蔣明杰

巖石抗剪強(qiáng)度通常分為巖塊、巖體與結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度。巖塊抗剪強(qiáng)度是指不包含節(jié)理裂隙在內(nèi)的巖石強(qiáng)度，強(qiáng)度相對最高;巖體抗剪強(qiáng)度考慮了巖石中存在的節(jié)理裂隙，強(qiáng)度相對較低;結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度是指巖體中結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度，強(qiáng)度最低。對于巖體邊坡來說，結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度往往起著控制作用，所以確定結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度成為穩(wěn)定分析中最重要的事情［1］。

為準(zhǔn)確的確定結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，國內(nèi)外廣大學(xué)者已經(jīng)做過大量的研究，提出了經(jīng)驗(yàn)法、反算法、試驗(yàn)法等幾種方法。其中試驗(yàn)法是最有效、最準(zhǔn)確的確定方法，但有些工程由于受到條件限制，無法進(jìn)行現(xiàn)場原位試驗(yàn)，或很難直接得出與實(shí)際相符的強(qiáng)度指標(biāo)［2］，本文只討論經(jīng)驗(yàn)法和反算法。本文就同一邊坡結(jié)構(gòu)面進(jìn)行計(jì)算分析，確定結(jié)構(gòu)面計(jì)算參數(shù)c，φ值，并對比兩種方法的差異。

1 分析方法

1.1 經(jīng)驗(yàn)法

經(jīng)驗(yàn)法是目前應(yīng)用最廣泛，也是諸多國標(biāo)規(guī)范中采用的，表1列出文獻(xiàn)［3］中有關(guān)結(jié)構(gòu)面參數(shù)的取值。

應(yīng)用此方法時(shí)，首先根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)構(gòu)面的張開度、膠結(jié)及充填情況，查表2判斷結(jié)構(gòu)面的結(jié)合度，再查表1確定結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的范圍，最終確定一組值。此方法對個(gè)人經(jīng)驗(yàn)、地區(qū)經(jīng)驗(yàn)、現(xiàn)場調(diào)查的詳細(xì)程度的要求較高。

表1 結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值

表2 結(jié)構(gòu)面的結(jié)合程度

1.2 反算法

反算法是通過已知穩(wěn)定系數(shù)及結(jié)構(gòu)面等條件情況下，反算結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

反算的方法一般分為兩種，一種是反算整個(gè)結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)的平均值，反算采用的公式視滑面來定，由于c，φ值是兩個(gè)未知數(shù)，因而必須先假定一個(gè)未知數(shù)，再求另一個(gè)未知數(shù);另一種反算法的基本原理是視滑坡將要滑動而尚未滑動的瞬間坡體處于極限平衡狀態(tài)，列出滑坡主軸斷面的極限平衡方程求取結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度參數(shù)c，φ值。徐邦棟等人已經(jīng)對滑坡在不同發(fā)育階段的安全系數(shù)推薦值做過深入研究，采用極限平衡理論分析，當(dāng)滑坡處于剛滑動階段時(shí)，取其穩(wěn)定系數(shù)為 1.0［4－6］;同時(shí)，采用邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)跡象的最高水位作為反算的地下水位，選擇結(jié)構(gòu)面作為反算的滑面。

文獻(xiàn)［1］中提出，為了用一個(gè)公式求一個(gè)未知數(shù)，按滑體厚度假定粘聚力c值，如表3。

表3 滑體厚度與粘聚力c值

應(yīng)用此方法時(shí)，要根據(jù)現(xiàn)狀邊坡的變形特征來選取穩(wěn)定性系數(shù)，根據(jù)邊坡高度和滑體厚度來選取粘聚力c值。這兩個(gè)對反算法計(jì)算結(jié)果起著決定性影響的數(shù)值的選取也是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行的。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

貴州省威寧縣某公路邊坡k0+480～k0+520段右側(cè)，邊坡高H約為33.3 m，頂部為0.5～1.5 m土層，下部為石灰?guī)r，巖體呈中風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育，寬度0.2～10 cm不等，巖屑充填，偶見溶蝕蜂孔、晶洞。巖體較完整，鉆進(jìn)穩(wěn)定，巖芯以短柱狀、長柱狀為主，少量塊狀。重力密度γ=26 kN/m3。根據(jù)巖石飽和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)報(bào)告，為較硬巖。巖體結(jié)構(gòu)面外傾，產(chǎn)狀為40∠30。開挖邊坡坡率為1∶0.75，即坡角為 53.13°。

坡面形式如圖1所示。

分析該邊坡滑動方式及上部土層的破壞形式，考慮最不利情況，把邊坡頂部土層看作與下部巖性一致的石灰?guī)r。由于邊坡巖性一致，考慮巖質(zhì)邊坡滑動的特性，假定巖體按平面滑動，穩(wěn)定系數(shù)可按下式計(jì)算:

圖1 邊坡平面滑動法計(jì)算簡圖

式中:Ks為穩(wěn)定系數(shù);W為滑動巖體重，kN;α為滑面傾角，(°);c、φ 為滑面粘聚力，kPa、摩擦角(°)。

2.2 經(jīng)驗(yàn)法確定結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)

