岩石路堑边坡稳定性研究改

岩石路堑边坡稳定性研究()改Technologyexploration技术探讨岩石路堑边坡的稳定性研究王忠华（中交第一公路勘察设计研究院有限公司西安710075）【摘要】本文通过对影响岩石边坡稳定性的主要因素和岩石边坡应力状态的定性分析，并利用模糊数学原理定量计算综合评定的方法，确定了边坡所属稳定性类型可能的趋向。本文对从事岩石边坡勘察设计研究人员具有一定的参考意义。【关键词】岩石边坡；应力状态；入选参数；隶属函数；权重分配；稳定性评定1、引言公路通过山区，很多地方都要遇到有关路堑设计的问题。公路通过的地层，在自然生成和演变过程中，一般具有复杂的地质结构。路堑边坡处于地壳表层，开挖暴露后，受各种条件与自然因素作用，容易发生变形破坏。岩石路堑边坡的设计最重要的基础工作是：通过地质调查、测绘、勘探、测试和试验查清和摸清岩体的地质结构、结构特征、性质及有关物理力学参数，并进行边坡的稳定性分析，经过定性分析与定量的计算，确定边坡的稳定性类型、开挖形式和坡度、变形范围和破坏模式等。本文通过对影响岩石边坡稳定性的主要因素和岩石边坡应力状态的定性分析，并利 用模糊数学原理定量计算综合评定的方法，确定了边坡所属稳定性类型可能的趋向。对从事岩石边坡勘察设计研究人员具有一定的指导作用。2、影响岩石边坡稳定的因素岩石边坡稳定性与众多的复杂的因素有关，这些因素归纳起来有以下两个方面：2.1地质因素主要包括：岩体的物理力学性质、岩体结构特征、结构面特征、结构面产状、气候条件、风化程度、地下水、地应力及地震。2.2工程因素主要包括：边坡开挖的几何形态（坡度、坡高）、人为扰动和振动。上述因素往往不会单独起作用，而是相互结合共同影响边坡的稳定性。多年的研究分析认为，对边坡稳定性影响最主要因素是：①组成边坡岩性、岩石单轴抗压强度、风化程度；②结构面组数、密度、延伸长度、张开程度、充填物、结合程度；③结构面抗剪强度；④结构体（岩块）大小；⑤结构面产状（包括层理、片理及节理等）；⑥边坡坡度、高度；⑦地下水的影响。水是地球的主要组成物质之一，地貌因地力、水力而成。对于边坡而言，水是催化剂、润滑剂，对边坡稳定起不良作用，尤其对软质岩石边坡稳定影响甚大。地下水赋存形式及来源如下所示： 3、岩体地质结构、结构特征、强度及地质体与路线的关系3.1区域地质构造类型主要有地质构造，按构造带特征，有均质完整带、非均质完整带、完整带或不整合接触带、完整破碎带、非均质完整破碎带、深变质带、接触变质带、区域变质带、浅沉岩接触变质带、侵入体边缘带、断层破碎带、各种构造破碎带及风化壳等。3.2岩石强度按岩石强度划分为四大类：即极硬岩、硬岩、软岩和极软岩。3.3岩体结构（反映岩石的完整程度）按岩体结构分为五类：即块状结构、层状结构、镶嵌结构、碎裂结构、散体结构。3.4风化程度岩石风化程度划分五类，即全风化、强风化、中等风化、弱风化、微风化。差异风化很难辨别。3.5岩石破碎程度划分为四种情况：节理很少；节理较多；节理发育；节理极发育。3.6岩层产状与路线关系：层理、片理及主要节理构造产状与路线关系：①无倾向路线者；②层面背向路堑，走向与路线正交或斜交；③层面倾向路堑，走向与路线平行或斜交；④倾向背向路堑、走向与路线垂直或斜交；⑤倾向顺向路堑、走向与路线垂直或斜交；⑥倾向背向路堑、片理走向垂直或斜交于路线； ⑦倾向顺向路堑、片理走向垂直或斜交于路线；⑧小型褶皱及错动，2006年第3期·60·Technologyexploration技术探讨方向不定。4、边坡形式4.1常见的岩石边坡形式①直线型边坡：适用于边坡高度小于H≤10m，且岩体性质较均匀一致的边坡；②折线型边坡：对于边坡高度10m<H≤20m，且上下部的岩体稳定性有明显差异的边坡，可考虑分层开挖成折线型断面，以适应各自的稳定性；③梯级式边坡：对于边坡高度H>20m，且由不同地层组成的深路堑，可在边坡上不同层的分界处附近设置边坡平台及分级坡率；对于边坡高度H>20m，可按一定的高度设置边坡平台及分级坡率。