岩石边坡中滑动面水压分布假设的改进.pdf

第3 3 卷第5 期中国矿’业大学学报V 0 1 ．3 3N o ．5 2 0 0 4 年9 月f o u r ’n a lo fC h i n aU n i v e x s i t yo fM i n i n g 4 T e c h n o l o g y S e p ．2 0 0 4 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 4 0 5 0 5 0 9 0 4 岩石边坡中滑动面水压分布假设的改进 舒继森，，王兴中2 ，周毅勇2 1 ．中国矿业大学能源与安全工程学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 ； 2 ．神华集团准格尔能源有限责任公司，内蒙古呼和浩特0 1 0 3 0 0 摘要在使用极限平衡法计算岩体边坡平面滑动时，一直沿用H o e kE 和B r a yJw 提出的假设 来计算滑动面上的静水压力，即当滑体有竖直张裂缝时，假定竖直张裂缝底部的压力最大，在张 裂缝中向上逐渐变小．但这种情况下的水压变化假设存在一定问题．本文针对这个问题提出了 一种新的水压变化假设，即在滑面的最低点和张裂缝中水位点的水压为0 ；无论总水位的1 ／2 处 在张裂缝中还是在滑动面上，水压力都在该点达到最大．使用这种新的假设将使充水岩石边坡 稳定性分析更具科学性． 关键词岩石边坡；静水压力；边坡稳定；水压分布 中图分类号T D8 2 4 ．7文献标识码A I m p r o v i n go nA s s u m p t i o nf o rW a t e rP r e s s u r e D i s t r i b u t i n go nF a i l u r eS u r f a c ei nR o c kS l o p e S H Ul i s e n l ，W A N GX i n g z h o n 9 2 ，Z H O UY i y o n 9 2 1 ．S c h o o lo fM i n e r ’a la n dS a f e t yE n g i n e e i i n g ，C U M T ，X u z h o u ，l i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a ； 2 。S h e n h u aG o u pZ h u n g e e rE n e I g YC O ．，L4 T D ，H u h h o t ，I n n e rM o n g o l i a0 1 0 3 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t F o rc a l c u l a t i n gt h es a f e t yf a c t o r ’o far o c ks l o p e ，t h ea s s u m p t i o ns u g g e s t e db yH o e kEa n d B I a v ．IWi Sa d o p t e dt Oc a l c u l a t et h en o r - m a lf o I - c eo nf a i l u r eS U I { a c e ．T h ea s s u m p t i o nm e a n st h a t w h i l ear o c ks l o p ew i t ht e s n s i o nc r ’a c k ，t h ew a t e rp r ’e s s u r ei sm a x i m u ma tt h eb o t t o mo ft h e t e n s i o n ，t h e ni td e c r ‘e a s e sg r ’a d u a l l yu pt h eC I ’a c k ．I nt h i sc a s e ，t h i sa s s u m p t i o ni sp r o b l e m a t i c ． T h e r e f o r ’e ，an e wa s s u m p t i o ni sp u tf o r ’w a r dt o tt h ec h a n g eo fw a t e r ’p r e s s u r ‘e ．T h en e wa s s u m p t i o n p r - e s e n t sap o i n tt h a tt h ew a t e rp r e s s u r ei sz e r - o a tt h el o w e s tp o i n to ft h ef a i l u r es u r f a c ea n dt h e w a t e r l e v e li nt h et e n s i o nc r a c k ．B ym e a n so ft h i sn e wa s s u m p t i o nt h ea n a l y s i so ft h es t a b i l i t yo f w a t e r e dr o c ks l o p ec a nb em o t - er e a s o n a b l e ． K e yw o r d s r o c ks l o p e ；n o r ’m a lf o r c e ；s l o p es t a b i l i t y ；w a t e r ’p r ’e s s u r ’ed i s t r i b u t i n g 大量边坡滑动发生在雨后、雨季和解冻时期i 这说明水对边坡稳定性的影响极大．