不同材料屬性下順層邊坡穩(wěn)定性分析*

董洪芹，余紅兵

(1.廣州市城市建設(shè)工程監(jiān)理公司，廣東 廣州 510060;2.貴州新聯(lián)爆破工程集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽 550002)

0 引 言

巖質(zhì)邊坡是一種不連續(xù)的介質(zhì)，順層巖體高邊坡屬于巖質(zhì)邊坡的一種，指以層狀結(jié)構(gòu)的沉積巖巖體為主體特征的一類巖質(zhì)邊坡，在開挖過程中，層狀基巖傾向與開挖邊坡傾斜方向成小角度相交。順層巖質(zhì)邊坡的變形與破壞，主要體現(xiàn)在層面與破裂不同組合的邊坡滑移，如圖1所示。翟明洋、周佳榮等[1-2]提出了多因素共同作用下對邊坡穩(wěn)定性的影響，并運(yùn)用相對作用理論指出因素之間的相關(guān)作用和對邊坡穩(wěn)定性影響的內(nèi)在規(guī)律，吳科亮、崔耀璞等[3-6]通過正交試驗(yàn)原理考慮邊坡穩(wěn)定因素的相互影響關(guān)系,模擬分析了各因素對邊坡穩(wěn)定性影響的敏感程度。相關(guān)學(xué)者[7-8]也使用數(shù)值仿真計(jì)算、現(xiàn)場工程試驗(yàn)計(jì)算了不同工況下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。但相關(guān)內(nèi)在參數(shù)的影響多停留在理論研究，與現(xiàn)場實(shí)際有一定的區(qū)別，基于現(xiàn)場工程實(shí)踐和數(shù)值模擬得出的結(jié)果，對于類似工程實(shí)踐有指導(dǎo)意義。

1 計(jì)算模型的選取

巖質(zhì)邊坡的狀態(tài)會受到本身巖性及地質(zhì)構(gòu)造的影響，同時(shí)邊坡會受到各種內(nèi)外應(yīng)力的作用，這些作用對邊坡的形成改造起到一定作用，并有可能導(dǎo)致其破壞。同時(shí)由于巖質(zhì)邊坡本身巖性及地質(zhì)構(gòu)造的差異，使得各因素的影響程度不一樣，考慮層面巖體強(qiáng)度特性，主要表現(xiàn)在以下5個因素：彈性模量；泊松比；內(nèi)聚力；摩擦角；容重。

選取相關(guān)工程實(shí)例，在順層巖體基礎(chǔ)上選取砂巖、頁巖、泥巖3種沉積巖為研究對象；灰?guī)r材料參數(shù)進(jìn)行對比，經(jīng)過相似折減對室內(nèi)試驗(yàn)巖石材料參數(shù)進(jìn)行分析處理，得到巖體模型參數(shù)(見表1)。

圖1 巖層面與潛在破裂面失穩(wěn)滑坡

表1 幾種順層巖體相關(guān)參數(shù)

根據(jù)巖體取值范圍，對巖體材料內(nèi)在因素對邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行分析。由于彈性模量的變化對邊坡的影響結(jié)果較小，因此，在分析材料屬性對邊坡穩(wěn)定性影響時(shí)，排除彈性模量對邊坡的穩(wěn)定性影響，泊松比分別取0.1，0.2，0.3，0.4，內(nèi)聚力分別取100，300，600，900 kPa，摩擦角分別取15°，25°，35°，45°，容重分別取17，22，27，32 kN/m3，為了減少實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停岣邤?shù)值模擬效率，對4種因子選取正交實(shí)驗(yàn)組合。

采用Flac3d數(shù)值分析軟件，運(yùn)用有限元強(qiáng)度折減法，層面考慮為理想彈塑性體，屈服條件采用Mohr Coulomb準(zhǔn)則，直接將層理和完整巖石分開，用接觸面單元模擬層理，用各向同性的實(shí)體單元模擬完整巖石。這種方法可以很好的模擬圍巖變形，以及巖體沿接觸面的滑動、張開，并對不同尺度因子條件下的層理邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。旨在通過這種方法，從安全系數(shù)方面總結(jié)歸納出不同尺度因子條件下的層理邊坡失穩(wěn)模式。選取的模型單元相關(guān)參數(shù)分別為：層面間距15 m，層面傾角50°，邊坡角45°，開挖高度200 m。如圖2所示。