4.2边坡的两种稳定问题5、岩石边坡应力状态分析5.1边坡岩体中应力状态的一般特征下图是用有限元法解出的边坡岩体在原岩水平应力等于垂直应力的1/3条件下主应力迹线图和位移迹线图。图1岩石边坡主应力迹线图图2岩石边坡位移迹线图 由图1、2看出：①岩石边坡形成后，由于应力的重分布，愈靠近边坡临空面，最大主应力愈平行于临空面，而最小主应力则愈垂直于临空面。②在坡脚处，最大主应力显著提高，而最小主应力显著降低。③因而形成一剪应力增高带，故易产生剪切破坏。5.2岩石边坡应力状态分析研究边坡中应力随边坡高度、坡度变化规律。设计中大量遇到的是：对一个可能失稳的边坡是改变坡度还是改变高度的问题。①不同设计坡度下应力的变化特征事例：山坡高度H=50m，山坡坡度α=35o，设计坡度i分别为不开挖，53（坡率o1：0.75）,68o（坡率1:0.4）,78o（坡率1:0.2）。计算结果可用如下3组图表示：图3垂直应力（бv/rH）等值线随开挖坡度（θ）的增加而变化图4水平应力（╳0.1Mpa）等值线随开挖坡度（θ）的增加而产生的变化图5最大剪应力（╳0.1Mpa）等值线随开挖坡度（θ）的增加而产生的变化结论：随着开挖坡度的增加，边坡点附近及坡脚附近的应力变化明显。变坡点处水平应力和坡脚处剪应力的变化对边坡设计具有重要意义。②不同设计高度下应力的变化特征 事例：边坡高H=50m，山坡坡度α=35o，开挖边坡坡度分别为1：0.5（θ=53o）,1:0.3（θ=73o）开挖坡高为：未开挖、10m、20m、30m、40m。计算结果显示：坡顶处的各应力（бv、бH、τmax）变化不2006年第3期·60·Technologyexploration技术探讨明显。变坡点处各应力值呈下降趋势，其中以水平应力бH变化最大。陡坡度开挖时，高度变化引起的应力变化幅度强于缓坡度开挖的情况。坡脚处的各应力值随开挖高度的增加而上升较快。陡坡度开挖时，坡脚各应力的上升明显快于缓坡度角开挖。③不同自然坡高对开挖边坡中应力特征的影响事例：自然山坡高度分别为：50m、75m、100m、150m。开挖坡高为：10m、30m。计算结果显示：随着山坡坡高的增加，坡顶бv、τ表现为上升，而бH基本保持不变。变坡点处各应力较平稳。坡脚处的各应力值呈平缓下降特征。结论：在自然山坡的坡顶，往往形成张裂区。 在变坡点附近形成新的张裂区，其张应力最大值也出现在此。因此，在边坡设计时，对原山坡坡顶及变坡点附近，应采取以提高边坡抗拉强度为主的工程处理措施。在稳定性分析时，对这些部位上平行于坡面的滑塌体需要仔细分析。在边坡坡脚处，存在应力集中现象。剪切破坏是岩体的主要破坏形式。因此，对坡脚附近可能产生的剪切滑动破坏的结构面进行仔细分析，并以提高其抗剪强度为主的工程处理措施。如：采用支挡措施，并以施工时跳槽开挖基坑，则较为合理。应力迹线表明，应力的集中变动的空间范围大致与设计边坡的高度相当。④设计坡度变化的影响随着坡度的增加，变坡点处的张应力及坡脚处的剪应力将发生较大的变化，从而直接影响边坡的稳定程度。因此，边坡坡度设计的变更首先是变坡点处岩体的抗拉强度与坡脚处抗剪强度的计算与分析，从而采取相应的工程措施。⑤自然坡高的影响在不同的自然山坡上开挖相同高度的边坡时，坡内的应力的变化是很平缓的，坡高对边坡的设计远不如设计边坡本身的几何参数。一般情况下可以不予考虑。⑥计算结果的适用性上述分析是建立在介质为连续、均质、各向同性的假设的基础上的。但当岩体中明显存在岩性不均一或具有明显不利结构面时，其应力分布可能有所差异，甚至有较大变化。6、岩石边坡常见的病害类型 边坡开挖后是否稳定，究竟会产生什么样破坏，取决于对边坡地质结构的认识。也只有摸清了地质条件，才能够对边坡变形类型、规模及发展趋势做出符合实际情况的预测。由于边坡岩体在地貌、地质构造、岩性、应力状态及开挖形式的不同，边坡岩体将会产生不同的病害。常见的病害类型有：6.1碎落、剥落：规模一般较小，危害较轻，治理或易或难。