水对边坡稳定 性的影响表现为软化岩土、增加滑动部分岩土的重 力、对边坡岩土产生静水压力和动水压力，这些影 响均可以在稳定性计算时予以考虑．对于有竖直裂 缝时的静水压力，过去一直沿用的水压力分布假设 不尽合理，必须进行改进． 1原水压分布假设及存在的问题 二十多年前H o e kE 和B r a yJW 对不透水岩 石边坡中结构面上的水压力作了如图1 所示的假 设[ 1 3 结构面下部水可自由流出 ，其后许多人就～ 直沿用这～假设[ z - 4 3 ． 图l a 是不透水岩石边坡没有竖直张裂缝时结 构面上的静水压力分布，图l b 是不透水岩石边坡 收稿日期2 0 0 4 0 1 ～1 0 作者简介舒继森 1 9 6 1 ． ，男，四川省中江县人，中国矿业大学副教授，工学硕士，从事岩士边坡工程方面的研究 万方数据 5 1 0中国矿业大学学报 第3 3 卷 一一 a 没有竖直张裂缝 b 有竖直张裂缝 图l 岩石边坡沿结构面的静水压力分布 F i g ．1 H y o s t a t i cP r e s s u i eD i s t i i b u t i n go nC I a c k 有竖直张裂缝时结构面上和张裂缝中的静水压力 分布．根据H o e kE 和B r a yJW 的假设，图1 a ，b 中 单位走向长度结构面上的总静水压力为 y U 。齑H 2 ， 1 y U 一。2 ～7 日一Z ． 2 厶凶l I _ I p o h 在美国T A G A S o f t 软件公司2 0 0 1 年开发的 边坡稳定计算软件中也采用了这样的假设 h t t p ／／ w w w ．T A G A s o f t ．c o m ／T A G A s o f t ／C a l c u l a t o r - s ／ i n d e x p f h t m l ． 很显然，有竖直张裂缝时的静水压力分布假设 不合理，举一个特例就可以说明这一点当竖直张 裂缝中的水位高度h 接近或等于0 时，按照式 2 计算出结构面上的总静水压力U 就接近或等于0 ． 事实上，当h 一0 时，应该用式 1 计算总静水 压力，只要日≠0 ，U 就不会等于0 ． 另外，当竖直张裂缝较深、结构面较短时，用式 2 计算出来的总静水压力偏太． 2 新的水压分布假设及其合理性 本文作者认为，对不透水岩石边坡，当水可。从 结构面下部自由流出、有竖直张裂缝时，结构面上 的水压力应作图2 所示的假设． 新的水压分布假设是在A 点，静水压力为0 ； 在D 点静水压力达到最大，为冬‰；当五 半的情况，此时B 点静水 压力旦喾．％，单位长度结构面上的总静水压力 为 u ％茅气． ㈤ 当h 等B 寸，式 3 ， 4 的计算结果相等，均 为南。圪 新假设的合理性司。以通过与H o e kE 等人对 无张裂缝时水压力假设的比较来说明 我们认为， H o e kE 等人所作图l a 所示的假设是合理的 ． 当张裂缝在任何位置以及张裂缝水位高度任 意时，用式 1 和式 3 计算出作用在图2 中A B 段 上的总压力相等就说明新假设是合理的． 在计算水压时，图3 所示的两个模型是等效 的． 图2 有竖直张裂缝的岩石边坡沿结构面上 静水压力分布的新假设 F i g ．2N e wa s s u m p t i o nf o rw a t e ip i ’e s s u i ed i s t i ’i b u t i n g w i t ht e n s i o nc r a c k 图2 中，H 是滑体在竖直方向的高度，H 。是 从滑体底部算起的水位高度，五是竖直张裂缝中水 位的高度，结构面 滑动面 倾角为p ，A 点是结构 面在边坡上的出露点，D 是二分之一水位高点，B 是结构面与竖直张裂缝的交点，C 是竖直张裂缝在 边坡顶面的出露点． n o r m a lw a t e if o I c e 在图3 右侧的模型中，无论是否有张裂缝存 在，B 点的水压力都应该是h 比．不考虑张裂缝 存在时，根据图l a 所示的假设，作用在A D 上的总 水压力为9 1 4 s I i n w 口- l e - a r m 2 ，作用在B D 上的总水压力 为U 2 - - 西I 丽w 矗2 作用在A B 上的总水压力应为作 用在A D 上的总水压力与作用在B D 上的总水压 力之差，即U u z U 。。石I i n w p _ - ‘_ - T w 2 一嚣I 郦w 五2 ，结果 万方数据 第5 期舒继森等岩石边坡中滑动面水压分布假设的改进 与式 3 的表达式完全相同，可见新的假设是合理 的． 3 两种假设结果的对比 下面将两种假设得到的总静水压力作～个对 比．为了便于区分，用仉表示式 2 求出的总静水 压力，用 ，。表示式 3 求出的总静水压力．设岩石 边坡的坡面角为口，结构面倾角为p ，结构面在坡面 上的出露点到坡顶面的竖直距离为日，张裂缝的 深度为z ，张裂缝离坡顶线的距离为b ，如图4 所 示． 图4 有竖直线裂缝岩石边坡的几何参数示意图 F i g 。4 S k e t c ho fs l o p eg e o m e t z Yp a r a m e t e z w i t ht e n s i o nc I a c k 由几何关系可知，张裂缝深度z 与裂缝离坡 顶线的距离b 有如下关系 Z H 一 6 t a n ／ H t a n ／ ／t a n a ． 显然张裂缝的最大深度为 Z m 。。一H 1 一t a n ／ ／t a n s ． 