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(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 地質(zhì)概況

晉豫魯鐵路通道通過地區(qū)屬中溫帶干旱、半干旱氣候區(qū)，地形主要為中低山區(qū),起伏較大,溝壑縱橫,地面高程740～850 m,相對高差約110 m,處于臨汾—運城新裂陷九原山—塔兒山陷隆內(nèi),該段斷層不發(fā)育,發(fā)育兩組垂直裂隙①10∠85°、②300～320∠85°88°。根據(jù)《中國地震動峰值加速度區(qū)劃圖》(GB18306—2001),地震動峰值加速度為0.2g，地震基本烈度Ⅷ度。地面水系主要為沁河支流曲亭河的支溝，溝內(nèi)有常年流水,水量較小,估計水量約40 L/min。該工點附近砂巖滲透系數(shù)K約為0.45 m/d,由于工點高程超過溝間高程較多,勘察期間未見地下水。因此,地下水對邊坡的影響有限,就水文地質(zhì)作用來講,大氣降雨水動力作用對邊坡穩(wěn)定性的影響較大。地下水類型為基巖裂隙潛水,含水層巖性為砂巖,地下水水位埋深約30～35 m,地下水主要受大氣降雨補給。該區(qū)域主要出露巖性為第四系上更新砂質(zhì)黃土和紫紅色三疊系中統(tǒng)二馬營組砂巖,中粗粒結(jié)構(gòu),中厚層狀構(gòu)造,泥鈣質(zhì)膠結(jié),局部夾紫紅色薄層狀泥巖,巖質(zhì)較軟。

2 邊坡的基本特征

2.1 邊坡的地形特征

該自然邊坡高約86 m,自然坡角為31°,鐵路工程開挖后形成高43～48 m的邊坡,開挖后坡角為47°。邊坡類型為軟質(zhì)巖邊坡,巖性主要為三疊系中統(tǒng)二馬營組的砂巖。線路平面位置如圖1,邊坡坡面如圖2所示。

圖1 巖質(zhì)高邊坡工程平面

圖2 巖質(zhì)高邊坡工程剖面

2.2 邊坡的巖體物理性質(zhì)

區(qū)域主要地層巖性為砂巖，紫紅色為主,主要礦物成分為正長石,薄層狀構(gòu)造,細(xì)-中粒結(jié)構(gòu),巖質(zhì)較軟,錘擊不易碎,巖體較完整,巖層產(chǎn)狀：N55°W/9°S。

①J1：N65°E/垂直,l>2 m,s=0.5～0.7 m,微張,無充填。

②J2：N65°W/垂直,l>3 m,s=0.3～0.5 m,微張,偶見填充石英脈。

3 邊坡穩(wěn)定性初步評價

擬建線路位于邊坡左側(cè)陡崖上,整體橫坡坡度約為31°,邊坡開挖后形成約47°陡邊坡,坡體順直,植被較茂密,基巖出露,表面風(fēng)化嚴(yán)重。其主要為三疊系中統(tǒng)二馬營組紫紅色砂巖,巖體較軟,主要發(fā)育4組節(jié)理。由圖3結(jié)構(gòu)面赤平投影圖分析,各組節(jié)理均與邊坡開挖線大角度相交,邊坡開挖后,結(jié)構(gòu)面對側(cè)壁的穩(wěn)定性影響較小,其中J1與J2、J3與J4節(jié)理面夾角較小,傾角近乎垂直,并且在該區(qū)域的砂巖節(jié)理及其他結(jié)構(gòu)面并非為貫通結(jié)構(gòu)面,因此該邊坡體在無巨大外力作用下,邊坡巖體自身的穩(wěn)定性較高,不會對線路產(chǎn)生影響。但J1與J3、J1與J4、J2與J3、J2與J4節(jié)理大角度相交,把邊坡巖體切割成小塊巖體,在鐵路施工及運營過程中,對巖體產(chǎn)生擾動,易產(chǎn)生小型崩塌落石等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象。

