閆金凱，馬 娟 ，馮 春

（1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 地 質(zhì)力學(xué)研究所，北京 1 00081；2.中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，北京 1 00081；3.中國(guó)科學(xué)院 力 學(xué)研究所，北京 1 00084）

0 引言

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)“500m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡”（Five hundred meters Aperture Spherical Telescope，簡(jiǎn)稱FAST）是國(guó)家科教領(lǐng)導(dǎo)小組審議確定的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施之一，擬采用我國(guó)科學(xué)家獨(dú)創(chuàng)的設(shè)計(jì)和我國(guó)貴州南部的喀斯特洼地的獨(dú)特地形條件，建設(shè)一個(gè)直徑500m的高靈敏度的巨型射電望遠(yuǎn)鏡。FAST建成后將成為世界上最大口徑的射電望遠(yuǎn)鏡，其效果圖如圖1所示。

圖1 FAST效果圖Fig.1 Schematic diagram of FAST

FAST建設(shè)項(xiàng)目位于貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣克度鎮(zhèn)金科村大窩凼洼地（圖2），工程場(chǎng)地內(nèi)分布有大量的塊石堆積體（圖3），臺(tái)址開挖后塊石堆積體的穩(wěn)定性對(duì)FAST項(xiàng)目的建設(shè)及以后的安全運(yùn)營(yíng)有著重要影響。FAST臺(tái)址塊石堆積體中塊石尺寸較大，其粒徑一般在1m以上，大者可達(dá)數(shù)米或十幾米，塊石相互堆積、咬合，導(dǎo)致其力學(xué)性質(zhì)和變形破壞特征與一般的土體和巖體有較大的差異。殷躍平［1］將此類地質(zhì)體命名為“巨石混合體”，本文中也沿用這一概念。由于巨石混合體所具有的大塊石堆積的結(jié)構(gòu)特性，致使對(duì)巨石混合體邊（滑）坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)存在爭(zhēng)議。目前專門針對(duì)巨石混合體開展的研究較少，工程上通常將其作為常見的碎屑堆積體處理，沒(méi)有考慮塊石的尺寸效應(yīng)對(duì)變形及力學(xué)特性的影響。

圖2 FAST臺(tái)址大窩凼洼地Fig.2 Da wo dang depression of FAST location

圖3 FAST臺(tái)址巨石混合體Fig.3 Large rock mixture in FAST location

殷躍平［1］認(rèn)為對(duì)這類巨石土混合體反演所采用的內(nèi)摩擦角應(yīng)該比滑帶土的殘余抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)值高20％～30％，在考慮滑帶土性狀時(shí)，也應(yīng)研究滑體結(jié)構(gòu)對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響。李樹武、陳強(qiáng)等［2-3］結(jié)合堆積體的天然休止角與室內(nèi)大剪試驗(yàn)結(jié)果確定某堆積體的力學(xué)參數(shù)，認(rèn)為可按堆石體的天然休止角作為其內(nèi)摩擦角。朱彥，唐韜等［4-5］對(duì) F AST臺(tái)址巖堆的特征進(jìn)行了分析，認(rèn)為堆石體的穩(wěn)定系數(shù)與安息角有關(guān)。涂國(guó)祥［6］通過(guò)大型三軸試驗(yàn)對(duì)某冰水堆積體的變形及強(qiáng)度特性進(jìn)行了研究。以上研究對(duì)巨石混合體邊（滑）坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)具有一定的參考價(jià)值，但目前為止對(duì)此類巨石混合體邊（滑）坡的變形失穩(wěn)模式及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法尚存在爭(zhēng)議，這也一定程度上影響了FAST工程的進(jìn)展。

本文通過(guò)數(shù)值計(jì)算，選取典型剖面對(duì)FAST臺(tái)址巨石混合體邊坡開挖穩(wěn)定性進(jìn)行研究，為FAST臺(tái)址巨石混合體及類似地質(zhì)體的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及防治提供參考。

1 FAST臺(tái)址巨石混合體特征

1.1 成因分析

FAST臺(tái)址巨石混合體是崩塌堆積的產(chǎn)物，其形成條件主要有地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌和水的作用。構(gòu)造上，當(dāng)斷層從場(chǎng)地中部呈南北向貫穿，巖層遭遇斷層強(qiáng)烈破壞，節(jié)理裂隙比較發(fā)育，將巖體切割成大小不一和形狀不規(guī)則的四方體，易風(fēng)化剝落在山腳形成堆積體；高陡斷崖及陡壁為巨石混合體的形成提供了地貌條件；地表水沿裂隙滲入巖層，降低了巖石裂隙間的粘聚力和摩擦力，同時(shí)也增加了巖體的重量，促進(jìn)了不穩(wěn)定巖體的崩塌，利于巨石混合體的形成。