当竖直张裂缝在边坡顶面上的位置向背离坡 顶线方向移动时，竖直张裂缝的深度逐渐变小，假 设边坡中倾斜结构面和竖直张裂缝始终充满水，即 H 。 H ，h Z ，水在结构面的下出露点可以自由流 出．为了便于对比，给定H ，a ，p 的值日 1 5m ， 口 6 0 。，p 3 5 。，此时可以算出竖直张裂缝离坡顶 线的最大距离6 。。 1 2 ．7 6m ．两种假设得到的每 米走向长度上总静水压力随张裂缝位置变化的对 比见图5 和表1 ． 再看另一种情况竖直张裂缝位置不变，只有 裂缝中的水位发生变化．仍然假设H 一1 5m ，d 一 6 0 。，』9 3 5 。，再设6 5m ，则裂缝深度Z 5 ．4 3m ． I l l0 09 吐”08 07 06 05 当裂缝中水深矗从5 ．4 3m 变化到0 时，两种假设 得到的每米走向长度上总静水压力的对比如图6 所示． 1 2 0 0 1 0 0 0 目8 0 0 至6 0 0 吾4 0 0 2 0 0 0 25 55 1 076 51 02 01 27 5 7 V m 图5 两种假设总静水压力随 竖直张裂缝位置的变化曲线 F i g ．5 C u z y e so fn o r r e a lw a t e r { o r c ew i t h d 珊e i e n ta s s u m p t i o n s 表1不同假设的总静水压力值随张裂缝位置的变化 T a b l e1N o r m a lw a t e rf o r c e sw i t hp o s i t i o no ft e n s i o n c r a c ku n d e rd i f f e r e n ts u p p o s e s b00 ．2 b m a x0 ．4 6 m a x0 ㈣6 bx0 ．8 6 r n a xb m a x 仉／ k N m 一1 4 7 2 ．3 74 8 9 ．2 74 5 0 ．| 4 83 5 6 ．0 12 0 5 ．8 50 U 。／ k N m 一1 2 8 4 ．6 53 5 ．1 9 7 3 0 ．1 8 6 9 ．3 19 5 2 ．8 5 9 8 0 ．6 9 7 0 0 6 0 0 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 00510 l5 20 2530 35 40 4555 55 ∥m 图6 两种假设总静水压力随竖直 张裂缝深度的变化曲线 F i g 。6 C u r Y e So fn o r m a lw a t e If o z c eu n d e r d i f f e i e n ta s s u m p t i o n s 下面用两个实例来进行两种假设条件下稳定 系数的变化情况．计算条件是1 H 2 5m ，d 6 0 。，p 一2 5 。，竖直张裂缝在坡顶面上，z 1 1 ．2 7m ， 岩石重度7 - - 2 0k N ／m 3 ，≠一2 5 。，c 一0 ，水位．由0 变 化到2 5m ；2 c 一2 0k P a ，其余条件同1 ；3 H 1 5m ，髓 6 0 。，p 一2 5 。，竖直张裂缝在坡面上，z 一1 2 m ，y 一2 0k N ／m 3 ，声一2 5 。，C 一0 ，水位2 由0 变化到 1 5m ；4 C 一2 0k P a ，其余条件同3 ．计算结果如 图7 所示． 焉 0 4 0 2 H。HW b c 图7不同水压分布假设时稳定系数与水位的关系曲线 F i g ．7 C u t v e so ff a c t o r ’o fs a f e t ya n dw a t e il e v e lu n d e r 。d i f f e i e n ta s s u m p t i o n s 03691 2 乩 d 万方数据 5 1 2 中国矿业大学学报第3 3 卷 从图7 可以看出，如果几何条件相同，当张裂 缝在坡顶面而倾斜滑动面较长时，原水压假设下得 到的稳定系数总是大予新假设下得到的稳定系数； 当张裂缝在坡面上、倾斜滑动面较短时，如果张裂 缝中水位较低，则原假设计算得到的稳定系数较 大，如果张裂缝中水位较高，则原假设计算得到的 稳定系数较小． 4 结论 通过上述计算分析可以得出如下结论 1 原有的水压力分布假设有2 个明显的缺 陷a ．当竖直张裂缝中充水深度大而倾斜滑面较短 时U 。过大；b ．当竖直张裂缝中充水较浅而倾斜滑 面较长时，玑偏小，特别是当竖直张裂缝接近0 时，阢接近0 ． 2 本文提出的新假设克服了原假设的缺陷， 具有普遍的适用性 无论张裂缝中有水或无水，张 裂缝位置在台阶面上或在倾斜面上，张裂缝很深或 很浅 ，甚至可以包括没有张裂缝的情况． 3 在进行不透水边坡平面滑坡计算时，应该 采用本文提出的～种如图2 所示的假设，计算公式 为式 3 或式 4 ． 参考文献 [ 1 ] H o e kE ，B I a yTWR o c kS l o p eE n g i n e e r ’i n g [ M ] ．． L o n d o n R e v i s e ds e c o n de d i t i o n ，1 9 7 7 ． [ 2 ] 周昌寿，杜竞中，郭增涛，等．露天矿边坡稳定[ M ] 徐州中国矿业大学出版社，1 9 9 0 1 8 2 1 ，1 2 7 1 2 9 ． E 3 ] 中国矿业大学．露天采矿手册 第六分册 [ M ] 。北 京煤炭工业出版社，1 9 8 7 1 1 8 ，1 5 2 1 5 6 ． [ 4 ]佴磊，唐辉明，汪发武．．工程地质应用程序总集 [ M ] ．吉林吉林大学出版社，1 9 9 3 8 6 8 9 ．． 责任编辑王玉浚 万方数据