圖3 結(jié)構(gòu)面赤平極射投影

圖4 結(jié)構(gòu)面組合與ns(自然坡角)和cs(人工坡角)關(guān)系

由圖4,邊坡開挖所形成的巖質(zhì)結(jié)構(gòu)面與自然邊坡結(jié)構(gòu)面形成的整個邊坡體結(jié)構(gòu)成為一個穩(wěn)定結(jié)構(gòu),根據(jù)形成不穩(wěn)定性邊坡的條件判定,該邊坡開挖后仍然不具有形成滑動的結(jié)構(gòu)面特征,不會產(chǎn)生滑動現(xiàn)象。

4 根據(jù)SMR法確定邊坡的穩(wěn)定坡角

SMR法是國際上判定巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性較為廣泛的一種方法,它是一種考慮節(jié)理面與邊坡體相互關(guān)系的評價系統(tǒng),這種方法是根據(jù)邊坡巖體的諸多特征因素,賦予不同的分值,從而計算SMR的綜合評分值來確定邊坡穩(wěn)定性。SMR的經(jīng)驗公式

SMR=RMR-(F1·F2·F3)+F4

式中SMR——邊坡巖體質(zhì)量評分；

RMR——巖體質(zhì)量得分；

F1——邊坡不連續(xù)面傾向與邊坡傾向的有關(guān)系數(shù)；

F2——不連續(xù)面傾角有關(guān)的系數(shù)；

F3——不連續(xù)面與坡面傾角間關(guān)系的系數(shù)；

F4——邊坡開挖方法調(diào)整系數(shù)。

通過上述SMR的評價得分值來確定邊坡巖體是否穩(wěn)定。根據(jù)邊坡案例及個因素的影響程度,對邊坡的各種評價因素賦值如下。

RMR=46F1=0.53F2=1

F3=25 自然邊坡F4=15

根據(jù)經(jīng)驗公式計算得

SMR=37

同時,根據(jù)經(jīng)驗公式計算自然穩(wěn)定坡角θ

θ=-6.550 115 2+0.070 691h+

0.937 697α+0.057 081SMR

計算出邊坡的自然穩(wěn)定坡角為θ=49.6°。

根據(jù)第3節(jié)所述,邊坡開挖后形成坡度β為47°,β<θ,邊坡開挖后處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 根據(jù)不平衡推力法確定邊坡穩(wěn)定性系數(shù)

在鐵路邊坡穩(wěn)定分析和整治中最常用的另一種方法是不平衡推力法,這種方法是把整個邊坡體劃分為若干個條塊剛體,滑面形式無特殊要求,其主要分為折線型和圓弧型。本文假設(shè)滑面為折線型,上一條塊對下一條塊的推力方向平行于該條塊的滑面,根據(jù)作用在條塊上力具有傳遞性,從上一條塊傳遞給前一條塊,依次傳遞,直到最前緣的一塊的合力為零。把抗滑力與下滑力的比值稱為邊坡的穩(wěn)定系數(shù),用K表示。通過調(diào)整穩(wěn)定系數(shù)K的值,使滑面上最前緣的一個條塊的剩余推力為零,從而確定相應(yīng)邊坡的K值。其邊坡條塊分解受力如圖5所示。