圖4 FAST工程某剖面圖Fig.4 Section diagram of FAST

1.2 巨石混合體特征

由于形成時(shí)期的不同，F(xiàn)AST臺(tái)址巨石混合體自下而上分為兩種類型，類型一為密實(shí)堆積的巨石混合體（稱為D1單元），為古崩塌堆積體，上覆于基巖，結(jié)構(gòu)密實(shí)。塊石成分為白云質(zhì)灰?guī)r及少量含泥灰?guī)r，塊石粒徑大小懸殊，大者達(dá)3.0m×4.0m×5.0m以上，小的只有1cm×2cm×3cm左右，大小混雜，塊石含量一般在80％～90％，塊體間為粘土、碎石、角礫的混合體充填，充填物多呈膠結(jié)狀態(tài)。

類型二為表層松散堆積的巨石混合體（稱為D2單元），近期崩塌堆積形成，粒徑大小及其塊體之間的充填物以及各組份的含量與D1單元的基本相同，結(jié)構(gòu)松散，上覆于D1單元，厚度2.0～7.0m不等。塊石粒徑大小不均，相差較大，最大塊石直徑大于5m。

2 巨石混合體邊坡開挖穩(wěn)定性

巨石混合體屬于堆積體的一種，目前對(duì)堆積體邊（滑）坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)一般是將堆積體作為連續(xù)體來(lái)考慮，采用土質(zhì)邊（滑）坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法來(lái)進(jìn)行分析。雖然對(duì)巨石混合體邊坡來(lái)講采用基于連續(xù)介質(zhì)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法存在一定的不合理之處，但由于目前缺乏對(duì)這類大塊石堆積的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法，且工程中需對(duì)其穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行量化，故通常對(duì)這類巨石混合體邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)多采用土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法。本文分別將巨石混合體視為連續(xù)介質(zhì)和離散介質(zhì)，采用土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法和離散元數(shù)值模擬，對(duì)FAST臺(tái)址典型巨石混合體邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

FAST臺(tái)址巨石混合體邊坡在開挖工況下，有可能產(chǎn)生兩種破壞形式，即深層滑移和表層塊體的失穩(wěn)，現(xiàn)分別對(duì)這兩種情況進(jìn)行分析。以圖4所示的剖面為計(jì)算剖面，考慮到臺(tái)址開挖后右半部分的松散巨石混合體全部清除，因此只取左半部分的剖面進(jìn)行計(jì)算。

2.1 深層滑移模式

（1）計(jì)算模型建立

松散巨石混合體與下伏膠結(jié)密實(shí)的巨石混合體之間沒(méi)有明顯的界限和軟弱面，但在松散巨石混合體內(nèi)部有可能沿某一滑動(dòng)面發(fā)生失穩(wěn)滑動(dòng)，因此采用GEO-SLOPE軟件搜索可能的滑動(dòng)面，并計(jì)算相應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)。鑒于巨石混合體的透水性較好，本次計(jì)算不考慮水的影響。

（2）參數(shù)選取

計(jì)算過(guò)程中需確定相關(guān)的計(jì)算參數(shù)，即巨石混合體的重度、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。由于巨石混合體的塊石尺寸較大，采用常規(guī)的試驗(yàn)方法無(wú)法進(jìn)行。本文采用大型三軸剪切試驗(yàn)來(lái)確定巨石混合體的相關(guān)力學(xué)參數(shù)。具體方法為：通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)巨石混合體的尺寸進(jìn)行調(diào)查，得出粒徑級(jí)配曲線，采用縮尺方法（相似級(jí)配法）將塊石粒徑進(jìn)行縮尺后制作試樣，再進(jìn)行大型三軸剪切試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果并參考經(jīng)驗(yàn)取值，本次計(jì)算采用的參數(shù)如表1所示，其中內(nèi)聚力表征的是塊石堆積的咬合力。

表1 FAST臺(tái)址巨石混合體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Recommended physical and mechanical parameters of large rock mixture

（3）計(jì)算結(jié)果

圖5為開挖后的計(jì)算模型及所得的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，可知開挖后的巨石混合體邊坡，最易發(fā)生滑動(dòng)的區(qū)域?yàn)樯喜康亩逊e體。表2為Janbu法、Bishop法及Morgenstern-Price法各自對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)。由計(jì)算結(jié)果來(lái)看，三種方法計(jì)算所得的沿最危險(xiǎn)滑動(dòng)面滑動(dòng)的穩(wěn)定系數(shù)均較大，表明此剖面的邊坡在開挖后不會(huì)發(fā)生坡體內(nèi)部的滑動(dòng)。

圖5 計(jì)算模型及最危險(xiǎn)滑動(dòng)面Fig.5 Calculation model and the most dangerous slip surface

表2 最危險(xiǎn)滑動(dòng)面對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)Table 2 Stability factor of the most dangerous slip surface

