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        某高速鐵路高陡邊坡破壞機理及穩(wěn)定性研究

        2021-12-27 06:52:36王衍匯
        鐵道勘察 2021年6期
        關(guān)鍵詞:塊體節(jié)理滑動

        王衍匯

        (中國鐵路設(shè)計集團有限公司,天津 300308)

        在山區(qū)進行高鐵建設(shè)易產(chǎn)生大量高陡邊坡,特別是土-巖混合邊坡受力機制復(fù)雜,對傳統(tǒng)的穩(wěn)定性計算方法提出更高要求[1-2]。王旭結(jié)合MP和Sarma法計算混合邊坡的穩(wěn)定性[3];邵帥通過有限元和離散元法對土-巖混合邊坡穩(wěn)定性進行數(shù)值計算[4];金磊等基于離散模型試驗,開發(fā)混合邊坡三維細觀結(jié)構(gòu)評價模型[5]。該類邊坡破壞模式較為復(fù)雜,既有土質(zhì)邊坡因土體強度降低、剪應(yīng)力升高,產(chǎn)生蠕變滑移,導(dǎo)致整體剪切破壞的趨勢,又有節(jié)理裂隙切割巖體,使其具有不連續(xù)性、多變性及各向異性等特點,易導(dǎo)致內(nèi)部塊體沿不利結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生平面滑動[6-7]。

        鑒于土-巖邊坡失穩(wěn)模式的特殊性,以宣績高鐵某高陡邊坡為例,根據(jù)其工程地質(zhì)條件,利用工程地質(zhì)分析法定性探討邊坡潛在破壞模式,同時結(jié)合極限平衡法、塊體理論,全面系統(tǒng)分析該邊坡的穩(wěn)定性,為邊坡設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。

        1 研究區(qū)現(xiàn)場調(diào)查

        1.1 工程地質(zhì)概況

        該高陡邊坡位于丘陵地貌,地勢總體西北高、東南低,長約130 m,寬約100 m,最大高差約70 m,邊坡傾向127°,坡度約40°,線路以半填半挖形式通過山谷沖溝,高陡邊坡位于線路右側(cè),如圖1所示。

        圖1 高陡邊坡全景

        研究區(qū)地層主要為第四系殘坡積粉質(zhì)黏土,寒武系中統(tǒng)楊柳崗組強風(fēng)化泥質(zhì)頁巖,強、弱風(fēng)化炭質(zhì)灰?guī)r。其中,粉質(zhì)黏土土質(zhì)不均,全風(fēng)化巖體、角礫土含量約20%;薄層狀強風(fēng)化泥質(zhì)頁巖巖質(zhì)較軟,手掰可斷,巖層產(chǎn)狀130°∠47°,僅在坡頂出露;強風(fēng)化炭質(zhì)灰?guī)r,呈碎塊狀,層厚1~2.5 m,弱風(fēng)化炭質(zhì)灰?guī)r,節(jié)理十分發(fā)育,巖芯呈短柱狀,巖層產(chǎn)狀170°∠60°。地下水主要為潛水與基巖裂隙水,賦存于土巖接觸面及巖層的層間裂隙、風(fēng)化裂隙中,地下水稍發(fā)育。

        1.2 邊坡巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查

        通過6個觀測點的調(diào)查,共獲取21組結(jié)構(gòu)面,節(jié)理玫瑰見圖2。調(diào)查區(qū)主要發(fā)育4組結(jié)構(gòu)面,其中近直立卸荷裂隙(J1)、構(gòu)造節(jié)理(J2)和巖層面(J3)為主控結(jié)構(gòu)面,3組節(jié)理裂隙特征見表1[8-9]。

        圖2 結(jié)構(gòu)面節(jié)理玫瑰(走向)