特别是很高的边坡碎落严重时，治理困难，投资巨大（如明洞）。6.2危岩、崩塌及落石：规模或大或小，危害程度不一，治理或易或难。6.3滑坡、错落及堆塌：规模大，危害严重，治理难度大，投资高。一般应予避绕。无法避绕时，需做两个以上的技术方案进行比较确定。7、边坡稳定性分类根据对大量既有边坡变形破坏类型和稳定性分析，将边坡稳定情况分为如下3类：Ⅰ类—稳定边坡：整体边坡是稳定的。这类边坡在施工和运营中一般不发生变形破坏，或只发生剥落、个别掉块、少量碎落等现象。一般不需要防护措施。 Ⅱ类—基本稳定边坡：边坡整体是稳定的。但这类边坡在施工运营中可能产生少量掉块、碎落或局部滑塌。在边坡上发生局部破坏。因而可不采取工程措施，或只需要采取局部沟缝、灌浆、插别、嵌补、支顶等局部支护，以及喷浆、锚固等轻型防护措施。Ⅲ类—不稳定边坡：这类边坡在施工运营中可能产生大型滑塌和大量滑塌、顺层滑塌或顺层滑动，以及堆塌等破坏形式。在设计阶段应当绕避，不能绕避且轻型防护措施不能保证边坡稳定的，应进行单独特殊设计。如修建抗滑桩、挡滑墙、锚固等大型工程,或在运营阶段加强监测并尽早进行工程处理。8、影响边坡稳定的主要因素由于影响边坡稳定的因素众多，设计中不可能全部加以考虑，本文是抓住影响边坡稳定的几个主要因素加以研究分析，用以下六个因素作为边坡坡度和稳定性分析的主要依据。8.1岩石完整性（IC）——反映岩体节理发育程度、岩石破碎程度；8.2岩石强度（R）——反映岩质、风化程度；8.3结构面抗剪强度（τ）；8.4边坡走向与结构面综合产状的关系；8.5边坡高度（H）——边坡应力状况；8.6地下水；笔者通过研究认为，地下水对边坡的稳定性影响和作用是十分复杂的，它不仅与地下水在岩体中存在的形式、运动的状态和渗流量有关，而且取决于构成边坡坡体的岩石的性质、结构特点、节理裂隙发育程度以及张裂隙的贯2006年第3期··Technologyexploration技术探讨通状况和充填物质及充填程度有关。 地下水不论其存在形式和数量多少，都会不同程度对边坡稳定性产生不利影响。具体表现如下：①岩石中有地下水存在，必然要增加岩石的重量，增加下滑力，导致边坡稳定性降低。②影响岩石的力学强度，尤其对软质岩石力学性质影响更甚。③加速岩石风化，含水量变化，干湿交替或冻融交替时，风化作用更为严重，必然导致边坡稳定性降低。④若岩体裂隙发育，贯通程度好，地下水在岩体中产生静水压力、动水压力，从而增大边坡岩体的下滑力，导致边坡稳定性降低。⑤在边坡岩体中，若节理、裂隙发育，且有充填物，地下水可使充填物软化，降低结构面间的抗剪强度，可能形成滑面，使边坡失稳破坏。⑥在季节性的冻结地带，岩体中地下水可能冻结，在裂隙中起楔胀作用，引起边坡破坏。也可能冻结地下水排泄的通道，引起边坡内水压力增高，从而降低边坡的稳定性。9、边坡稳定性分析与设计注意的问题在对既有公路边坡调查研究中，认为以往的边坡稳定性分析与设计存在以下问题：9.1边坡稳定性分类出现了误判的情况。①多数情况下本属Ⅱ类误判为Ⅰ类；②少数情况下本属Ⅲ类误判为Ⅱ类；③个别情况下也出现了与上述判别相反的结论。9.2一些边坡设计过于安全，致使边坡高度增大，土石方量增大。一些边坡放陡后，仍然是稳定的。 9.3一些边坡设计过陡，使边坡局部或整体失稳，发生破坏。有些边坡若将其边坡坡度放缓1～2级(1:0.1～1:0.3),即可使边坡稳定。9.4在外业调查中看到，岩层产状倾向路线的边坡，不论其边坡坡度陡缓，只要边坡坡度大于岩层倾角（倾角大于15o），几乎都发生了顺层滑塌或顺层滑动的破坏现象。因而均应采取相应的防护措施。对该类边坡单纯采取降低坡率的办法来保证其稳定性，在多数情况下不可行。10、岩石边坡稳定性分类的模糊综合评定的方法10.1综合判别的原理根据模糊数学的原理，对边坡稳定性进行判别。10.2参数选择和计算入选参数及定量指标：①岩性、岩石单轴抗压强度、风化程度；②节理组数、密度、延长、张开、充填、结合程度；③节理面粗糙度系数；④节理产状（包括层理、片理等结构面）；⑤地下水的影响⑥边坡坡度、高度。