基坑高陡岩质边坡稳定性分析

艾 昕,谢俊杰

(1.甘肃交建项目管理有限公司,兰州 730000; 2.福建省闽武长城岩土工程有限公司,福州350000)

0 引言

随着人们对矿产资源的不断开发及利用,矿区产生了诸多高陡岩质边坡。岩质边坡由各类岩体及结构面网络组成,坡体岩性、岩体结构、地下水等因素都会影响其稳定性状态。岩质边坡灾害具有隐蔽性、突发性、破坏性强及防治难度大等特点[1]。近年来,岩质边坡稳定性评价与安全治理已成为工程领域的研究重点。

目前,对于岩质边坡稳定性的研究主要分为定量与定性分析法[2]。定性分析法(如工程地质类比法)是根据相关的地勘资料、现场调查及工程经验对岩质边坡进行分析,但存在精度不高问题。定量分析法主要通过极限平衡原理计算,但该方法难以合理判定岩体随开挖时间变化出现的薄弱部位、滑动面位置、滑动面剪切强度等问题[3-5]。

以长沙某高陡岩质边坡为研究对象,将赤平投影法、数值计算软件Phase2及Slide相结合,判断边坡的稳定性,分析边坡破坏模式,计算边坡支护结果,得出高陡岩质边坡稳定性分析思路及治理方法,为类似分析治理提供技术参考。

1 岩体结构特征

该场地为石灰岩采场遗留矿坑形成的高陡岩质边坡,拟治理BC区段,边坡宽度约25 m,高度35～39 m,坡角55°～76°。现场调查坡体存在较多节理裂隙,层理面十分明显。边坡现状如图1所示。

根据现场实地调查,将BC段高陡边坡坡面产状汇总如表1所示。

由表1结构面产状信息判断可知,该段边坡岩层层面顺倾,边坡可能产生沿岩层层面的平面滑动。结合勘察信息、室内试验及经验参数,边坡岩土物理力学性质参数如表2所示。

2 稳定性分析与评价

2.1 赤平投影分析

对于岩质边坡,其稳定性主要受结构面控制,基于赤平投影技术对结构面产状进行研究,是对岩质边坡稳定性进行定性评价的主要手段[6]。

根据野外实测结构面资料,采用赤平投影分析来定性评价边坡的稳定性。根据现场工程经验,岩质边坡平面滑动的破坏判定通常认为只有在与边坡倾向夹角在±20°范围内时有可能发生。将边坡结构面产状绘制在赤平投影图上,结果如图2。

由图2可以看出,层理与边坡面倾向相同,且层面L的倾角48°小于边坡面P的倾角55°,易发生平面滑动破坏。裂隙L1与裂隙L2及边坡大角度相交,对边坡稳定性影响较小。裂隙L1与裂隙L2分别与层理L及坡面P相交,L与L2两结构面的组合交线OE位于结构倾向线OA及OB之间,两结构面均为滑动面,可能发生双平面滑动,OE为滑动方向,故初步判断该边坡为平面滑动破坏。

2.2 数值模拟分析

结合现场调查及赤平投影分析,利用数值模拟软件Phase2,对岩质边坡变形发展趋势与支护结果进行模拟分析,从而对边坡进行治理[7-8]。

研究思路如下:结合主应力σ1迹线,考虑边坡的历史应力发展确定应力松弛范围,根据边坡稳定状态,对边坡潜在的滑动面进行参数反演及边坡支护,计算稳定性系数。

2.2.1 应力松弛区划分

矿坑开挖使周围岩体卸荷,导致岩体应力重分布,坡体浅层产生应力松弛。开挖过程中,土体受力状态改变,部分岩层暴露在空气中,原有结构被破坏并重新排列,造成错动及位移。这些变形释放了土体内部原有的应力,使边坡周围土体中的应力下降,尤其是高陡边坡更加明显。该区域的土体密度及强度发生降低甚至大幅减少,对边坡稳定性产生不利影响,故判断应力松弛区域对岩质边坡支护具有重要意义[12]。

不考虑该段边坡采空区的影响,仅对上部岩体进行稳定性分析。在Phase2中,分9个时步模拟矿坑开采过程,将矿坑边坡现状与未开挖前初始状态的应力状态进行比对,结合边坡主应力增量计算云图判定应力松弛区分布范围,如图3所示。由图3可知,整个圈内即为该边坡开挖后应力松弛区较为集中的区域,Δσ1值为-100～0 kPa,主要分布在该边坡上部区域。提取图3中2号线的Δσ1数值,绘制Δσ1随距离变化的曲线图,如图4。

图3 BC段边坡Δσ1增量图Fig.3 Delta Δσ1 of the BC section slope

从图4中Δσ1值随边坡坡面至坡体距离增加而变化的曲线可见,2#线的应力松弛区根据曲线变化速率大致可分为两个区间:18～30 m为应力松弛渐变区,即Δσ1向正值缓慢增加区段。0～18 m为应力松弛显著区,即Δσ1值由负值快速下降区段[8]。

2.2.2 潜在滑动面判定

根据边坡天然状态下的边坡坡角、结构面分布、边坡松弛区范围模拟结果、边坡现状踏勘稳定状态特征,对该段边坡进行综合分析评价,判定为双平面滑动破坏。滑动面位置如图5所示。

图5 现状边坡潜在滑动面工程地质模型Fig.5 Engineering geological model of potential sliding surface of the slope

2.2.3 边坡现状参数反演

结合现场勘察信息、赤平投影图及工程经验,综合判定该区段岩质边坡处于基本稳定状态。

应用Slide软件对现状边坡进行参数反演。选择Bishop计算方法计算1000次,对于潜在滑动面按照0.5 m薄层建立模型。现阶段边坡安全状态为基本稳定状态,以稳定性系数为1.10左右进行反演分析。

边坡现状稳态计算结果如图6所示,稳定性系数为1.096。按照现行规范要求,边坡稳定性系数应大于1.35,故需采取措施对其进行支护。

图6 BC段边坡现状稳定性计算结果Fig.6 Calculation results of present stability of BC section slope

3 边坡支护稳定性评价

根据边坡现状应力松弛区分布情况及潜在的破坏机制,对其进行加固处理。对上部岩体按照1∶0.5进行浅表层刷方并采用系统锚杆予以支护,其余岩体部分保持天然状态,支护措施采用锚杆十字板支护技术。

计算结果如图7所示。治理后的边坡稳定性系数为1.392,满足现行规范中一级建筑边坡稳定安全系数≥1.35的要求。由图7可见,采用上述方案进行支护,边坡稳定性系数提升较多,加固后的边坡处于安全状态,证明该方案是有效可行的。

图7 边坡治理后稳定性评价Fig.7 Stability evaluation of slope after treatment

4 结论

结合赤平投影、极限平衡法及有限元法,对长沙某矿坑岩质边坡进行分析评价,得到结论如下:该岩质边坡破坏机制为沿不利结构面产生双平面滑动破坏的模式。矿坑开挖后,岩质边坡存在应力松弛区与集中区,应力松弛区位于在坡面中上部,应力集中区位于坡脚。在双平面滑动岩质边坡治理中采用预应力锚杆进行支护,能够显著提升边坡稳定性系数,有效治理边坡。