圖5 邊坡條塊受力分解

根據(jù)受力平衡得

Fi+cili+Ei-1sin (θi-1-θi)fi-(Wicosθi+

Ei-1cos (θi-1-θi))K=0

當(dāng)K=1時

Ei-1(cos (θi-1-θi)-sin (θi-1-θi)fi)+

Wicosθi-(Fi+cili)=0

其中

Fi=Wisinθifi,Wisinθi是該土條的滑動力,fi為條塊土的內(nèi)摩擦角,ci是該土條的凝聚力,Ei-1φ是上一土條傳遞給它的推力。

φ=cos (θi-1-θi)-sin (θi-1-θi)fi,φ稱為傳遞系數(shù),因此不平衡推力法又成為傳遞系數(shù)法。

不平衡推力法充分考慮了各條塊間的相互作用力,其適用于土質(zhì)邊坡以及呈塊狀結(jié)構(gòu)、層狀構(gòu)造的巖質(zhì)邊坡,適用較為廣泛,但滑塊間的作用力方向并非規(guī)則,這種方法強行規(guī)定了各作用力的方向,計算出的結(jié)果也偏于安全。因此，采用不平衡推力法對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評價時,當(dāng)安全系數(shù)接近1的時候,計算出的結(jié)果較為準(zhǔn)確,相反則計算結(jié)果的準(zhǔn)確性大大降低。安全系數(shù)的選取也根據(jù)邊界條件的不同,根據(jù)對邊坡研究的程度、危害性及對工程的重要性,選取不同的安全系數(shù)值。

根據(jù)上述不平衡推力傳遞法,該處高邊坡以J2節(jié)理面與巖層層面的結(jié)構(gòu)面組合為最不利滑動面進(jìn)行計算,天然密度通過取樣試驗得出,C、φ值均取經(jīng)驗值C=18 kPa、φ=32°。本工點為重要工程,根據(jù)規(guī)范安全系數(shù)取值為1.3。邊坡穩(wěn)定性計算成果表見表1所示。

從表1計算結(jié)果,計算得出穩(wěn)定性系數(shù)K為1.59,邊坡穩(wěn)定性較高,因此判定該高邊坡開挖后處于穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

6 利用Flac模擬確定邊坡穩(wěn)定性系數(shù)

根據(jù)既有邊坡及人工開挖情況,收集基本物理力學(xué)參數(shù)及地質(zhì)構(gòu)造特性數(shù)據(jù),建立Flac模型,邊坡體變形模式采用彈塑性變形,且邊坡體破壞模式遵守莫爾-庫倫強度準(zhǔn)則,重力加速度采用10 m/s2。網(wǎng)格劃分成水平和豎直的結(jié)點,如圖6所示。依據(jù)基本的數(shù)據(jù)假設(shè)該邊坡體模型下部為剛體,沉降為零,模型上部具有自由界面,在天然重力作用下可以存在豎直方向的變形沉降,根據(jù)FLAC軟件評價原理求出結(jié)點主應(yīng)力、速度和位移,進(jìn)而得出邊坡體的水平位移和豎直位移,如圖7、圖8所示。

表1 不平衡推力傳遞法計算

圖6 FLAC 5.0網(wǎng)格劃分

圖7 高邊坡水平位移云圖

從水平與豎向位移云圖分布規(guī)律來看,位移等值線與坡面幾乎平行,僅在坡體突出的部位有位移的突兀點,出現(xiàn)位移極值,表征了在坡體發(fā)生滑動時,這些點將是位移最大的位置。根據(jù)所建立的模型及Flac軟件內(nèi)置的強度折減法,得出該邊坡的安全系數(shù)為1.8,可見該邊坡具有較大的安全余度,滿足鐵路系統(tǒng)中所規(guī)范的工程技術(shù)要求,該邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖8 高邊坡豎向位移云圖

7 結(jié)束語

影響軟質(zhì)巖邊坡穩(wěn)定性因素有著多樣性、離散性的特點,且各個敏感因素耦合又是非線性的,使得對其進(jìn)行詳細(xì)的穩(wěn)定性分析需要大量的計算和論證。正是因為其復(fù)雜性,因此對其穩(wěn)定性定性的評價顯得十分重要。只有在定性判斷正確的前提下,計算和分析才是有價值的。

本文把巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性評價系統(tǒng)化,首先通過平極射投影法對邊坡勘測所得的結(jié)構(gòu)面數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,對軟質(zhì)巖邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行初步判定。然后通過計算與判定結(jié)果進(jìn)行對比和驗證。擬建立起淺變質(zhì)巖系高邊坡穩(wěn)定性的快速評價體系,提高加固效果,為今后處理該類巖質(zhì)邊坡問題提供合理的參考依據(jù)。

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