反傾互層巖質(zhì)邊坡挖方穩(wěn)定性的建模分析

胡志剛，周湘君，周 愷

(1.江西省交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，江西 南昌 330052；2.中鐵八局集團(tuán)建筑工程有限公司，四川 成都 611731)

0 引 言

反傾互層巖質(zhì)邊坡開(kāi)挖后，將沿著坡體軟弱結(jié)構(gòu)的方向出現(xiàn)一定的剪切變形，隨著變形程度的增加，最終發(fā)展成較為明顯的斷裂結(jié)構(gòu)。支撐力較為薄弱的結(jié)構(gòu)面作為控制邊坡穩(wěn)定的主要結(jié)構(gòu)體，在挖方過(guò)程中，所產(chǎn)生的一切失穩(wěn)及破壞作用力都會(huì)沿著結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)方向而逐漸減弱。隨著邊坡滑動(dòng)行為強(qiáng)度的增大，該結(jié)構(gòu)面所表現(xiàn)出的傾斜程度隨之增大，最終導(dǎo)致滑動(dòng)結(jié)構(gòu)外表面出現(xiàn)多條方向保持一致的細(xì)微裂縫，使挖方邊坡的穩(wěn)定能力遭到破壞[1]。在施工過(guò)程中，坡體中薄弱面巖性特征會(huì)對(duì)挖方邊坡的結(jié)構(gòu)性能造成嚴(yán)重影響。因此，如何對(duì)反傾互層巖質(zhì)坡體的挖方穩(wěn)定性進(jìn)行建模，成為挖方邊坡施工中的重要工程問(wèn)題。傳統(tǒng)的極限平衡法通過(guò)時(shí)序位移監(jiān)測(cè)的方式，對(duì)挖方邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行集中評(píng)價(jià)，再分別從數(shù)據(jù)反映、計(jì)算步驟等多個(gè)角度，分析預(yù)測(cè)過(guò)程中可能出現(xiàn)的各項(xiàng)不確定因素[2]。然而此方法的處理能力有限，很難在邊坡高度不斷增大的過(guò)程中，始終將動(dòng)力載荷位移響應(yīng)比參數(shù)控制在預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)值以下。

為解決上述問(wèn)題，本文分別從巖體強(qiáng)度、巖層組合結(jié)構(gòu)、時(shí)間、力學(xué)載荷作用、不連續(xù)面的力學(xué)特征等5個(gè)角度，研究施工過(guò)程中可能對(duì)邊坡穩(wěn)定造成影響的挖方因素，并基于以上影響因素，計(jì)算邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定失穩(wěn)損傷破壞特征，計(jì)算挖方卸荷效應(yīng)作用下的施工強(qiáng)度，構(gòu)建反傾互層巖質(zhì)邊坡的挖方邊坡穩(wěn)定性模型，以期為反傾互層巖質(zhì)挖方邊坡的穩(wěn)定性分析提供參考。

1 反傾互層巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性影響因素

針對(duì)影響反傾互層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的巖體強(qiáng)度、巖層組合結(jié)構(gòu)、力學(xué)載荷作用、時(shí)間、不連續(xù)面的力學(xué)特征等5個(gè)因素展開(kāi)具體研究，為穩(wěn)定性建模分析做鋪墊。

1.1 巖體強(qiáng)度

反傾互層巖質(zhì)邊坡的巖體強(qiáng)度是決定挖方邊坡穩(wěn)定性的最主要影響因素之一。在相對(duì)平緩的地質(zhì)環(huán)境中，邊坡高度達(dá)到幾十米時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞行為；而在相對(duì)陡峭的地質(zhì)環(huán)境中，一部分邊坡的高度達(dá)到幾百米時(shí)，巖體結(jié)構(gòu)表面也不會(huì)出現(xiàn)明顯的破壞現(xiàn)象，產(chǎn)生這種物理差異的主要原因就是由于邊坡巖體強(qiáng)度水平的不同。具體表現(xiàn)形式為，巖體強(qiáng)度會(huì)隨著巖體層面、斷層等不連續(xù)面傾角的變化而不斷變化，巖體強(qiáng)度變化的同時(shí)影響著邊坡的穩(wěn)定性[3]。

