剪强度指标标准值推荐如表2。与表1的试验数值对比可知,现场试验点岩体层面为结合很差的软弱结构面,其内摩擦角和黏聚力均在规范推荐范围之内。

结构面抗剪强度指标标准值 表2

4　数值模拟

计算采用有限元计算软件MIDAS GTS进行,选取典型剖面进行建模计算。模型用四边形网格,有限元网格划分如图4所示。边界条件:底部固定,左、右两侧水平约束,岩土体重力荷载通过设置重力加速度的方式模拟。

图4　有限元网格模型

岩土材料本构关系采用弹塑性模型,即采用GTS中的摩尔-库伦模型,根据地区经验和实验资料,确定材料参数如表3所示:

有限元材料参数表 表3

模拟结果如图5、图6所示,在重力场条件下,开挖导致边坡应力重新分布,坡面附近应力发生明显偏转,位移和剪切云图均显示,在坡脚的位置易发生应力集中和变形。

图5　边坡Y方向的应力分布云图

图6　边坡剪切应变云图

根据相关文献和《建筑边坡工程百问》中顺层岩质边坡有限元计算实例,岩体层面采用薄层单元进行模拟。有限元网格模型如图7所示,岩体参数和边界条件同上节。计算得到边坡开挖后的位移矢量和剪切应变云图(如图8、图9所示),结果显示该边坡主要受软弱结构面控制,可能的破坏形式是沿层面发生滑移破坏。采用有限元强度折减法计算该边坡的安全系数为1.04,为欠稳定边坡。

图7　顺层边坡简化模型

图8　边坡位移矢量云图

图9　边坡剪切应变云图

5　结 论

(1)现场试验点岩体软弱结构面,其内摩擦角和黏聚力与《建筑边坡工程技术规范》GB 50330-2013中的推荐值基本适合。

(2)上部土质边坡部分在暴雨等不利工况下易沿岩土界面出现局部垮塌或产生土体内部的圆弧滑动,故建议对土质边坡部分采用重力式挡墙支护。边坡中下部及坡脚的位置易发生应力集中和变形,在使用坡率法放坡的同时,应对边坡中下部进行支护加强,在坡脚位置设置抗滑桩对边坡进行支挡。

参考文献

[1] 刘展,杨作升,牛富俊.边坡稳定性有限元直接评价与辅助设计系统[J].岩石力学与工程学报,2002,21(10): 1515～1519.

[2] 殷跃平.中国滑坡防治工程理论与实践[J].水文地质工程地质,1998(1).

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[4] 陈静曦,章光等.顺层滑移路堑边坡的分析和治理[J].岩石力学与工程学报,2002,21(1):48-51.

[5] GB 50330-2013.建筑边坡工程技术规范[S].

[6] 刘明维,郑颖人.岩质边坡结构面抗剪强度参数的实用确定方法[J].工程勘察,2006(5):6～9.

[7] 崔中兴,宋克强.岩石软弱结构面抗剪强度的单试件确定法[J].岩土工程学报,1996,18(4):84～90.

[8] 李治广,董兆祥.结构面抗剪强度参数对岩质边坡稳定的影响[J].工程地质学报,2007,15(2):217～221.

Stability of Bedding Rock Slope Based on In-situ Direct Shear Tests

Feng Yongneng,Guo Wei
(Chongqing Survey Institute,Chongqing Geotechnical Engineering Technology Research Center,Chongqing 400020,China)

Abstract:According to in-situ direct shear tests of the bedding rock slop of Zhujiawan yard of Chongqing rail transit line 10,the shear parameters of weakness structural plane are comparing with recommended value of the national standard Technique Code for Building Slope Engineering (GB 50330-2013).Using strength reduction finite element method to analysis the failure mode and stability of the slope,result shows that the slope is not stable,and may sliding along bedded plane of rock mass.Finally,the corresponding suggestions of supporting systems of slope are throw out based on the stability analysis results.

Key words:bedding rock slope;direct shear tests;finite element method;strength reduction method

文章编号:1672-8262(2015)01-159-03中图分类号:TU459

文献标识码:A

收稿日期:∗2014—10—18

作者简介:冯永能(1965—),男,正高职高级工程师,主要从事岩土工程勘察设计、检测监测及地质灾害防治等方向的工作和研究。

基金项目:住房和城乡建设部2014年科学技术项目(2014-K8-009);重庆市基础与前沿研究计划项目(cstc2014jcyjA90026)。