馮永能,郭微(重慶市勘測(cè)院,重慶市巖土工程技術(shù)研究中心,重慶 400020)

基于現(xiàn)場(chǎng)大型直剪試驗(yàn)的順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析

馮永能?,郭微
(重慶市勘測(cè)院,重慶市巖土工程技術(shù)研究中心,重慶 400020)

摘 要:以重慶軌道交通十號(hào)線朱家灣車(chē)場(chǎng)為依托工程,采用現(xiàn)場(chǎng)原位大型直剪試驗(yàn),得到巖體軟弱結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度參數(shù),與《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》GB 50330-2013中的軟弱結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)推薦值進(jìn)行對(duì)比。運(yùn)用有限元強(qiáng)度折減法對(duì)該邊坡典型斷面的破壞模式和穩(wěn)定性進(jìn)行分析,其結(jié)果顯示該邊坡為欠穩(wěn)定邊坡,易沿層面發(fā)生滑動(dòng)破壞,針對(duì)分析結(jié)果提出了相應(yīng)的加固和支護(hù)措施。

關(guān)鍵詞:邊坡;直剪試驗(yàn);有限元;強(qiáng)度折減法

1　引 言

邊坡穩(wěn)定性的影響因素較多,且各因素普遍具有隨機(jī)、模糊等不確定性,影響因素與邊坡穩(wěn)定性之間則表現(xiàn)為復(fù)雜的非線性關(guān)系,目前仍未找到一種通用的確定性方法來(lái)描述。國(guó)內(nèi)外研究[1～4]早期主要采用定性的方法,如工程地質(zhì)類(lèi)比法,僅以土體為研究對(duì)象的,其特點(diǎn)是采用材料力學(xué)和簡(jiǎn)單的均質(zhì)彈性、彈塑性理論為基礎(chǔ)的半經(jīng)驗(yàn)半理論性質(zhì)的研究方法進(jìn)行巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性研究。但由于其力學(xué)機(jī)理的粗淺或假設(shè)的不合理,其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況差別較大。上世紀(jì)60年代后期出現(xiàn)以彈塑性理論為基礎(chǔ)的極限平衡法等新方法,計(jì)算機(jī)技術(shù)和巖體力學(xué)機(jī)理研究的發(fā)展,給定量評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性創(chuàng)造條件,并逐漸發(fā)展出極限平衡法、有限元法等數(shù)值方法,從而使邊坡穩(wěn)定性研究進(jìn)入模式機(jī)制和作用過(guò)程的研究成為可能。

巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度是巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析的重要參數(shù),設(shè)計(jì)和計(jì)算時(shí)通常根據(jù)規(guī)范[5]《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》GB 50330-2013和工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行類(lèi)比和估算,也可以采用極限平衡法或數(shù)值分析方法,根據(jù)邊坡實(shí)測(cè)位移對(duì)結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度進(jìn)行反演[6～8]。但很多情況下,巖質(zhì)受軟弱結(jié)構(gòu)面控制,為準(zhǔn)確測(cè)定結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度,仍然依賴于現(xiàn)場(chǎng)原位大型直剪試驗(yàn)及室內(nèi)直剪試驗(yàn)的資料。

本文以重慶軌道交通朱家灣車(chē)輛段工程為依托,采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值分析相結(jié)合的方法對(duì)該工程邊坡的穩(wěn)定性和破壞模式進(jìn)行分析,并提出相應(yīng)的措施和建議。

2　工程概況

朱家灣車(chē)輛段工程位于渝鄰高速公路西側(cè)、重慶快速路系統(tǒng)一橫線環(huán)山隧道段以北的地塊內(nèi),場(chǎng)地呈狹長(zhǎng)形,東西寬約410 m,南北長(zhǎng)約900 m,面積約40 hm2。場(chǎng)地原始地貌為構(gòu)造剝蝕丘陵地貌,地形總體為西高東低,地面高程約280 m～390 m,相對(duì)高差110 m,地形坡角10°～30°,場(chǎng)地地表主要為林地、農(nóng)田,植被較茂密,局部分布有魚(yú)塘、藕田、水田。