若邊坡內(nèi)巖體結(jié)構(gòu)傾向于坡面，且其不連續(xù)面傾角在30 °～70 °之間時(shí)，巖體強(qiáng)度減弱。反傾互層巖質(zhì)邊坡在挖方過(guò)程中也不斷破壞巖體強(qiáng)度，導(dǎo)致邊坡的穩(wěn)定性不斷降低，產(chǎn)生簡(jiǎn)單的物理滑動(dòng)行為。如果坡體不連續(xù)面為直立或水平狀態(tài)，主邊坡巖體的受力將會(huì)沿著不連續(xù)面的滑動(dòng)方向快速傳導(dǎo)，使巖體強(qiáng)度降低，塊狀巖體所表現(xiàn)出的運(yùn)動(dòng)行為便不只是簡(jiǎn)單的滑動(dòng)[4]。綜上所述，根據(jù)不連續(xù)面傾角數(shù)值、巖體開(kāi)挖面的方向及坡度數(shù)值，可以直接確定邊坡主體巖體的強(qiáng)度，從而得出邊坡穩(wěn)定性的變化情況。

1.2 巖層組合結(jié)構(gòu)

反傾互層巖質(zhì)邊坡通常位于層狀結(jié)構(gòu)巖體內(nèi)部，由于巖層組織之間的組合形式不同，挖方邊坡所表現(xiàn)出的穩(wěn)定情況也有很大差異。反傾互層巖體的巖層組合結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。從圖1可知，有些反傾互層巖質(zhì)邊坡的實(shí)際開(kāi)挖角度雖然很大，但挖方穩(wěn)定性水平依然很高，其主要原因在于巖體邊坡完全處于多層硬巖層之中，且相鄰巖層主體之間的不連續(xù)隙面相對(duì)較少[5]。此外，也有一些反傾互層巖質(zhì)邊坡的實(shí)際開(kāi)挖角度數(shù)值極小，但所表現(xiàn)出來(lái)的穩(wěn)定能力卻很差，這是因?yàn)橥诜竭吰绿幱诨鶐r不連續(xù)裂隙發(fā)育巖層或多個(gè)巖層主體的裂縫連接處。因此，對(duì)于反傾互層巖質(zhì)邊坡的挖方工程而言，巖層組合結(jié)構(gòu)表現(xiàn)性狀對(duì)于巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定能力的影響程度極大。

圖1 反傾互層巖體的巖層組合結(jié)構(gòu)

1.3 力學(xué)載荷作用

在邊坡挖方工程中，外力作用是一種極為常見(jiàn)的動(dòng)力荷載條件。外部作用力的突然產(chǎn)生，不但會(huì)造成巖體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)失穩(wěn)情況，也可能導(dǎo)致邊坡巖體出現(xiàn)完全破裂。因此，力學(xué)載荷作用是影響反傾互層巖質(zhì)邊坡挖方穩(wěn)定性的重要因素。

在實(shí)施反傾互層巖質(zhì)邊坡挖方邊坡穩(wěn)定性建模的過(guò)程中，為便于數(shù)據(jù)指標(biāo)的計(jì)算與處理，只需考慮水平方向上的力學(xué)載荷作用，忽略其他方向上的物理力學(xué)作用效果。水平方向上力學(xué)載荷的作用可按照水平加速度a1=0.10g計(jì)算。在計(jì)算過(guò)程中，擬定靜態(tài)施壓體積力P=ρVa1，其中，ρ為巖體密度；V為參與計(jì)算的反傾互層巖質(zhì)邊坡的巖體體積。在體積力向量等于β的情況下，可將力學(xué)載荷作用力Q表示為