圖2 Flac3d邊坡模型

2 穩(wěn)定性影響因素分析

利用以上數(shù)據(jù)分別建立相關(guān)模型，得到如表2所示的相關(guān)模擬數(shù)據(jù)。

表1中各列計(jì)算得到的Ⅰ/k、Ⅱ/k、Ⅲ/k、Ⅳ/k數(shù)據(jù)，反應(yīng)的是該列對應(yīng)的模型材料因素選取不同水平時(shí)對模擬結(jié)果的影響，算出各列模型材料因素的Ⅰ/k、Ⅱ/k、Ⅲ/k、Ⅳ/k值后，計(jì)算每列Ⅰ/k、Ⅱ/k、Ⅲ/k、Ⅳ/k 4個值中最大值與最小值之間的差距，并除以各列水平出現(xiàn)的次數(shù)kj，就可以得到相應(yīng)列影響因素的極差Rj。極差Rj反映的是該列不同模型參數(shù)選取下對邊坡穩(wěn)定性的影響。通過分析各參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性影響程度的大小，就可得到不同參數(shù)下的邊坡穩(wěn)定性。

根據(jù)正交試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)，以安全系數(shù)為因變量做顯著性分析，以每個因素各水平參數(shù)為橫坐標(biāo)，實(shí)驗(yàn)值表為縱坐標(biāo)，得到因素單變量對邊坡模型的安全系數(shù)影響，如圖3所示。

表2 正交實(shí)驗(yàn)方差分析

注：因素主次：CBDA；安全系數(shù)最大：A2B3C4D1；安全系數(shù)最小：A2B2C1D4

圖3 不同影響因子對安全系數(shù)的影響

從圖3中可以看出：

(1) 當(dāng)泊松比的取值范圍為0.1～0.4時(shí)，邊坡安全系數(shù)變化范圍為1.19～1.38，隨泊松比的增大，邊坡安全系數(shù)呈線性增大趨勢，平均增長率為63%；

(2) 當(dāng)邊坡內(nèi)聚力的變化范圍為0.1～0.9 MPa時(shí)，邊坡安全系數(shù)變化范圍為1.05～1.33，隨內(nèi)聚力的增大，邊坡安全系數(shù)呈線性增加趨勢，平均增長率為35%；

(3) 當(dāng)邊坡內(nèi)摩擦角的變化范圍為15°～45°時(shí)，邊坡安全系數(shù)變化范圍為0.69～1.64 ，隨內(nèi)摩擦角的增大，安全系數(shù)呈線性增加趨勢，平均增長率為3.26%；

(4) 當(dāng)邊坡內(nèi)容重的變化范圍為17～32 kN/m3，邊坡安全系數(shù)變化范圍為1.44～1.22，隨著容重的增大，安全系數(shù)呈線性減小趨勢，平均減小率為1.46%。

利用IBM SPSS軟件對影響因子(摩擦角，泊松比，內(nèi)聚力，容重)和因變量(安全系數(shù))進(jìn)行重要性分析，結(jié)果見如圖4和表4。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)化的重要性

表4 自變量的重要性

通過自變量重要性分析可以看出，在相同開采工況下，邊坡不同材料屬性對邊坡穩(wěn)定性的影響從小到大的順序分別為泊松比，容重，內(nèi)聚力，摩擦角，自變量的重要性依次為0.066，0.075，0.250，0.609，標(biāo)準(zhǔn)化的重要性分別為10.8%，12.3%，41.1%，100%。與正交實(shí)驗(yàn)中極差計(jì)算比較各影響因素的的權(quán)重關(guān)系一致，對比結(jié)果給出了不同材料屬性對順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響關(guān)系。

3 結(jié) 論

(1) 不同影響因素對邊坡穩(wěn)定性影響權(quán)重從小到大依次為泊松比，容重，內(nèi)聚力，摩擦角，其中摩擦角和泊松比影響占到整體的85.9%；

(2) 安全系數(shù)隨泊松比增大而呈線性增大趨勢，平均增長率為63%；隨內(nèi)聚力增大而呈線性增大趨勢，平均增長率為35%；隨摩擦角增大而呈線性增大趨勢，平均增長率為3.26%；隨容重增大而呈線性減小趨勢，平均減小率為1.46%。