        表1 節(jié)理裂隙特征

        2 邊坡潛在破壞模式判別

        該邊坡由上覆殘坡積層與下伏炭質(zhì)灰?guī)r組成巖體“二元結(jié)構(gòu)”,下伏炭質(zhì)灰?guī)r具有不透水性,在降雨作用下,易沿土-巖接觸面發(fā)生整體性圓弧型滑動破壞,如圖3。下伏基巖傾向與坡向相同且節(jié)理裂隙發(fā)育,由赤平投影可知(如圖4):①巖層與結(jié)構(gòu)面J1交點C1與邊坡投影弧在同一側(cè),交割線產(chǎn)狀為146°∠51.6°,與坡面傾向一致,傾角大于天然坡角,屬于穩(wěn)定結(jié)構(gòu);②兩結(jié)構(gòu)面J1、J2交點C2及巖層與結(jié)構(gòu)面J2交點C3與均邊坡投影弧在同一側(cè),交割線產(chǎn)狀分別為169°∠27.8°、91°∠18.9°,與坡面傾向一致,傾角小于天然坡角,屬于較不穩(wěn)定結(jié)構(gòu),易沿交割線方向發(fā)生滑動。由上述分析可知,若上部松散堆積層滑動,則邊坡應(yīng)力重分布,巖體存在平面剪切型、楔型滑動破壞的可能[10-12]。

        圖3 高邊坡潛在破壞模式

        圖4 邊坡赤平投影及剖面示意

        3 邊坡穩(wěn)定性極限平衡分析

        3.1 穩(wěn)定性計算方法

        極限平衡法是邊坡穩(wěn)定性分析的傳統(tǒng)方法,通過安全系數(shù)定量評價邊坡的穩(wěn)定性,該法基于剛塑性理論,注重巖土體破壞瞬間的變形機制,只要求滿足力和力矩的平衡、Mohr-Coulomb準則。Morgenstern-Price(M-P)法同時考慮力平衡和矩平衡的變形協(xié)調(diào)問題,適合任意形狀滑動面,計算精度高、實用性好,故采用M-P法建立極限狀態(tài)方程,如圖5[13]。

        圖5 Morgenstern-Price法計算示意

        狀態(tài)函數(shù)為

        (1)

        其中,Ti=Wisinθi+KWicosθi;Ri=(Wicosθi-KWsinθi-Ui)tanφi+cili;ψj=-λf(xj)cosθj-1tanφj-1+sinθj-1tanφj-1/φj+λf(xj)sinθj-1Fs+cosθj-1Fs/φj;

        式中,xA、xB分別為滑裂面左右邊界坐標,tanαA、tanαB分別為最左端與最右端條塊頂面斜率,F(xiàn)s值可以通過迭代求得,從而得到狀態(tài)函數(shù)表達式。

        3.2 穩(wěn)定性計算

        (1)計算剖面

        選擇具有代表性的剖面為研究對象,邊坡地層從上至下依次為:粉質(zhì)黏土,層厚3~7 m;寒武系中統(tǒng)楊柳崗組強風(fēng)化泥質(zhì)頁巖,層厚1~5 m;強風(fēng)化炭質(zhì)灰?guī)r,層厚2~4 m;弱風(fēng)化炭質(zhì)灰?guī)r,未揭穿,剖面如圖6所示。

        圖6 工程地質(zhì)剖面

        (2)計算工況

        本地區(qū)地震基本烈度為Ⅵ度,根據(jù)GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》5.2.5條:“邊坡穩(wěn)定性計算時,對基本烈度為7度及以上地區(qū)的永久性邊坡應(yīng)進行地震工況下邊坡穩(wěn)定性校核”,故不考慮地震作用的影響,僅基于天然工況、暴雨工況進行計算[14]。

        (3)計算參數(shù)

        本次巖土體穩(wěn)定性計算參數(shù)主要依據(jù)室內(nèi)試驗,參考GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》、GB/T 50218—2014《工程巖體分級標準》,并結(jié)合現(xiàn)場實際情況、當?shù)亟?jīng)驗和類似工程的經(jīng)驗教訓(xùn)綜合分析獲得[15-16]。巖土體穩(wěn)定性計算參數(shù)建議值見表2。本次取值未考慮巖體節(jié)理裂隙的影響,重點分析上部松散堆積物的整體穩(wěn)定性。

        表2 邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)

        3.3 計算結(jié)果及穩(wěn)定性分析

        高陡邊坡在天然工況、暴雨工況下造成的潛在滑面(M-P法)如圖7所示,根據(jù)計算邊坡在天然工況下穩(wěn)定系數(shù)為1.1,整體處于穩(wěn)定狀態(tài),暴雨工況下穩(wěn)定系數(shù)為1.046,處于極限平衡狀態(tài),在降雨作用下殘坡積土易沿土-巖接觸面發(fā)生滑動。

        圖7 邊坡潛在滑面示意(單位:m)