定量指标：第①项归并为岩石回弹值R；第②项归并为岩石完整性系数IC；第③、④、⑥项中的坡度归并到稳定性系数K的计算中；第⑤项地下水对边坡稳定性有重要影响，放在坡度设计中考虑。 计算参数：①岩石回弹值R②岩石完整性系数IC③结构面综合相对贯通度GP；④岩石边坡综合稳定性系数GK；⑤岩石边坡上出露的不稳定块类型数N。参数的计算：①岩石回弹值R使用回弹仪测定得到。②岩石完整性系数IC它是进行岩体结构类型划分，定量评价岩体完整性的指标。其表达式为：NIc??aigi(xi)i?1ai—各因素对IC贡献的权函数；xi—岩体结构类型表征参数，即结构面组数、延长、密度、结合情况、结构体的大小等；gi(xi)—各因素对IC的贡献值。计算方法详见有关书籍。根据野外大量边坡调查统计与室内IC计算对比分析，确定的岩体结构类型划分标准如下表。表1岩体结构类型划分标准Pi=Li/H（i=1，2，3，…）H—坡高Li—某节理Ji总延长Pi—所切割结构体在岩石边坡上出露且稳定系数K〈1时的相对贯通度； K〉1时，Pi=0；对于层理Pi=12006年第3期··Technologyexploration技术探讨GP=（1/n）∑Pi（Pi≠0）④综合稳定性系数GK对平面破坏，当∣ω∣≤30os-ωf，且α〉βf时，其稳定系数：Kf=tan（фb+JRCi）/tanβfKf—稳定系数фb—基本摩擦角JRCi—结构面粗糙度系数ωs—坡向ωf—结构面倾向βf—结构面倾角对楔形破坏，当∣ωos-ωw∣≤60，且α〉βw时，其楔形体稳定系数：Kw=cosθ1tan（фb+JRC2）+cosθ2tan（фb+JRC1）/sin（θ1+θ2）·tanβw通常取岩石的基本摩擦角фob=30，由于层理、片理等大贯通度的结构面多为软弱结构面，故对层理、片理、断层及相对贯通度≥60%的节理取фob+JRC=15对求得的岩石边坡上所有出露的Kf、Kw，按下式求综合稳定系数1/n（∑Kf+∑Kw）当Kf和Kw均小于1； GK=Min（Kf，Kw）当Kf和Kw均大于1。⑤出露不稳定块类型数N出露不稳定块类型数N为岩石边坡上所有K<1的滑动块类型总数。⑥属函数的确定及权重分配隶属函数的确定：确定隶属函数是模糊评价实践中最重要的问题。隶属函数表达的是参数取定值的隶属度。所谓隶属度就是指事件发生的可能性，表示的是某参数为某定值时，待判样本在仅考虑该因素时有多大程度或多大可能属于某一类别。在对大量样本模糊统计下，隶属度可表示为：μ（μμ*0）=Lim0∈A的次数n→∞式中μ0：论域U中的一个固定元素A*：某类样本的集合对参数值分段统计，考虑有限论域，即可得出隶属函数。将各函数图用多项式拟合后得出如下计算公式。略。将各参数代入计算公式，计算出μ组成的模糊矩阵：式中的μij表示第j个因素在某定值时属于第I类的可能性（隶属度）。权重分配： 当各参数取不同值时，其岩石边坡的性状是不同的，故影响边坡稳定性各因素的重要程度是不同的。权（A）重的取值分五级：A=5～4表示最重要；A=4～3表示较重要；A=3～2表示一般；A=2～1表示不重要；A=1～0表示最不重要。A值由专家根据经验分析判断得出。据研究和测算，不同性状的边坡岩体其权重分配如下：⑦样本的评判结果对样本的评判结果表示为：B~=A~·R~上式计算实际上是求B的分量bi，采用加乘运算求得。为了使评定的结果更为直观，对B作归一化处理，即让∑B满足bi=100%。Ⅰ类Ⅱ类Ⅲ类B~=（bⅠ%bⅡ%bⅢ%）这就是用百分比表示的边坡所属稳定性类型可能的趋向。作者简介：王忠华，生于1964年9月，男，宁夏中宁人，大学本科学历，1987年毕业于西安公路学院（现长安大学）公路与城市道路专业，高级工程师，主要从事公路勘察设计2006年第3期··Technologyexploration技术探讨工作。2006年第3期··