場(chǎng)地邊坡分布如圖1所示,其中一號(hào)邊坡為挖方邊坡,邊坡類(lèi)型主要為順層巖質(zhì)邊坡;二號(hào)邊坡為挖方邊坡,邊坡類(lèi)型主要為切向、反向巖質(zhì)邊坡;三號(hào)邊坡為填方邊坡;四號(hào)邊坡為挖方邊坡,邊坡類(lèi)型為切向巖質(zhì)邊坡。根據(jù)設(shè)計(jì)意圖,對(duì)一號(hào)邊坡將采用坡率法進(jìn)行分階放坡開(kāi)挖,坡率采用1∶1.50,并設(shè)置錨桿對(duì)邊坡進(jìn)行錨固;對(duì)二、四號(hào)邊坡將采用坡率法進(jìn)行分階放坡開(kāi)挖,坡率采用1∶0.75～1∶1.00,并設(shè)置錨桿對(duì)邊坡進(jìn)行錨固;對(duì)三號(hào)邊坡將采用坡率法進(jìn)行分階放坡回填,坡率采用1∶1.75。

圖1　朱家灣車(chē)輛段環(huán)境邊坡分布圖

場(chǎng)地內(nèi)多數(shù)地段基巖被第四系土層覆蓋,基巖露頭零星出露。場(chǎng)地地層由上至下分別為第四系全新統(tǒng)素(雜)填土、崩坡積層塊石土、殘坡積層粉質(zhì)黏土,下伏基巖為侏羅系下統(tǒng)珍珠沖組巖層,基巖以中厚層砂質(zhì)泥巖、砂巖為主。

3　現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

在距試驗(yàn)深度60 cm高度處向下開(kāi)鑿不小于50 cm×50 cm×50 cm的立方體試墩,從上至下開(kāi)挖,不擾動(dòng)試件,形成與剪切面一致的基底面,同時(shí)修平試樣頂面。試樣采用自由浸水飽和,飽和不少于48 h。

記錄每個(gè)試樣的垂直荷載及破壞時(shí)的剪應(yīng)力,繪制剪應(yīng)力與法向應(yīng)力的關(guān)系曲線,獲取土體的凝聚力c和內(nèi)摩擦角φ。如圖2、圖3所示:

圖2　現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)示意圖

圖3　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)圖

現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)共完成3組。TJ2-1#剪切面為土層與泥巖交接層面,夾灰白色、黃色黏性土,浸水飽和后呈軟塑狀,擦痕明顯,起伏差2 cm～5 cm;TJ2-2#剪切面為泥巖與砂巖交接層面,夾褐黃色、灰白色黏性土,浸水飽和后呈軟塑狀,擦痕明顯,局部剪切面光滑,起伏差1 cm～3 cm;TJ3#剪切面為砂巖與泥巖交接層面,夾褐黃色、灰白色黏性土,浸水飽和后呈軟塑狀,起伏差3 cm～7 cm。每組試驗(yàn)各制備試樣5個(gè),每個(gè)試樣沿預(yù)定剪切面剪損,剪斷后,剪切面凹凸不平。

現(xiàn)場(chǎng)大剪試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表 表1

《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》GB 50330-2013中軟弱結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值推薦如表2。與表1的試驗(yàn)數(shù)值對(duì)比可知,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)點(diǎn)巖體層面為結(jié)合很差的軟弱結(jié)構(gòu)面,其內(nèi)摩擦角和黏聚力均在規(guī)范推薦范圍之內(nèi)。

結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值 表2

4　數(shù)值模擬

計(jì)算采用有限元計(jì)算軟件MIDAS GTS進(jìn)行,選取典型剖面進(jìn)行建模計(jì)算。模型用四邊形網(wǎng)格,有限元網(wǎng)格劃分如圖4所示。邊界條件:底部固定,左、右兩側(cè)水平約束,巖土體重力荷載通過(guò)設(shè)置重力加速度的方式模擬。