(1)

式中，Ω為力學(xué)載荷向量；N為巖體失穩(wěn)系數(shù)；T為穩(wěn)定性邊坡挖方特征值。在不同時(shí)間條件下，力學(xué)載荷作用的分布并不平均，因此要進(jìn)一步研究時(shí)間因素[6]。

1.4 時(shí)間

由于反傾互層巖質(zhì)邊坡內(nèi)部總會(huì)存在強(qiáng)度較差的不連續(xù)性裂隙，而隨著力學(xué)載荷作用時(shí)間的延長(zhǎng)，這種裂隙最終會(huì)演變成嚴(yán)重的軟弱夾層。由于蠕變量的存在，挖方邊坡自身剪切強(qiáng)度也會(huì)隨著時(shí)間作用而不斷降低，這也是導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的主要原因[7-8]。對(duì)于反傾互層巖質(zhì)邊坡來(lái)說(shuō)，在實(shí)施挖方工程后，作用于軟弱夾層的水平應(yīng)力會(huì)快速釋放，造成巖石松動(dòng)。與此同時(shí)，垂直應(yīng)力的作用強(qiáng)度會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷增大，并最終促進(jìn)蠕變表現(xiàn)程度的逐漸加強(qiáng)。當(dāng)作用于水平方向上的應(yīng)力水平超過(guò)巖質(zhì)邊坡自身的抗剪強(qiáng)度時(shí)，實(shí)施挖方的邊坡側(cè)結(jié)構(gòu)則會(huì)出現(xiàn)明顯的蠕變變形，這也是時(shí)間條件對(duì)反傾互層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性造成的最直觀的影響。

1.5 不連續(xù)面的力學(xué)特征

由于節(jié)理面力學(xué)特征的存在，整個(gè)反傾互層巖質(zhì)邊坡土體介質(zhì)會(huì)變得不連續(xù)，節(jié)理面也叫不連續(xù)面。不連續(xù)面力學(xué)特征對(duì)挖方邊坡穩(wěn)定的影響見(jiàn)圖2。圖2中，S表示不連續(xù)面，M表示多種不同形態(tài)的節(jié)理面。從圖2可知，不連續(xù)面的力學(xué)性質(zhì)對(duì)邊坡巖體穩(wěn)定性強(qiáng)度的影響程度極深。不連續(xù)結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)同時(shí)由不連續(xù)面壁粗糙程度、面壁變質(zhì)程度、巖體延展程度等多項(xiàng)條件共同決定[9]。不連續(xù)結(jié)構(gòu)面作用力P可表示為

(2)

式中，e為不連續(xù)面壁粗糙程度；ν為面壁變質(zhì)程度；Δχ為巖體延展程度。

圖2 不連續(xù)面力學(xué)特征對(duì)挖方邊坡穩(wěn)定的影響

2 挖方邊坡穩(wěn)定性的建模方法

聯(lián)合已知的各項(xiàng)物理學(xué)影響因素，按照邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算、失穩(wěn)損傷破壞特征確定、挖方卸荷效應(yīng)分析的處理流程，完成反傾互層巖質(zhì)邊坡挖方邊坡穩(wěn)定性建模。

2.1 計(jì)算邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)

對(duì)于反傾互層巖質(zhì)邊坡而言，由于多級(jí)邊坡結(jié)構(gòu)形態(tài)的特殊性，在實(shí)施挖方施工穩(wěn)定性建模的過(guò)程中，不僅要考慮整個(gè)巖體的穩(wěn)定性，還需針對(duì)每級(jí)臺(tái)階所形成的小型邊坡結(jié)構(gòu)體的穩(wěn)定性進(jìn)行定性研究。若將每一級(jí)臺(tái)階都視為一個(gè)獨(dú)立的挖方邊坡，則臺(tái)階坡面角將成為影響邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要因素[10-11]。在一般的反傾互層巖質(zhì)邊坡挖方施工中，邊坡的臺(tái)階高度應(yīng)保持在10 m左右，但在巖性特征不固定的施工環(huán)境中，則應(yīng)針對(duì)具體的巖體強(qiáng)度及巖層組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體分析。在施工過(guò)程中，挖方邊坡整體邊坡角數(shù)值是由力學(xué)載荷作用力、平臺(tái)寬度、臺(tái)階高度、臺(tái)階坡面角4項(xiàng)取值條件共同決定的。挖方邊坡整體邊坡角F表示為

