順層巖質(zhì)邊坡開挖松弛區(qū)試驗(yàn)研究

1、第24卷 第5期巖石力學(xué)與工程學(xué)報 V ol.24 No.52005年3月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering March ,2005收稿日期:20031114;修回日期:20031219 基金項(xiàng)目:鐵道部科研資金資助項(xiàng)目(2002G0030102作者簡介:馮 君(1977,男,2000年畢業(yè)于西南交通大學(xué)土木工程專業(yè),現(xiàn)為西南交通大學(xué)博士研究生,主要從事巖土工程方面的研究工作。順層巖質(zhì)邊坡開挖松弛區(qū)試驗(yàn)研究馮 君1,周德培1,李安洪2(1. 西南交通大學(xué) 巖土工程系,四川 成都 610031;2. 鐵道第二勘察設(shè)計院,四川 成都

2、 610031摘要:路塹邊坡走向與巖層走向夾角大小對順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性有影響,但究竟二者關(guān)系如何,是設(shè)計人員關(guān)心的問題。在實(shí)際工程中,陡傾狀順層巖質(zhì)邊坡不穩(wěn)定巖體可以刷方,但清方量較大的緩傾角和中等傾角順層巖質(zhì)邊坡,其開挖松弛區(qū)范圍也是設(shè)計人員關(guān)心的問題。利用地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)方法,對上述兩個問題進(jìn)行了探討,給出了確定開挖松弛區(qū)范圍的方法,以及順層巖質(zhì)邊坡的邊坡走向與巖層走向夾角的上限值。 關(guān)鍵詞:巖石力學(xué);順層巖質(zhì)邊坡;松弛區(qū);巖層走向;夾角;模型試驗(yàn)中圖分類號:TU 457;U 416.1+3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:10006915(200505084006PHYSICAL MODELI

3、NG RESEARCH ON RELAXATION REGION OFCONSEQUENT ROCK SLOPE INDUCED BY ROAD CUTTINGFENG Jun 1,ZHOU De-pei 1,LI An-hong 2(1. Southwest Jiaotong University ,Chengdu 610031,China ; 2. The Railway Second Survey Design Institute ,Chengdu 610031,China Abstract :The stability of consequent rock slope is relat

4、ed to the intersecting angle between the strike directions of the cutting slope and strata ,but the exact relation is always unknown in specific practical cases. The unstable rock mass on the bedrock with a high dip angle may be dug out. But it may be very expensive to dig all rock mass on the bedro

5、ck with medium and low dip angles. So the relaxation region of consequent rock slope is greatly concerned. According to the modeling tests ,the method to determine relaxation region is explained. And the upper limit of intersecting angle between the strike directions of the cutting slope and strata

6、is also obtained.Key words :rock mechanics ;consequent rock slope ;relaxation region ;strike direction of strata ;intersecting angle ;modeling test1 引 言對于巖質(zhì)邊坡而言,工程實(shí)踐中經(jīng)常遇到也是容易產(chǎn)生破壞的一類邊坡就是順層邊坡。在陡傾角的天然順層邊坡上開挖路塹時,路塹邊坡角的設(shè)計值往往與巖層傾角一致;在緩傾角和中等傾角的天然順層邊坡上開挖路塹時,不可避免地將巖層切斷,被切斷巖層的穩(wěn)定狀態(tài)主要取決于巖層傾角和層面的抗剪強(qiáng)度。許多學(xué)者經(jīng)過大量研究,

7、對于傾角較大且與巖層傾角相同的順層邊坡,提出了巖層滑移彎曲破壞模型15;對于開挖邊坡傾角比巖層傾角大的,后緣完全被節(jié)理切斷的順層邊坡,提出了剛體滑移破壞模型6,7。嚴(yán)格來說,順層邊坡應(yīng)該是指巖層走向和傾向與邊坡走向和傾向一致的邊坡。然而在實(shí)際工程中,第24卷 第5期 馮 君等. 順層巖質(zhì)邊坡開挖松弛區(qū)試驗(yàn)研究 841 完全符合上述條件的邊坡并不多見,通常情況是邊坡走向與巖層走向有一定的夾角,設(shè)計人員通常憑經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為走向與巖層走向夾角小于20o、傾向接近的邊坡為順層邊坡8,并未經(jīng)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證。因此,究竟該夾角在什么范圍內(nèi),應(yīng)將邊坡視為順層邊坡,這是相關(guān)工程人員非常關(guān)心的問題之一。實(shí)際現(xiàn)象表明,傾角

