刘婷婷 张 军

(武汉理工大学道路桥梁与结构工程重点实验室1) 武汉 430070)(武汉理工大学土木工程与建筑学院2) 武汉 430070) (中交第二公路勘察设计研究院有限公司3) 武汉 430056)



顺层岩质高边坡剪切滑动破坏的敏感性因素分析*

刘婷婷1,2)张 军3)

(武汉理工大学道路桥梁与结构工程重点实验室1)武汉 430070)(武汉理工大学土木工程与建筑学院2)武汉 430070) (中交第二公路勘察设计研究院有限公司3)武汉 430056)

依托山西永源花岗岩矿山边坡，通过现场地质调查、室内试验和极限平衡理论，研究了顺层岩质高边坡沿结构面组合发生滑动破坏的情况，基于简化Bishop法，探讨了潜在滑体的几何特征(滑体高度、滑体宽度以及滑动面倾角)对边坡稳定性的影响，结果表明，敏感度大小顺序为：滑动面倾角>滑体宽度>滑体高度，即滑动面倾角对边坡稳定性起主要控制作用，滑体宽度和滑体高度对边坡稳定性的影响相对较小.

顺层边坡；简化Bishop法；滑坡；敏感度

0 引 言

顺层岩质边坡是一种特殊类型的边坡，在露天矿山、公路、铁路等的建设中经常遇到，并造成了重大损失[1].顺层边坡岩体往往沿着某个最不利的剪切滑动面向边坡面方向滑动造成边坡的失稳破坏.分析顺层岩质边坡的稳定性问题，目前工程界主要应用刚体极限平衡[2-3]和数值模拟[4-5]2种方法.在极限平衡方面，其中参数、值的选取是比较关键的因素，龚文惠等[6-7]通过算例计算分析了边坡安全系数对、敏感程度.严明等[8]通过对一个顺向坡实例的详细调查发现，顺向坡的滑移-弯曲破坏，在强烈弯曲-隆起之后，整体失稳之前还存在一个中间状态：碎裂-散体化，在对其形成条件进行初步分析的基础上，提出了“四阶段”的滑移-弯曲破坏地质力学模式.梁专明等[9]以长沙商贸旅游职业技术学院工程边坡为研究案例，探讨了软质岩顺层边坡的非典型溃屈型滑坡机制.朱晗迓等[10]考虑水压力和地震等多种荷载的共同作用，对层状岩体的溃屈破坏模式进行了研究.Ebrahim等[11]利用离散元程序对Karoun顺层滑坡进行反分析，发现结构面参数对该边坡的稳定性起控制作用.针对软硬岩互层顺倾边坡，夏开宗等[12]建立了顺层软硬岩互层边坡稳定性的分析模型，分析了层面强度、岩层厚度、岩层倾角以及水力作用等各项因素对边坡稳定性的影响.

上述学者主要讨论了岩质边坡对参数c,φ值的敏感程度，鲜有学者讨论潜在滑体的几何特征对岩质高边坡稳定性的影响.文中以山西永源花岗岩矿山边坡为例，运用加拿大RocScience公司开发的SLIDE软件分析了自重情况下潜在滑体的高度、厚度、滑动面倾角对边坡稳定性的影响，提出了运用SLIDE模拟结构面的方法，为边坡工程设计和施工提供指导.

1 工程概况及计算参数

1.1 工程概况

山西永源石材有限公司浑源县中庄铺乡人崖山花岗石矿(以下简称永源矿)1993年6月建成投产，批准最高开采高程为2 070 m，最低开采标高1 920 m，则会形成最高约150 m高的采场边坡.现在处于生成后期，边坡稳定问题已经成为制约露天矿生产的决定性因素.

根据现场地质情况，选取西边坡中露头较好的位置进行了地表调查，各个调查点(区域)的位置见图1；西边坡由矿体(辉绿岩)和围岩(片麻岩)两部分组成，1～9号调查点出露的基岩大都是片麻岩，而10～14号调查点出露的基岩大都是辉绿岩.

图1 地质调查点分布图

图2 边坡地质模型

基于现场地质调查，建立了边坡的地质模型，见图2所示，并对该边坡可能的主要破坏模式进行了初步分析，归纳为以下4种.