(3)

式中，h為邊坡臺(tái)階高度；d為平臺(tái)寬度；α為臺(tái)階坡面角；α0為初始邊坡角；λ為巖層組合結(jié)構(gòu)中的巖體特征值。由此獲得挖方邊坡整體邊坡角數(shù)值。

2.2 確定失穩(wěn)損傷的破壞特征

在反傾互層巖質(zhì)邊坡的連續(xù)挖方開(kāi)采過(guò)程中，伴隨的應(yīng)力重分布行為與開(kāi)挖卸荷效應(yīng)，使挖方邊坡的穩(wěn)定性水平逐漸降低，若應(yīng)力重分布行為的作用效果比開(kāi)挖卸荷效應(yīng)更為明顯，則可認(rèn)為邊坡巖體的物理力學(xué)參數(shù)被不斷弱化，在降低巖體強(qiáng)度的同時(shí)，促使挖方邊坡呈現(xiàn)出逐漸失穩(wěn)的形式[12]。大多數(shù)情況下，邊坡漸進(jìn)失穩(wěn)以臺(tái)階坡腳作為起始損傷點(diǎn)，且隨著挖方施工時(shí)間的延長(zhǎng)，邊坡?lián)p傷基本呈現(xiàn)出逐步向周?chē)鷶U(kuò)展的形式。與此同時(shí)，其他臺(tái)階坡腳處也會(huì)接連出現(xiàn)不同形式的新型損傷點(diǎn)，且這些損傷點(diǎn)之間相互連通，在整個(gè)邊坡區(qū)域中形成貫通性的損傷區(qū)域，外界作用應(yīng)力的重分布現(xiàn)象只會(huì)在局部區(qū)域進(jìn)行[13-14]。新的損傷點(diǎn)不斷向已形成的損傷貫通區(qū)域發(fā)展，如此往復(fù)循環(huán)，最終使整個(gè)反傾互層巖質(zhì)邊坡出現(xiàn)嚴(yán)重破損。

根據(jù)上述原理計(jì)算挖方邊坡的失穩(wěn)損傷破壞特征。設(shè)s0為最小失穩(wěn)損傷貫通系數(shù)，sn為最大失穩(wěn)損傷貫通系數(shù)；n為反傾互層巖質(zhì)邊坡的連續(xù)挖方開(kāi)采條件，聯(lián)立式(3)，可將挖方邊坡的失穩(wěn)損傷破壞特征表示為

(4)

式中，K為損傷點(diǎn)的外界作用應(yīng)力；μ為應(yīng)力重分布的行為系數(shù)；y為臺(tái)階坡腳的損傷表現(xiàn)量；Δt為挖方施工的單位作用時(shí)長(zhǎng)。

2.3 計(jì)算挖方卸荷效應(yīng)作用下的施工強(qiáng)度

挖方卸荷效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是將原本處于3向受力形式的反傾互層巖質(zhì)邊坡巖體轉(zhuǎn)換為1或2個(gè)方向上的物理載荷作用，從而使巖體的受力狀態(tài)發(fā)生改變。此時(shí)，邊坡巖體外部會(huì)呈現(xiàn)出明顯的卸荷回彈現(xiàn)象，即巖體會(huì)受到1個(gè)與實(shí)際卸荷方向完全相反的拉應(yīng)力作用，挖方施工過(guò)程中的卸荷應(yīng)力由剪切應(yīng)力、拉伸應(yīng)力2部分共同組成[15]。具體表現(xiàn)形式見(jiàn)圖3。