8、大于巖層傾角的順層邊坡并不是完全沿某個層面呈整體性滑動破壞,而多數(shù)是沿某個或某些層面滑動,沿巖層中一些間斷的節(jié)理面拉開,由下而上逐漸滑動破壞,并且當(dāng)坡腳不再開挖或不再受到擾動時,失穩(wěn)滑動到一定程度也就不再往上發(fā)展9。那么,路塹開挖后,有多大范圍的巖層有可能失穩(wěn)滑動,即開挖松弛區(qū)有多大10,這也是相關(guān)工程人員關(guān)心的問題之一。本文利用地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)方法,選取渝懷線DK375工點(diǎn)的順層巖質(zhì)邊坡為典型坡體結(jié)構(gòu),通過模型試驗(yàn)對上述兩個問題進(jìn)行了探討。2 模型設(shè)計2.1 相似比和相似材料根據(jù)試驗(yàn)條件,取幾何相似比為100/1=L C ,容重相似比1=C ,則可得應(yīng)力(粘聚力相似比100/1=L c C

9、C C C 。然后根據(jù)DK375工點(diǎn)原型的地層條件、巖層厚度、結(jié)構(gòu)面特征、物理力學(xué)參數(shù)等選擇相似材料制作坡體模型。采用多塊基本尺寸為長10 cm 、寬5 cm 、厚1 cm 的砌塊模擬巖層,測得其重度3kN/m 25=,現(xiàn)場巖層重度=24.6 3kN/m ,基本滿足相似要求;在層面間夾以薄層相似材料模擬結(jié)構(gòu)面,該相似材料根據(jù)相似原理采用重晶石粉、細(xì)石英砂、滑石粉和水混合而成,通過直剪試驗(yàn)測得其內(nèi)摩擦角o 5.25=,粘聚力=ckPa 1,而現(xiàn)場結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角o 25=,粘聚力=c kPa 60,表明該材料大致符合相似比的要求。 2.2 試驗(yàn)內(nèi)容按照原型坡體地質(zhì)特征及其邊界條件制作坡體模型進(jìn)行試

10、驗(yàn),試驗(yàn)?zāi)Ｐ凸?6組,具體情況見表1。主要研究巖層傾向、傾角以及巖層走向與線路走向夾角不同組合情況下,路塹開挖對坡體穩(wěn)定性的影響及相應(yīng)的開挖松弛區(qū)范圍,試驗(yàn)中路塹一次開挖完成,不設(shè)置加固支擋結(jié)構(gòu)。表1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵挥[表Table 1 Test models of layered rock slope (°模型編號巖層產(chǎn)狀1234567 8 9 10 11 12 13141516 20202020252525 25 30 30 30 30 35353535015304001530 40 0 15 30 40 0153040注:, 分別表示巖層傾角以及邊坡走向與巖層走向夾角。內(nèi)容,尤其是位

11、移,對于邊坡工程來說更具有直觀、簡捷的特點(diǎn)。在本次試驗(yàn)中,由于坡體模型采用砌塊堆砌而成,測量應(yīng)力比較困難,故只測定坡體位移。對于順層巖質(zhì)邊坡,路塹開挖多引起坡體順層滑動,因此在坡體內(nèi)順層面方向設(shè)置測點(diǎn)測定坡體位移。坡體內(nèi)測點(diǎn)布置如圖1所示。 2.3 試驗(yàn)方法(1 將模型試驗(yàn)裝置繞中軸旋轉(zhuǎn)至設(shè)計坡體巖層傾角位置,并固定。(2 在模型裝置兩邊的玻璃面上劃出坡體地表線、坡體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀線、開挖坡面線等。(3 分步堆砌相似材料直到坡體地表線。每堆砌一層砌塊,就均勻噴灑一薄層結(jié)構(gòu)面相似材料,然后繼續(xù)堆砌砌塊。堆砌到各測點(diǎn)位置時,設(shè)置位移傳感器。堆砌完成開挖前,將各測點(diǎn)對零。(4 開挖路塹。(5 每隔一定時

12、間記錄一次各測點(diǎn)的讀數(shù),直至讀數(shù)穩(wěn)定。3 試驗(yàn)結(jié)果分析模型試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),路塹開挖后,坡體變形發(fā)展很快,一般在開挖1 d 后,坡體變形基本停止,此時得出測點(diǎn)最終位移。模型測點(diǎn)115最終位移如表2所示。3.1 邊坡走向與巖層走向夾角對坡體穩(wěn)定性影響分析由表2的數(shù)據(jù)可以看出,對于巖層傾角相同的坡體模型,隨著巖層走向和邊坡走向夾角的增大,坡體各測點(diǎn)相應(yīng)位移逐漸減小,且順層方向的坡體位移變化趨勢逐漸變緩,而順層方向坡體位移是反映坡體穩(wěn)定性的一個重要標(biāo)志,由此可以說明對于 842 巖石力學(xué)與工程學(xué)報 2005年 (a 模型14 (b 模型58 (c 模型912 (d 模型1316圖1 測點(diǎn)布置示意圖(尺寸單