1) 溃曲破坏 溃屈破坏大多发育在插入式顺层边坡中，坡面没有顺层临空面，边坡高度较高，在重力或其他荷载作用下，边坡坡脚应力集中，导致坡脚岩层发生揉屈，进而发生溃屈破坏.永源矿采场西边坡为中倾反向边坡，发育有与坡向相同的陡倾结构面，且此陡倾结构面贯通性较好，采场边坡高度较高，有可能在重力荷载作用下发生溃屈破坏.

2) 倾倒破坏 倾倒破坏大多发生在陡倾顺层或陡倾反向岩质边坡中.永源矿采场西边坡坡面上部分地方顺坡向陡倾节理密集发育，容易发生倾倒破坏，见图3.

图3 边坡局部坡面节理密集发育

3) 崩塌、坠落破坏 边坡中产状为340°∠82°的节理很发育，该组结构面与坡面走向垂直.坡面上由该组结构面与倾向坡内的陡立结构面(70°∠60°)、坡面切割出来的小型块体容易发生崩塌或坠落.

4) 剪切滑移破坏 剪切破坏是岩质边坡常见的破坏模式，一般是沿着顺层结构面发生.对于永源矿西边坡，一组产状为70°∠60°陡倾顺坡节理控制边坡的稳定性，节理平行排列，构成滑移体的后缘边界，而边坡体上存在一组产状为59°∠15°的结构面，该组结构面构成了滑移控制面，即在边坡中容易发生形如块体ACDE(及ABIG)及AJF(及AIG)块体的滑移型破坏.

上述4种潜在破坏模式，前3种破坏模式主要发生在边坡表层或局部，潜在危害较小，而对于剪切滑移破坏，破坏深度和规模都很大，潜在危害严重，故需要对这种模式进行分析.

1.2 结构面参数

结构面是具有一定方向、延展较大而厚度较小的二维面状地质界面.它在岩体中的变化非常复杂.结构面的存在，使岩体显示构造上的不连续性和不均质性，岩体力学性质与结构面的特性密切相关.结构面最重要的力学性质之一是抗剪强度.从结构面的变形分析可以看出，结构面在剪切过程中的力学机制比较复杂，构成结构面抗剪强度的因素是多方面的，大量试验结果表明，结构面抗剪强度一般可以用库伦准则表述

(1)

式中：c，φ分别为结构面上的粘聚力和内摩擦角；σn为作用在结构面上的法向应力.

式中：σ为剪切面上的正应力，MPa；τ为剪切面上的切应力，MPa；S为剪切面积，cm2；Pn为法向荷载，kg；Pτ为切向荷载，kg.

试验后结构面见图4，根据试验后破坏岩样可以看出，试件的最终破坏按试件结构面破坏.图5为结构面剪切试验剪切应力-剪切变形曲线.

图4 结构面试样

图5 结构面剪切应力-剪切变形曲线

以结构面的直剪试验结果和和已有的岩石力学参数为基础，综合以上岩体基本质量指标BQ计算、Hoek-Brown经验方程估算和折减系数法等3种取值方法，给出了建议采用的结构面计算参数，见表1.

表1 边坡计算参数

2 计算方法与模型

2.1 计算方法

采用简化Bishop法计算岩质边坡折减滑动破坏，简化Bishop法是英国著名土力学专家Bishop[13]提出的边坡稳定计算方法，被认为是计算圆弧滑动面安全系数最好的方法,张香渝等[14]把简化Bishop法推广到非圆弧滑动面安全系数的求解上，对于非圆弧岩质边坡极限平衡分析，简化Bishop法分析步骤如下：(1)假定只存在水平条间力,竖向条间力为零；(2)各土条满足竖向力平衡条件；(3)滑体满足总体力矩平衡条件.岩块受力分析示意图见图6.

图6 简化Bishop条分法受力分析图

可建立如下平衡条件.由岩块i竖向力平衡可知

(2)

由岩块i底面切向力平衡可知

(3)

潜在滑体整体力矩平衡条件

根据式(1)～(3)，可得

(5)

(6)

(7)

2.2 敏感度计算

敏感度分析是指通过计算一个自变量发生变化时所引起的因变量的改变率从而分析该自变量对因变量的贡献.边坡安全系数对第i个影响因素的敏感度计算公式为

(8)

2.3 计算模型

沿结构面组合的剪切滑动破坏是岩质高边坡失稳的一种主要形式，为了研究潜在滑体的几何特征(高度h、厚度w以及滑动面倾角δ)对岩质高边坡稳定性的影响，文中以山西永源花岗石矿边坡为例，探讨了自重情况下边坡安全系数对潜在滑体的几何特征的敏感度，计算中h=15，30，45，60，75，90m，w=20，40，60，80，100m；δ=0°，15°，30°，共计算了6×5×3=90种情况.计算模型见图7，计算参数见表1.