圖3 挖方卸荷效應(yīng)

(5)

由此完成各項(xiàng)穩(wěn)定性挖方施工條件的計(jì)算與處理，在確保外界施工環(huán)境不發(fā)生改變的情況下，構(gòu)建反傾互層巖質(zhì)邊坡挖方邊坡穩(wěn)定性分析模型。

2.4 挖方邊坡的穩(wěn)定性分析模型構(gòu)建

基于反傾互層巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性影響條件，根據(jù)計(jì)算得到的邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)、邊坡挖方失穩(wěn)損傷的破壞特征、挖方卸荷效應(yīng)施工強(qiáng)度，構(gòu)建挖方邊坡穩(wěn)定性的分析模型。

設(shè)邊坡巖體強(qiáng)度為C，邊坡高度為h，挖方施工時(shí)間為T(mén)，基于式(3)、(4)、(5)，可求得挖方邊坡的應(yīng)力均布載荷穩(wěn)定系數(shù)U，即

(6)

至此，完成了反傾互層巖質(zhì)挖方邊坡穩(wěn)定性的建模分析。

3 實(shí)例分析

某邊坡區(qū)域地貌屬于構(gòu)造侵蝕中山地貌，場(chǎng)地微地貌屬于山前斜坡區(qū)巖層的穩(wěn)定產(chǎn)狀，總體地形為陡峭的內(nèi)反層狀，巖層產(chǎn)狀范圍320°～350°，夾角55°～62°，地層傾向與坡向夾角為150°～180°，邊坡高陡，高度為40～60 m。

由于長(zhǎng)時(shí)間的暴露影響以及外界風(fēng)力的長(zhǎng)時(shí)間作用等原因，反傾互層巖質(zhì)邊坡已經(jīng)出現(xiàn)了一定程度的局部裂縫破壞現(xiàn)象，且破壞形勢(shì)正態(tài)不斷惡化，邊坡局部破壞見(jiàn)圖4。為保證反傾互層巖質(zhì)邊坡挖方的穩(wěn)定性，對(duì)邊坡高度進(jìn)行測(cè)量(見(jiàn)圖5)，并將不同情況下挖方動(dòng)力載荷位移的響應(yīng)比參數(shù)值結(jié)果與預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比。

圖4 邊坡局部破壞

圖5 邊坡高度測(cè)量

在反傾互層巖質(zhì)邊坡平臺(tái)打鉆孔后，將測(cè)斜儀裝置安放于邊坡斷裂結(jié)構(gòu)內(nèi)，之后借助數(shù)據(jù)線，將各個(gè)測(cè)斜孔連接起來(lái)，并將其接入施工現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集箱中。采集箱可通過(guò)自身負(fù)載的無(wú)線發(fā)射裝置，將所獲的各項(xiàng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)信息(邊坡臺(tái)階高度、平臺(tái)寬度、臺(tái)階坡面角、邊坡角數(shù)值、邊坡巖體強(qiáng)度、邊坡高度值)傳入服務(wù)器中，不但解決了人工采集方法精準(zhǔn)性較差的問(wèn)題，也實(shí)現(xiàn)了對(duì)挖方邊坡穩(wěn)定性的有效監(jiān)測(cè)。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和式(6)分析邊坡的穩(wěn)定性，控制開(kāi)挖坡度。

施工現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集裝置采用太陽(yáng)能供電的驅(qū)動(dòng)形式。為解決數(shù)據(jù)信息遠(yuǎn)距離的傳輸問(wèn)題，在測(cè)斜儀外部安裝7 個(gè)中繼器設(shè)備，可恢復(fù)因距離較遠(yuǎn)而衰減的電壓，也可在較短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)邊坡高度信息的快速改變。完成邊坡高度值測(cè)量后，整個(gè)數(shù)據(jù)采集裝置會(huì)自動(dòng)斷電，達(dá)到了保護(hù)設(shè)備安全和節(jié)約電力資源的目的。圖6為隨著邊坡高度的升高，挖方水平應(yīng)力效應(yīng)作用的實(shí)際變化情況。

