基坑高陡巖質邊坡穩定性分析

艾 昕,謝俊杰

(1.甘肅交建項目管理有限公司,蘭州 730000; 2.福建省閩武長城巖土工程有限公司,福州350000)

0 引言

隨著人們對礦產資源的不斷開發及利用,礦區產生了諸多高陡巖質邊坡。巖質邊坡由各類巖體及結構面網絡組成,坡體巖性、巖體結構、地下水等因素都會影響其穩定性狀態。巖質邊坡災害具有隱蔽性、突發性、破壞性強及防治難度大等特點[1]。近年來,巖質邊坡穩定性評價與安全治理已成為工程領域的研究重點。

目前,對于巖質邊坡穩定性的研究主要分為定量與定性分析法[2]。定性分析法(如工程地質類比法)是根據相關的地勘資料、現場調查及工程經驗對巖質邊坡進行分析,但存在精度不高問題。定量分析法主要通過極限平衡原理計算,但該方法難以合理判定巖體隨開挖時間變化出現的薄弱部位、滑動面位置、滑動面剪切強度等問題[3-5]。

以長沙某高陡巖質邊坡為研究對象,將赤平投影法、數值計算軟件Phase2及Slide相結合,判斷邊坡的穩定性,分析邊坡破壞模式,計算邊坡支護結果,得出高陡巖質邊坡穩定性分析思路及治理方法,為類似分析治理提供技術參考。

1 巖體結構特征

該場地為石灰巖采場遺留礦坑形成的高陡巖質邊坡,擬治理BC區段,邊坡寬度約25 m,高度35～39 m,坡角55°～76°。現場調查坡體存在較多節理裂隙,層理面十分明顯。邊坡現狀如圖1所示。

根據現場實地調查,將BC段高陡邊坡坡面產狀匯總如表1所示。

由表1結構面產狀信息判斷可知,該段邊坡巖層層面順傾,邊坡可能產生沿巖層層面的平面滑動。結合勘察信息、室內試驗及經驗參數,邊坡巖土物理力學性質參數如表2所示。

2 穩定性分析與評價

2.1 赤平投影分析

對于巖質邊坡,其穩定性主要受結構面控制,基于赤平投影技術對結構面產狀進行研究,是對巖質邊坡穩定性進行定性評價的主要手段[6]。

根據野外實測結構面資料,采用赤平投影分析來定性評價邊坡的穩定性。根據現場工程經驗,巖質邊坡平面滑動的破壞判定通常認為只有在與邊坡傾向夾角在±20°范圍內時有可能發生。將邊坡結構面產狀繪制在赤平投影圖上,結果如圖2。

由圖2可以看出,層理與邊坡面傾向相同,且層面L的傾角48°小于邊坡面P的傾角55°,易發生平面滑動破壞。裂隙L1與裂隙L2及邊坡大角度相交,對邊坡穩定性影響較小。裂隙L1與裂隙L2分別與層理L及坡面P相交,L與L2兩結構面的組合交線OE位于結構傾向線OA及OB之間,兩結構面均為滑動面,可能發生雙平面滑動,OE為滑動方向,故初步判斷該邊坡為平面滑動破壞。

2.2 數值模擬分析

結合現場調查及赤平投影分析,利用數值模擬軟件Phase2,對巖質邊坡變形發展趨勢與支護結果進行模擬分析,從而對邊坡進行治理[7-8]。

研究思路如下:結合主應力σ1跡線,考慮邊坡的歷史應力發展確定應力松弛范圍,根據邊坡穩定狀態,對邊坡潛在的滑動面進行參數反演及邊坡支護,計算穩定性系數。

2.2.1 應力松弛區劃分

礦坑開挖使周圍巖體卸荷,導致巖體應力重分布,坡體淺層產生應力松弛。開挖過程中,土體受力狀態改變,部分巖層暴露在空氣中,原有結構被破壞并重新排列,造成錯動及位移。這些變形釋放了土體內部原有的應力,使邊坡周圍土體中的應力下降,尤其是高陡邊坡更加明顯。該區域的土體密度及強度發生降低甚至大幅減少,對邊坡穩定性產生不利影響,故判斷應力松弛區域對巖質邊坡支護具有重要意義[12]。

不考慮該段邊坡采空區的影響,僅對上部巖體進行穩定性分析。在Phase2中,分9個時步模擬礦坑開采過程,將礦坑邊坡現狀與未開挖前初始狀態的應力狀態進行比對,結合邊坡主應力增量計算云圖判定應力松弛區分布范圍,如圖3所示。由圖3可知,整個圈內即為該邊坡開挖后應力松弛區較為集中的區域,Δσ1值為-100～0 kPa,主要分布在該邊坡上部區域。提取圖3中2號線的Δσ1數值,繪制Δσ1隨距離變化的曲線圖,如圖4。

圖3 BC段邊坡Δσ1增量圖Fig.3 Delta Δσ1 of the BC section slope

從圖4中Δσ1值隨邊坡坡面至坡體距離增加而變化的曲線可見,2#線的應力松弛區根據曲線變化速率大致可分為兩個區間:18～30 m為應力松弛漸變區,即Δσ1向正值緩慢增加區段。0～18 m為應力松弛顯著區,即Δσ1值由負值快速下降區段[8]。

2.2.2 潛在滑動面判定

根據邊坡天然狀態下的邊坡坡角、結構面分布、邊坡松弛區范圍模擬結果、邊坡現狀踏勘穩定狀態特征,對該段邊坡進行綜合分析評價,判定為雙平面滑動破壞。滑動面位置如圖5所示。

圖5 現狀邊坡潛在滑動面工程地質模型Fig.5 Engineering geological model of potential sliding surface of the slope

2.2.3 邊坡現狀參數反演

結合現場勘察信息、赤平投影圖及工程經驗,綜合判定該區段巖質邊坡處于基本穩定狀態。

應用Slide軟件對現狀邊坡進行參數反演。選擇Bishop計算方法計算1000次,對于潛在滑動面按照0.5 m薄層建立模型。現階段邊坡安全狀態為基本穩定狀態,以穩定性系數為1.10左右進行反演分析。

邊坡現狀穩態計算結果如圖6所示,穩定性系數為1.096。按照現行規范要求,邊坡穩定性系數應大于1.35,故需采取措施對其進行支護。

圖6 BC段邊坡現狀穩定性計算結果Fig.6 Calculation results of present stability of BC section slope

3 邊坡支護穩定性評價

根據邊坡現狀應力松弛區分布情況及潛在的破壞機制,對其進行加固處理。對上部巖體按照1∶0.5進行淺表層刷方并采用系統錨桿予以支護,其余巖體部分保持天然狀態,支護措施采用錨桿十字板支護技術。

計算結果如圖7所示。治理后的邊坡穩定性系數為1.392,滿足現行規范中一級建筑邊坡穩定安全系數≥1.35的要求。由圖7可見,采用上述方案進行支護,邊坡穩定性系數提升較多,加固后的邊坡處于安全狀態,證明該方案是有效可行的。

圖7 邊坡治理后穩定性評價Fig.7 Stability evaluation of slope after treatment

4 結論

結合赤平投影、極限平衡法及有限元法,對長沙某礦坑巖質邊坡進行分析評價,得到結論如下:該巖質邊坡破壞機制為沿不利結構面產生雙平面滑動破壞的模式。礦坑開挖后,巖質邊坡存在應力松弛區與集中區,應力松弛區位于在坡面中上部,應力集中區位于坡腳。在雙平面滑動巖質邊坡治理中采用預應力錨桿進行支護,能夠顯著提升邊坡穩定性系數,有效治理邊坡。