多层软弱夹层边坡岩体稳定性及加固分析.pdf

第 28 卷 增 2 岩石力学与工程学报 Vol.28 Supp.2 2009 年 9 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Sept.，2009 收稿日期收稿日期2008–10–12；修回日期修回日期2008–12–16 作者简介作者简介许宝田1976–，男，2000 年毕业于南京大学地球科学系水文地质与工程地质专业，现为在站博士后，主要从事岩石力学方面的研究工 作。E-mailzhangqingxubt 多层软弱夹层边坡岩体稳定性及加固分析 多层软弱夹层边坡岩体稳定性及加固分析 许宝田 1，2，钱七虎1，阎长虹2，许宏发1 1. 解放军理工大学，江苏 南京 210007；2. 南京大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 210093 摘要摘要野外地质调查发现九顶山边坡岩体内存在 3 条规模较大的软弱夹层控制着岩体的稳定性。采用数值法对该 边坡岩体的变形特征进行研究，发现直接开挖后沿软弱夹层将发生大的相对滑动，岩体最大水平位移位于 P2软弱 夹层坡面附近，达 1.25 cm，相对滑动造成软弱夹层强度降低为残余强度，易造成边坡失稳。P1，P2软弱夹层上剪 应力最大值分别为 239.0，172.4 kPa，位于滑面中前部。当采用锚喷加固边坡时，锚杆穿过软弱夹层时轴力突然增 大，表明 3 条软弱夹层均发生较大的变形，对边坡稳定较为不利，但锚杆加固效果明显，能较大地提高边坡稳定 性，采用强度折减法计算得到加固后边坡稳定性系数为 1.65。结果表明，应用数值模拟技术，可以直观形象地反 映出边坡变形及应力变化的全过程，从而对工程措施优化、信息化设计和施工起超前预报与辅助决策起到一定的 作用。 关键词关键词岩石力学；软弱夹层；边坡；岩体；稳定性 中图分类号中图分类号TU 45；P 642.22 文献标识码文献标识码A 文章编号文章编号1000–69152009增 2–3959–06 STABILITY AND STRENGTHENING ANALYSES OF SLOPE ROCK MASS CONTAINING MULTI-WEAK INTERLAYERS XU Baotian1 ，2，QIAN Qihu1，YAN Changhong2，XU Hongfa1 1. PLA University of Science and Technology，Nanjing，Jiangsu 210007，China；2. School of Earth Sciences and Engineering， Nanjing University，Nanjing，Jiangsu 210093，China AbstractThree weak interlayers were found in the rock mass of Jiudingshan slope by outdoor investigation， which control the stability of the slope. The deation characteristics of the slope rock mass are studied using numerical simulation. The results indicate that 1 large relative slide will be induced by the direct excavation， and the maximum horizontal displacement，1.25 cm，happens on the slope surface where the weak interlayer P2 emerges； and 2 the relative deation makes the strength of the weak interlayers reduce to be the residual one， which makes the slope more instable. The maximum shear stresses at the middle and front of the weak interlayers P1 and P2 are 239.0，172.4 kPa respectively. When the slope is strengthened by anchors，the axial force increases rapidly near the weak interlayers， which indicates that the anchors make the stability of the slope be improved. The stability coefficient of the slope after reinforcement calculated by strength reduction is 1.65. It is shown that the numerical simulation can give the variation process of deation and stress in the slope，and it is helpful for engineering optimization，inational design and construction. Key wordsrock mechanics；weak interlayers；slope；rock mass；stability 1 引引 言言 含软弱夹层岩体的破坏形式及其发展过程取决 于组合系统的稳定性，系统的稳定性则与系统中夹 层与围岩间的相互作用密切相关，而系统中岩层间 的相互作用又影响着岩体破坏的发展。