2.2 坡體表面塊體失穩(wěn)模式

巨石混合體邊坡是由大塊石堆積而成，塊石之間互相鑲嵌、咬合，臺(tái)址開挖后，一部分塊石被挖走，影響了塊石的堆積狀態(tài)，有可能造成塊石的局部失穩(wěn)。因此，對(duì)圖4所示的剖面進(jìn)行離散元數(shù)值模擬，研究開挖后巨石混合體邊坡的穩(wěn)定情況。

（1）計(jì)算模型建立

本次計(jì)算依據(jù)圖4所示的典型剖面建立計(jì)算模型。由于密實(shí)膠結(jié)的巨石混合體物理力學(xué)性質(zhì)較好，已接近巖類，且與基巖之間沒(méi)有明顯的軟弱帶，故建模時(shí)，將基巖與密實(shí)堆積的巨石混合體視為連續(xù)介質(zhì)，松散堆積的巨石混合體設(shè)為離散介質(zhì)。

本次計(jì)算采用三角形單元，由于軟件的限制無(wú)法實(shí)現(xiàn)塊石尺寸與實(shí)際調(diào)查所得的實(shí)際塊石尺寸及粒徑級(jí)配相符，故生成單元時(shí)采用了代表粒徑。即根據(jù)調(diào)查所得的塊石粒徑分布情況，通過(guò)以下公式計(jì)算塊石的代表粒徑ˉD：

式中：pi——粒徑di的塊石重量占總重量的百分?jǐn)?shù)。

經(jīng)計(jì)算得此剖面處巨石混合體的代表粒徑為1.8m，建模時(shí)塊體單元尺寸以1.8m為基準(zhǔn)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖6為開挖前的計(jì)算模型，圖7為開挖后的計(jì)算模型，在開挖模型上選取四個(gè)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)位移變化情況。

圖6 開挖前計(jì)算模型Fig.6 Calculation model before excavation

圖7 開挖后計(jì)算模型Fig.7 Calculation model after excavation

（2）計(jì)算結(jié)果

由圖8所示的位移云圖得知，開挖后巨石混合體邊坡發(fā)生變形的部位主要為上部較陡的區(qū)域，下部坡度較緩的區(qū)域變形較小。其變形失穩(wěn)模式與土質(zhì)滑坡不同，不是沿邊坡內(nèi)部的某一滑面發(fā)生滑動(dòng)，而是表層的塊體在開挖后由于失去支撐而發(fā)生變形，再導(dǎo)致與其相接觸的后部塊體的變形，塊體變形模式以翻滾、滑移為主。其原因在于，由于巨石混合體中塊石互相鑲嵌、堆積，咬合作用較強(qiáng)，且上部松散的巨石混合體與下部密實(shí)巨石混合體之間沒(méi)有軟弱夾層，所以不易在坡體內(nèi)部發(fā)生滑動(dòng)。開挖時(shí)，表層的塊體被挖走，導(dǎo)致其后部原本與其相接觸的塊體失去支撐，在重力作用下發(fā)生變形，重新進(jìn)行堆積。從圖9所示的各測(cè)點(diǎn)的位移曲線來(lái)看，幾個(gè)測(cè)點(diǎn)的位移先增大，而后逐漸趨于平穩(wěn)，也即塊石經(jīng)過(guò)重新堆積后又逐漸趨于穩(wěn)定，說(shuō)明這類巨石混合體具有一定的自穩(wěn)性。

圖8 開挖后位移云圖Fig.8 Displacement results after excavation

圖9 測(cè)點(diǎn)位移曲線Fig.9 Displacement variation curve of monitoring points

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)FAST臺(tái)址巨石混合體邊坡兩種可能的變形失穩(wěn)模式進(jìn)行研究，主要取得了以下認(rèn)識(shí)：

（1）巨石混合體塊石之間互相咬合的特性導(dǎo)致其抗剪強(qiáng)度參數(shù)較高，本文選取的計(jì)算剖面不會(huì)發(fā)生坡體內(nèi)部的滑動(dòng)。

（2）FAST臺(tái)址開挖后容易發(fā)生失穩(wěn)的部位為邊坡上部較陡的區(qū)域，失穩(wěn)模式是表層塊體的翻滾、滑移變形。

（3）塊體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中重新堆積，具有一定的自穩(wěn)性。

本文只對(duì)FAST臺(tái)址某一剖面進(jìn)行了分析，對(duì)于其它部分的巨石混合體邊坡可采用同樣的方法進(jìn)行計(jì)算分析，從而為FAST臺(tái)址巨石混合體邊坡的開挖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及防治提供參考。

致謝：本文在寫作過(guò)程中引用了貴州省建筑工程勘察院的相關(guān)勘察資料，特此致謝!

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