圖6 挖方水平應(yīng)力的效應(yīng)作用變化

從圖6可知，位于小高度的邊坡臺(tái)階在開(kāi)挖后，其水平應(yīng)力呈現(xiàn)出逐漸減小的變化趨勢(shì)；而位于大高度的邊坡臺(tái)階在開(kāi)挖后，其水平應(yīng)力在測(cè)量前期表現(xiàn)出不斷增大的變化趨勢(shì)，但隨著開(kāi)挖的逐漸深入，測(cè)量后期的壓應(yīng)力值也會(huì)向著減小的方向不斷發(fā)展，在持續(xù)開(kāi)挖過(guò)程中，最終演變成應(yīng)力值不斷減小的形式，然后會(huì)慢慢發(fā)展成相對(duì)的拉應(yīng)力，且其拉應(yīng)力數(shù)值不斷增加。

表1記錄了穩(wěn)定性建模方法(第1組)、傳統(tǒng)極限平衡法(第2組)下挖方動(dòng)力載荷位移響應(yīng)比參數(shù)隨邊坡高度的變化以及其與預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)值(第3組)的對(duì)比情況。出于平衡性考慮，水平應(yīng)力以開(kāi)挖步數(shù)等于4時(shí)的數(shù)值結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)。從表1可知，第1、2、3組挖方動(dòng)力載荷位移響應(yīng)比參數(shù)的總體變化形式始終保持一致，均隨著邊坡高度的增大，參數(shù)水平呈現(xiàn)不斷上升。但整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，第1組的響應(yīng)比參數(shù)低于5.42，各個(gè)節(jié)點(diǎn)處的數(shù)值結(jié)果始終不超過(guò)其他2組；第2組記錄結(jié)果的數(shù)值水平最高，每1個(gè)節(jié)點(diǎn)處的數(shù)值結(jié)果都超過(guò)第3組。

表1 挖方動(dòng)力載荷位移的響應(yīng)比參數(shù)

綜上可知，在反傾互層巖質(zhì)邊坡挖方施工的過(guò)程中，應(yīng)用邊坡穩(wěn)定性建模方法后，所測(cè)量出的動(dòng)力載荷位移的響應(yīng)比參數(shù)值能夠與預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)值結(jié)果保持相同的變化趨勢(shì)，證明了本文方法的可行性，且基于穩(wěn)定性分析模型控制施工量，使施工完成后邊坡的響應(yīng)比參數(shù)結(jié)果始終不會(huì)超過(guò)預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)值，提高了邊坡挖方施工的安全性和穩(wěn)定性。

4 結(jié) 語(yǔ)

為增強(qiáng)挖方工程的施工穩(wěn)定性水平，針對(duì)反傾互層巖質(zhì)邊坡，提出一種新型的穩(wěn)定性建模方法，從巖體強(qiáng)度、巖層組合結(jié)構(gòu)等多個(gè)角度入手，研究施工方法對(duì)施工穩(wěn)定性的實(shí)際影響能力，通過(guò)獲取邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)的方式，得到準(zhǔn)確的失穩(wěn)損傷破壞特征結(jié)果，分析挖方卸荷效應(yīng)，完成挖方邊坡穩(wěn)定性模型的構(gòu)建。實(shí)例表明，應(yīng)用本文的建模方法，能夠在反傾互層巖質(zhì)邊坡挖方施工過(guò)程中及時(shí)分析和評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性，使動(dòng)力載荷位移響應(yīng)比參數(shù)未超過(guò)預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)值，保證了反傾互層巖質(zhì)邊坡的挖掘質(zhì)量，增強(qiáng)了挖方邊坡的施工穩(wěn)定性水平，具有一定的實(shí)用性。