        4 基于塊體理論的邊坡穩(wěn)定性分析

        4.1 塊體理論基本原理

        塊體理論是以巖體完全被節(jié)理裂隙切割為前提,包含兩個基本定理:塊體有界性定理和可移動性定理,這兩個定理已經(jīng)給出了嚴密的數(shù)學(xué)推導(dǎo)[17]。

        (1)塊體有界性定理

        設(shè)某凸塊體由n個半空間的交集構(gòu)成,將其平移使之通過坐標原點形成棱錐。若棱錐為空,則相應(yīng)的凸塊體有限;棱錐為非空,則相應(yīng)的凸塊體為無限。簡明表達式為

        JP∩EP=?或JP?SP

        (2)

        式中,JP為裂隙錐;EP為開挖錐;SP為空間錐。

        (2)塊體可移動性定理

        若由結(jié)構(gòu)面和臨空面共同構(gòu)成的原生塊體以及僅由結(jié)構(gòu)面構(gòu)成的裂隙塊體均為有限,則為倒楔塊體,即不可動塊體;若由結(jié)構(gòu)面和臨空面共同構(gòu)成的原生塊體有限,而由結(jié)構(gòu)面構(gòu)成的裂隙塊體無限,則該塊體為可動塊體,根據(jù)穩(wěn)定狀態(tài),可細分為穩(wěn)定塊體、可能失穩(wěn)塊體和關(guān)鍵塊體,如圖8所示。

        圖8 可移動塊體分類

        利用集合論方法可給出簡明表達式,有

        JP∩EP=?且JP≠?

        (3)

        基于上述定理,設(shè)結(jié)構(gòu)面和臨空面為空間平面,結(jié)構(gòu)體為凸塊體,用空間向量表達荷載作用,利用幾何拓撲學(xué)方法分析塊體的類型以及塊體失穩(wěn)模式,進而計算塊體的穩(wěn)定性,可得以下兩種形式:

        (1)平面剪切型滑動,即塊體沿單面接觸滑動,其安全系數(shù)為

        (4)

        (2)楔型滑動,即塊體沿雙面接觸滑動,其安全系數(shù)為

        (5)

        式中,fi、fj為滑動面i、j的摩擦系數(shù);ci、cj為滑動面i、j的黏聚力;Ai、Aj為滑動面i、j的面積;Ni、Nj為主動力合力在滑動面i、j上沿法向的分量;Ti、Tj為主動力合力在滑動面i、j上沿切向方向的分量。

        其中Ni、Nj和Ti、Tj按照下式計算,有

        (6)

        (7)

        (8)

        由前文分析可知,高陡邊坡在暴雨工況下處于極限平衡狀態(tài),且?guī)r體節(jié)理裂隙發(fā)育,若上部松散堆積層滑動,則巖體存在平面剪切型滑動破壞、楔型滑動破壞的可能。因此,決定采用塊體理論對邊坡內(nèi)部的重點塊體進行研究。

        4.2 結(jié)構(gòu)面參數(shù)確定

        室內(nèi)試驗求得的結(jié)構(gòu)面強度未考慮其特性,無法反映裂隙對巖體穩(wěn)定性的影響,安全系數(shù)偏大。而通過現(xiàn)場調(diào)查并利用經(jīng)驗公式估算結(jié)構(gòu)面強度參數(shù)得到了廣泛的應(yīng)用,其中Barton模型被普遍采用,結(jié)構(gòu)面抗剪強度的經(jīng)驗公式為

        (9)

        式中,JRC為結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù);JCS為結(jié)構(gòu)面壁面抗壓強度;φb為結(jié)構(gòu)面基本摩擦角;σn為結(jié)構(gòu)面上的有效正應(yīng)力。

        因此,根據(jù)結(jié)構(gòu)面現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù),基于Barton模型即可得到結(jié)構(gòu)面與坡面產(chǎn)狀及強度指標(見表3)。

        表3 結(jié)構(gòu)面與坡面產(chǎn)狀及強度指標

        4.3 可動塊體判斷

        選取半徑R=1的參考圓,圓心為赤平投影直角坐標系的原點,設(shè)東向(E)為x軸正值,北向(N)為y軸正值。那么可得半徑為r、圓心坐標為(Cx,Cy)的投影圓Pi(見表4)。

        表4 投影圓Pi的幾何信息

        根據(jù)各結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀信息繪制投影圓形成如圖9所示的邊坡各平面投影。由圖9可知,在平面投影圖中裂隙錐(SP)屬于P4投影圓的內(nèi)域。根據(jù)塊體理論可得邊坡可動塊體為JP000。