13、位:cmFig.1 Arrangement of measuring points(unit of dimensions:cm表2 模型測點(diǎn)115試驗(yàn)位移值Table 2 The displacement at measuring points in the test mm測點(diǎn)模型編號1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 151 0.07 0.03 0.01 0.00 0.000.130.080.040.020.000.180.12 0.08 0.050.002 0.07 0.03 0.01 0.00 0.000.130.080.040.020.000.180.12

14、 0.08 0.050.003 0.06 0.03 0.00 0.00 0.000.130.070.040.020.000.170.12 0.08 0.050.004 0.06 0.02 0.00 0.00 0.000.120.070.040.010.000.170.12 0.08 0.040.005 0.10 0.05 0.01 0.00 0.000.140.080.040.010.000.190.11 0.07 0.030.006 0.09 0.04 0.01 0.00 0.000.140.080.030.010.000.180.11 0.06 0.030.007 0.08 0.03 0.

15、00 0.00 0.000.130.070.030.000.000.160.10 0.06 0.020.008 0.07 0.03 0.00 0.00 0.000.120.060.020.000.000.160.10 0.05 0.020.009 0.33 0.22 0.12 0.03 0.000.380.270.170.070.000.450.30 0.21 0.120.0010 0.19 0.11 0.04 0.00 0.000.220.140.080.010.000.270.17 0.11 0.040.0011 0.07 0.02 0.00 0.00 0.000.11 0.040.000

16、.000.000.140.06 0.02 0.000.0012 0.05 0 0.00 0.00 0.000.090.030.000.000.000.11 0.05 0.01 0.000.0013 0.75 0.59 0.37 0.14 0.000.810.740.560.380.160.860.80 0.72 0.520.3214 0.50 0.38 0.22 0.05 0.000.550.490.360.220.060.590.53 0.48 0.320.1715 0.18 0.11 0.05 0.00 0.000.210.170.100.040.000.250.19 0.15 0.080

17、.0216 0.06 0.03 0.00 0.00 0.000.090.050.020.000.000.120.07 0.04 0.010.00第24卷第5期馮君等. 順層巖質(zhì)邊坡開挖松弛區(qū)試驗(yàn)研究 843 坡體穩(wěn)定性有影響,夾角越大,坡體越趨于穩(wěn)定。繪出相同巖層傾角模型中測點(diǎn)1,6,11的位移邊坡走向與巖層走向夾角曲線圖(圖2。由圖2可知,當(dāng)巖層傾角分別為20°,25°,30°,35°時,曲線圖中各條曲線的拐點(diǎn)所對應(yīng)的x軸變量(邊坡走向與巖層走向夾角位于30°附近,且隨著巖層傾角的增大,拐點(diǎn)有右移的趨勢,即拐點(diǎn)所對應(yīng)的x軸變量(邊坡走向與巖層

18、走向夾角有增大的趨勢。眾所周知,當(dāng)邊坡走向與巖層走向垂直時(夾角為90°,邊坡幾乎不可能發(fā)生順層滑動破壞,即可以不視為順層邊坡,但作為工程實(shí)際應(yīng)用,可以取圖2中各條曲線拐點(diǎn)所對應(yīng)的夾角作為定義順層邊坡的極限夾角,即認(rèn)為邊坡走向與巖層走向夾角小于30°、傾向相近的邊坡為順層邊坡。當(dāng)然,由試驗(yàn)結(jié)果可以看出,巖層傾角越大,該極限夾角越大,但是一般在實(shí)際工程中,對于陡傾角天然順層邊坡,開挖坡角一般等于巖層傾角,即清掉了不穩(wěn)定巖體,坡體破壞形式也發(fā)生了變化,不屬于本次試驗(yàn)可以討論的范圍,因此,極限夾角30°只能是針對緩傾角和中等傾角且路塹開挖把巖層切斷的順層邊坡。3.2 坡

19、體開挖松弛區(qū)范圍研究坡體在經(jīng)過人工開挖作用后,原有的力學(xué)平衡狀態(tài)被打破,而重新建立新的力學(xué)平衡體系,坡體內(nèi)應(yīng)力就會重新調(diào)整。這種調(diào)整實(shí)際上是在有限范圍內(nèi)進(jìn)行的,即在開挖臨空面附近調(diào)整變化較大,而在離開挖面較遠(yuǎn)的區(qū)域則變化較小,也即總體上呈現(xiàn)衰減變化的趨勢。巖土邊坡工程由于自身特有的物理力學(xué)屬性以及其所處的地質(zhì)環(huán)境和工程環(huán)境等因素的影響,在坡體開挖過程中的失穩(wěn)與坡體開挖卸載造成坡體內(nèi)的應(yīng)力重分布和位移變化密切相關(guān),坡體失穩(wěn)破壞范圍必然產(chǎn)生在這個有限的應(yīng)力重分布和位移變化的影響區(qū)內(nèi)。因此找出這個應(yīng)力影響區(qū)和位移影響區(qū)在工程上有重要意義。一般來說,開挖松弛區(qū)可以通過應(yīng)力場或者位移場進(jìn)行判斷。在實(shí)際工