图7 算例边坡几何形状

基于SLIDE的特点，文中提出了一种用SLIDE计算潜在滑体沿结构面破坏的安全系数的方法，解决了SLIDE无法计算岩体沿弱面发生破坏的问题.具体思路是：在对岩体参数赋值时，岩石的重度不变，但是岩石强度参数c，φ赋的是结构面的强度参数值.

3 结果与讨论

图8～10为不同δ下的安全系数与滑体高度关系的曲线.由图8～10可知，当w和δ一定时，随着h的增大，安全系数Fos非线性减小，但是变化率即dFos/dh随h的增大而不断减小，说明滑体高度较小时，安全系数随之增大而显著减小，但当h增大到一定程度后，安全系数随滑体高度的增大变化不明显.

图8 安全系数与滑体高度关系曲线(δ=0°)

图9 安全系数与滑体高度关系曲线(δ=15°)

图10 安全系数与滑体高度关系曲线(δ=30°)

图11 安全系数对滑体高度的敏感度与滑体宽度关系曲线

由图8～10可知，当δ≤15°时，随滑体宽度的增大，边坡安全系数不断增大，但是当δ>15°，随滑体宽度的增大Fos不断减小.上述结论说明滑体宽度对边坡安全系数的影响受滑动面倾角影响较大，δ不同，Fos-w关系曲线走势可能不同.

图12 安全系数对滑体宽度的敏感度与滑体宽度关系曲线

由图8～10可知，在w和h一定的情况下，滑动面倾角越大，边坡安全系数越小，例如当δ=0°时，Fos最大达25.58，相同情况下，δ=30°时，Fos仅为1.97，两者竟相差13倍，说明滑动面倾角对边坡安全系数的影响非常显著.

图13 安全系数对滑动面倾角的敏感度与滑体高度关系曲线

4 结 论

1) 潜在滑体的几何特征中，敏感度大小顺序为：滑动面倾角>滑体宽度>滑体高度，说明滑动面倾角对边坡稳定性起主要控制作用，滑体宽度和滑体高度对边坡稳定性的影响相对较小.

2) 边坡稳定性随滑体高度的增大非线性减小，并且边坡安全系数对滑体高度的敏感度受滑体宽度的影响不大，但是滑动面倾角对其影响较明显，滑动面倾角越大，安全系数对滑体高度的敏感度越小，反之越大.

3) 滑体宽度对边坡稳定性的影响受滑动面倾角影响较大，当滑动面倾角≤15°时，滑体宽度越大，边坡稳定性越高，但是当滑动面倾角>15°时，滑体宽度越大，边坡稳定性越低.

4) 滑动面倾角对边坡稳定性的影响最大，相同情况下，当滑动面倾角由0°增大到30°时，边坡安全系数由25.58骤降到1.97.安全系数对滑动面倾角的敏感度随滑体高度的增大而非线性减小，而随滑体宽度增加而增大.

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LIU Tingting1,2)ZHANG Jun3)

(KeyLaboratoryofRoadwayBridgeandStructureEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)1)(SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)2)(CCCCSecondHighwayConsultantsCo.Ltd,Wuhan430070,China)3)

Selecting Yongyuan granite mine slope as the site for analysis, the study on the mechanism of sliding-shear failure along the combination of steep and gently inclined joints is conducted through field investigation, laboratory tests and limit equilibrium theory. Based on simplified bishop method, the influence of potential landslide geometric characteristics(landslide height, landslide width and sliding surface inclination) to slope stability is explored for sliding-shear failure of high rock slope that along the combinations of joints and various fracture zones. The sensitivity level of each geometric characteristic is established. The orders of sensitivity from large to small are the sliding surface inclination, landslide width and land slide height. It means that sliding surface inclination performs a control role on the slope stability and the influence of landslide height and landslide width is relatively weak.

dipping rock slope; simplified bishop method; landslide; sensitivity

2016-08-24

*中国博士后面上基金资助(2015M582289)

TU457 doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.05.007

刘婷婷(1986- )：女，博士后，主要研究领域为应力波传播和边坡稳定性分析