圖4　有限元網(wǎng)格模型

巖土材料本構(gòu)關(guān)系采用彈塑性模型,即采用GTS中的摩爾-庫(kù)倫模型,根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)資料,確定材料參數(shù)如表3所示:

有限元材料參數(shù)表 表3

模擬結(jié)果如圖5、圖6所示,在重力場(chǎng)條件下,開(kāi)挖導(dǎo)致邊坡應(yīng)力重新分布,坡面附近應(yīng)力發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn),位移和剪切云圖均顯示,在坡腳的位置易發(fā)生應(yīng)力集中和變形。

圖5　邊坡Y方向的應(yīng)力分布云圖

圖6　邊坡剪切應(yīng)變?cè)茍D

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和《建筑邊坡工程百問(wèn)》中順層巖質(zhì)邊坡有限元計(jì)算實(shí)例,巖體層面采用薄層單元進(jìn)行模擬。有限元網(wǎng)格模型如圖7所示,巖體參數(shù)和邊界條件同上節(jié)。計(jì)算得到邊坡開(kāi)挖后的位移矢量和剪切應(yīng)變?cè)茍D(如圖8、圖9所示),結(jié)果顯示該邊坡主要受軟弱結(jié)構(gòu)面控制,可能的破壞形式是沿層面發(fā)生滑移破壞。采用有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算該邊坡的安全系數(shù)為1.04,為欠穩(wěn)定邊坡。

圖7　順層邊坡簡(jiǎn)化模型

圖8　邊坡位移矢量云圖

圖9　邊坡剪切應(yīng)變?cè)茍D

5　結(jié) 論

(1)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)點(diǎn)巖體軟弱結(jié)構(gòu)面,其內(nèi)摩擦角和黏聚力與《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》GB 50330-2013中的推薦值基本適合。

(2)上部土質(zhì)邊坡部分在暴雨等不利工況下易沿巖土界面出現(xiàn)局部垮塌或產(chǎn)生土體內(nèi)部的圓弧滑動(dòng),故建議對(duì)土質(zhì)邊坡部分采用重力式擋墻支護(hù)。邊坡中下部及坡腳的位置易發(fā)生應(yīng)力集中和變形,在使用坡率法放坡的同時(shí),應(yīng)對(duì)邊坡中下部進(jìn)行支護(hù)加強(qiáng),在坡腳位置設(shè)置抗滑樁對(duì)邊坡進(jìn)行支擋。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉展,楊作升,牛富俊.邊坡穩(wěn)定性有限元直接評(píng)價(jià)與輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2002,21(10): 1515～1519.

[2] 殷躍平.中國(guó)滑坡防治工程理論與實(shí)踐[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),1998(1).

[3] 胡佐平,牟銳.基于MIDAS/ GTS的順層巖質(zhì)路塹邊坡穩(wěn)定性影響因素及影響規(guī)律分析[J].公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù), 2010,228:10～13.

[4] 陳靜曦,章光等.順層滑移路塹邊坡的分析和治理[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2002,21(1):48-51.

[5] GB 50330-2013.建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范[S].

[6] 劉明維,鄭穎人.巖質(zhì)邊坡結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)的實(shí)用確定方法[J].工程勘察,2006(5):6～9.

[7] 崔中興,宋克強(qiáng).巖石軟弱結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度的單試件確定法[J].巖土工程學(xué)報(bào),1996,18(4):84～90.

[8] 李治廣,董兆祥.結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)對(duì)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定的影響[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),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

文章編號(hào):1672-8262(2015)01-159-03中圖分類(lèi)號(hào):TU459

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

收稿日期:?2014—10—18

作者簡(jiǎn)介:馮永能(1965—),男,正高職高級(jí)工程師,主要從事巖土工程勘察設(shè)計(jì)、檢測(cè)監(jiān)測(cè)及地質(zhì)災(zāi)害防治等方向的工作和研究。

基金項(xiàng)目:住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部2014年科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目(2014-K8-009);重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃項(xiàng)目(cstc2014jcyjA90026)。