20、程中,以位移為依據(jù)往往比以應(yīng)力為依據(jù)更具有簡捷直觀的特點(diǎn),在該次試驗(yàn)中,僅討論利用位移來判斷坡體開挖松弛區(qū)。根據(jù)開挖坡體的幾何特點(diǎn)和受力狀況可知,順層坡體的滑動(或潛在滑動方向是向坡體外側(cè)順層向下的,于是順層方 (a 巖層傾角20°(b 巖層傾角25° (c 巖層傾角30°(d 巖層傾角35°圖2 關(guān)鍵點(diǎn)位移巖層走向與邊坡走向夾角曲線圖Fig.2 Curves of displacement-intersecting angle between the strike directions of the cutting slope and strata 8

21、44 巖石力學(xué)與工程學(xué)報 2005年向的位移可以直觀的反映開挖影響的大小,從力的影響狀況可知,該位移由開挖面至坡體內(nèi)的變化規(guī)律為逐漸減小,直至為0。因此,可以從開挖臨空面自上而下不同點(diǎn)向坡體內(nèi)順層向作適當(dāng)長度的參考線,繪出沿各參考線的位移變化曲線,并找到其上的顯著拐點(diǎn),以近似作為坡體失穩(wěn)與穩(wěn)定部分的分界點(diǎn),從而把這些顯著拐點(diǎn)自上而下順次連接起來形成松弛區(qū)的內(nèi)邊界,并以此來判斷坡體開挖松弛區(qū)范圍。但若坡體中沒有相對整個坡體明顯的軟弱結(jié)構(gòu)面,位移變化曲線上的拐點(diǎn)通常不明顯,這時一般改用應(yīng)力的方法判斷坡體開挖松弛區(qū)。若仍通過位移方法近似判斷松弛區(qū),由于從工程實(shí)際意義來講,一般當(dāng)坡體內(nèi)某點(diǎn)的位移在某量

22、值以下時,就可以認(rèn)為該點(diǎn)以內(nèi)的坡體處于穩(wěn)定狀態(tài),所以此時需根據(jù)具體工程的實(shí)際情況,根據(jù)不同的安全系數(shù)來估計拐點(diǎn)處的位移限定值。實(shí)際上,對于不同性質(zhì)的巖體其位移限定值是不同的。根據(jù)一些實(shí)際工程的計算結(jié)果分析,并偏于安全角度考慮,建議將限定值取為 5 mm(換算為本次模型試驗(yàn)的限定值,即0.05 mm。由前面的討論可知,坡體在開挖過程中,由于卸載而發(fā)生應(yīng)力松弛。坡體內(nèi)應(yīng)力發(fā)生調(diào)整的過程中,相應(yīng)發(fā)生了位移,造成一定范圍的松弛區(qū),該區(qū)是引起坡體失穩(wěn)的主要原因。根據(jù)前面給出的確定松弛區(qū)范圍的方法,確定各模型近似開挖松弛區(qū)范圍如圖3所示。4 結(jié) 論通過16組小比例模型試驗(yàn),可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:(1 人工

23、開挖使順層邊坡巖體向臨空面滑移變形,而產(chǎn)生向下的形變拉應(yīng)力。巖體本身由于有一定的抗變形能力,致使上部自然山體邊坡受下部的牽引作用,而與其一起向下產(chǎn)生移動和變形,而變形的量值從臨空面向坡體內(nèi)部依次減小,從而形成變形邊界,并由此可確定出坡體開挖松弛區(qū)范圍。(2 巖層傾角固定的情況下,隨著邊坡走向與巖層走向夾角的增加,坡體逐漸趨向穩(wěn)定。對于具有緩傾角或中等傾角巖層、開挖邊坡坡角大于巖層傾角的路塹邊坡,當(dāng)路塹邊坡走向與巖層走向夾角超過30°時,基本上可以不將其視為順層邊坡。 (a 巖層傾角20° (b 巖層傾角25° (c 巖層傾角30° (d 巖層傾角35&#

24、176;圖3 開挖松弛區(qū)范圍示意圖(尺寸單位:cmFig.3 The plot of relaxation region(unit of dimensions :cm第 24 卷 第5期 馮 君等. 順層巖質(zhì)邊坡開挖松弛區(qū)試驗(yàn)研究 845 參考文獻(xiàn)(References： 1 李云鵬，楊治林，王芝銀. 順層邊坡巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性位移理論J. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2000，19(6：747750.(Li Yunpeng，Yang Zhilin，Wang Zhiyin. Displacement theory of structure stability for rock mass bedding s

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