查表2可知，該結(jié)構(gòu)面為結(jié)合程度一般。查表1可知，結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)中摩擦角φ(°)值宜取18～27，粘聚力c(kPa)值宜取90～50。結(jié)合表1標(biāo)注，可取 φ =18°，c=50 kPa。

滑動巖體重:

結(jié)構(gòu)面長度:

計(jì)算得W=14 156.78 kN，L=66.6 m，代入式(1)則邊坡穩(wěn)定性系數(shù)Ks=1.03。

2.3 反算法確定結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)

采用極限平衡理論分析，取邊坡將要滑動而尚未滑動的瞬間穩(wěn)定性系數(shù)Ks=1.00。假定傾角為α的結(jié)構(gòu)面為滑坡主軸斷面。按滑體厚度假定粘聚力c值有著豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

滑體厚度:

根據(jù)表3假定結(jié)構(gòu)面內(nèi)聚力值，c=16.5 kPa。

則由式(1)可得:

由式(4)可得: φ =26.04°。

反算法計(jì)算出的內(nèi)摩擦角數(shù)值與經(jīng)驗(yàn)法取值存在著差異。產(chǎn)生此情況的主要原因是反算法計(jì)算過程中的Ks、c值都是根據(jù)現(xiàn)場情況假定的，它們的取值過程也與人的主觀因素有關(guān)。

2.4 兩種方法取值對比

兩種取值方法的計(jì)算得出的參數(shù)對比如表4。

表4 坡高33.3 m的參數(shù)取值

可見，由經(jīng)驗(yàn)法計(jì)算出的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)在與反算法給定的穩(wěn)定性系數(shù)一致時(shí)，兩種方法所確定的結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)有較大的差異。但此時(shí)反算法計(jì)算出的φ值在經(jīng)驗(yàn)法推薦的φ值取值范圍內(nèi)。

3 討論

分別調(diào)整上述邊坡的高度為H=15 m、H=50 m，用反算法計(jì)算時(shí)選取不同的穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算得出結(jié)果進(jìn)行對比。如表5、表6。

表5 坡高15 m的參數(shù)取值

表6 坡高50 m的參數(shù)取值

可見，隨著邊坡高度的變化，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)法時(shí)結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值不變，但邊坡穩(wěn)定性系數(shù)有很大變化;應(yīng)用反算法時(shí)，粘聚力c值隨著坡高變化，摩擦角φ值則隨著選取的穩(wěn)定性系數(shù)變化。因此在應(yīng)用反算法時(shí)，如何選取一個(gè)可靠的穩(wěn)定性系數(shù)對于準(zhǔn)確計(jì)算結(jié)構(gòu)面參數(shù)是很重要的。

邊坡越穩(wěn)定，穩(wěn)定性系數(shù)越大，用反算法時(shí)穩(wěn)定性系數(shù)就越難準(zhǔn)確取值，計(jì)算出結(jié)構(gòu)面的c、φ值與實(shí)際相差較大，確定的參數(shù)對工程意義相對較小，此時(shí)不宜用反算法;邊坡越危險(xiǎn)，穩(wěn)定性系數(shù)越小，此時(shí)根據(jù)邊坡變形特征可較準(zhǔn)確選取穩(wěn)定性系數(shù)值，并且能較準(zhǔn)確確定滑面位置，因此用反算法可較準(zhǔn)確確定滑面c、φ值，對工程有較大的實(shí)際意義，故此時(shí)宜用反算法。

4 結(jié)論

1)經(jīng)驗(yàn)法確定的結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)依據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)、地區(qū)經(jīng)驗(yàn)、現(xiàn)場調(diào)查的詳細(xì)程度等取值，不同的人取值會有很大的差異;反算法計(jì)算出的結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)與所取穩(wěn)定性系數(shù)有關(guān)。實(shí)際工作中應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)面室內(nèi)試驗(yàn)資料和兩種方法取值，綜合確定結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

2)經(jīng)驗(yàn)法更適用于新開挖邊坡和較穩(wěn)定邊坡的防護(hù)設(shè)計(jì)中，反算法更適用于現(xiàn)狀危險(xiǎn)滑坡治理中。

［1］鄭穎人，陳祖煜，王恭先，等.邊坡與滑坡工程治理［M］.北京:人民交通出版社，2007.

［2］任偉中，金亞兵，馮光平，等.滑(邊)坡穩(wěn)定性評估探討［J］.巖土力學(xué)，2010(7).

［3］GB 50330－2002，建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范［S］.

［4］曾 鈴，蔣中明，付宏淵.邊坡潛在滑動面抗剪強(qiáng)度參數(shù)反演研究［J］.中外公路，2011(2).

［5］童志怡.巖質(zhì)邊坡滑動面力學(xué)參數(shù)的取值理論和方法研究［D］.北京:中國科學(xué)院研究生院，2009.

［6］鄭明新.論滑帶土強(qiáng)度特征及強(qiáng)度參數(shù)的反算法［J］.巖土力學(xué)，2003(4).