        圖9 邊坡各平面投影

        4.4 可移動塊體穩(wěn)定性計算

        (1)結(jié)構(gòu)面法向矢量

        (2)塊體移動方向

        經(jīng)過前文分析,裂隙塊體僅可能發(fā)生平面剪切和楔型滑動破壞,即沿單平面或雙平面發(fā)生滑動,且邊坡無任何防護措施,塊體將在重力作用下發(fā)生自由滑動。

        若塊體沿單面滑動,則有

        (10)

        若塊體沿雙面滑動,則有

        (11)

        (3)可動塊體的運動形式

        ①單面滑動

        故滿足的運動學(xué)條件可轉(zhuǎn)化為

        (12)

        式中,l為可動塊體的各結(jié)構(gòu)面,且l≠i。

        當塊體沿P1結(jié)構(gòu)面滑動時,有

        可得沿P1結(jié)構(gòu)面單面滑動的塊體為U1∩L2∩L3。

        同理得到,沿P2結(jié)構(gòu)面單面滑動的塊體為U1∩U2∩U3,沿P3結(jié)構(gòu)面單面滑動的塊體為L1∩L2∩U3。

        ②雙面滑動

        故滿足的運動學(xué)條件可轉(zhuǎn)化為

        (13)

        當塊體沿P1、P2結(jié)構(gòu)面滑動時,有

        可得沿P1、P2雙結(jié)構(gòu)面滑動的塊體為L1∩U2∩U3。

        同理得到,沿P1、P3雙結(jié)構(gòu)面滑動的塊體為U1∩L2∩U3,沿P2、P3雙結(jié)構(gòu)面滑動的塊體為U1∩U2∩L3。

        可以看出,高邊坡可移動塊體為JP000(U1∩U2∩U3)沿P2結(jié)構(gòu)面單面滑動,與前文所述“巖體存在平面剪切型滑動破壞”結(jié)論相吻合。

        (4)可動塊體的穩(wěn)定系數(shù)

        由于結(jié)構(gòu)面的黏聚力受幾何形態(tài)、填充物、含水量等多因素控制變異性較大,且塊體一旦滑動,其所貢獻的抗滑力將大打折扣,故在可動塊體的穩(wěn)定性計算中,宜采用Barton模型確定的基本內(nèi)摩擦角進行計算。

        可移動塊體為JP000(U1∩U2∩U3)沿P2結(jié)構(gòu)面單面滑動,其穩(wěn)定系數(shù)為

        綜上所述,高陡邊坡上部松散堆積層滑動后,巖體應(yīng)力重分布,穩(wěn)定系數(shù)為1.04,基本上處于極限平衡狀態(tài),易發(fā)生平面剪切型滑動破壞,應(yīng)加以防護。

        5 結(jié)論

        通過對宣績高鐵某高陡邊坡現(xiàn)場調(diào)查,結(jié)合室內(nèi)試驗和Barton模型取值分析,通過極限平衡法、塊體

        理論等多種手段,對其穩(wěn)定性進行了定性分析及定量計算,得到以下主要結(jié)論。

        (1)通過對邊坡地層結(jié)構(gòu)的分析可知,上部殘坡積土易沿土-巖接觸面發(fā)生整體性圓弧型滑動破壞,受節(jié)理裂隙控制的關(guān)鍵巖體易發(fā)生平面剪切型、楔型滑動破壞。

        (2)運用極限平衡法對土-巖接觸面滑動破壞模式進行分析,可得邊坡在天然工況下穩(wěn)定系數(shù)為1.1,整體處于穩(wěn)定狀態(tài),暴雨工況下穩(wěn)定系數(shù)為1.046,處于極限平衡狀態(tài),在降雨作用下殘坡積土易沿土巖接觸面發(fā)生滑動。

        (3)應(yīng)用塊體理論對邊坡內(nèi)部的重點塊體進行研究,判斷可移動塊體為JP000(U1∩U2∩U3)沿P2結(jié)構(gòu)面單面滑動,其穩(wěn)定系數(shù)為1.04。

        (4)鑒于土-巖混合邊坡失穩(wěn)形式的特殊性,分析時應(yīng)針對不同的潛在破壞模式,采取多種方式綜合評價,相互印證。

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