因此，岩层 及其结构的破坏与系统的失稳是相互影响和相互制 3960 岩石力学与工程学报 2009年 约的[1]。目前已有不少学者[1 ～9]对软弱夹层对边坡岩 体稳定性的影响进行了研究。软弱夹层是岩体中的 不连续面，由于其物理力学性质差，不论厚薄，都 会给工程建设带来一系列问题，常成为地下洞室、 边坡稳定、坝基、坝肩抗滑稳定等的控制性弱面。 历史上许多工程的失事、失稳，究其原因，大多是 由于沿着软弱夹层或软弱结构面发生位移量很大的 滑动而造成的[10]。目前考虑软弱夹层对岩体稳定性 影响的研究成果已经很多，但对岩体内部含多条软 弱夹层时，岩体与软弱夹层相互作用导致的变形和 稳定性问题则研究较少。本文针对具体边坡工程， 运用 FLAC 数值模拟方法，对含多条软弱夹层岩体 的应力分布和变形进行计算，并在此基础上，选取 适当的边坡加固方法，最后采用强度折减法对含多 条软弱夹层情况下加固后边坡岩体的稳定性进行计 算，验证加固方案的效果。 2 工程概况工程概况 九顶山人工边坡是莱芜钢铁股份有限公司特钢 厂扩建开坯车间征地需要而开挖形成的。车间长度 方向与边坡走向一致，两者水平距离为 6.0 m。原自 然坡度小于 30 ，坡面未发现有软弱夹层出露，开 挖后边坡最高约 35.0 m，坡角一般为 70 。边坡开 挖后、厂房施工前发现该边坡存在较大安全隐患， 需要对其进行稳定性评价，以便采取相应的加固措 施，以策安全，且为下一阶段开山放坡工作提供指 导。 坡体内主要地层为上古生界寒武系凤山组的石 灰岩，局部覆盖松散第四系土薄层，自上而下具体 为 1 强风化石灰岩青灰色，泥晶质结构，中 厚层、薄层及板状构造。主要矿物成分为方解石， 岩层产状为 28 ∠22 。分布于边坡的顶部。 2 中风化石灰岩青灰色，泥晶质结构，中 厚～薄层。主要矿物成分为方解石，岩层产状为 28 ∠22 ，RQD 50～60。 3 风化软弱夹层主要成分为全风化泥质灰 岩，一般厚为 5～10 cm，产状与岩层一致，并有东 厚西薄、局部不连续的特征。本工程中具代表性 的强～中风化泥质灰岩软弱层，经调查发现，在坡 面共出露 P1，P2，P3三层见图 1。 水平距离/m 图 1 边坡工程地质剖面图 Fig.1 Geological cross-section of slope engineering 此外，在岩体内还发育有产状为 200 ∠70 ， 128 ∠70 的节理，坡面岩体破碎。 可以确定软弱层和节理面为控制边坡稳定性的 主要结构面。在进行勘察工作前，边坡西侧坡顶岩 体沿 P3软弱夹层发生块体滑动破坏，滑体体积达上 千方，表明边坡岩体不稳定，处于临界状态。同时， 根据勘察结果发现，软弱夹层强度参数虽然不高， 但层面倾角不大，仅 20 左右，小于软弱夹层的内 摩擦角，再加上软弱夹层本身有一定的黏聚力，从 通常的极限平衡角度来看，边坡是稳定的，但实际 上并非如此，而且坡顶也未增加荷载，故造成不稳 定的原因主要包括1 滑动面抗剪强度随岩体变 形增大而下降；2 软弱夹层上的应力分布有变化。 说明边坡岩体的变形在不断发展，塑性区不断扩大， 若任其发展将可能导致岩体破坏的规模和程度不断 加大。所以，要分析边坡的稳定性就应对岩体内的 变形特征和滑动面上的应力分布状况作详细了解， 以便尽快对岩体稳定性作出准确判断，及时采取加 固措施，为加固方案提供依据。 3 计算方法和模型计算方法和模型 在边坡稳定性分析方法中，极限平衡分析法固 然有它的优点，但不能解决分析边坡应力和应变的 问题。有限元在解决小变形方面有其优越性，但通 常的边坡破坏多具弹塑性体特征，为大变形问题， 而有限元在解决大变形方面不十分方便。FLAC 程序在计算过程中允许材料发生屈服及大塑性变 形， 可以模拟岩土的力学性能， 尤其在弹塑性分析、 大变形分析方面有其独到的优点[11 ～13]。 从该边坡区域出露的地层岩性特征分析来看， 软弱夹层的产状与岩层一致，力学强度低，为潜在 滑动面和分离体边界。采用 FLAC 软件对图 1 所示 的边坡剖面建立二维 FLAC 计算模型，模拟的边坡 高度/m 第 28 卷 增 2 许宝田，等. 多层软弱夹层边坡岩体稳定性及加固分析 3961 岩体范围为水平向为 140 m，竖向为 75 m；采用 四边形四节点单元进行剖分，水平向最大网格数 162 个，竖向最大网格数 138 个，软弱夹层处加密。 岩体采用横观各向同性材料的节理化本构模型。由 于软弱夹层比较薄，采用接触单元模拟，岩体和接 触单元的层面切向均采用Mohr-Coulomb屈服准则， 层面法向不抗拉。 软弱夹层力学参数根据现场原位大型剪切试验 确定。勘察发现，3 条软弱夹层物质成分相同，加 上现场条件限制，试验时假设 3 条软弱夹层力学性 质相同，具体试验原理和试验方法见作者[14]的研 究，该剪切试验设备在“马鞍山马三峰边坡‘十一 五’技改新建 500 万吨钢厂开山形成的人工边坡工 程”边坡稳定性和加固方案设计研究中使用效果较 好，测得的试验数据可靠，故在本工程中再次使用 该设备对软弱夹层的力学参数进行测试，根据作 者[14]研究结果，强度参数取屈服值，石灰岩力学参 数在现场勘察和室内试验的基础上确定。岩体物 理力学参数见表 1。 表 1 岩体的物理力学参数 Table 1 Physico-mechanical parameters of rock masses 地层 剪切 模量 /GPa 体积 模量 /GPa 天然 容重 /kN m －3 黏聚 力 /kPa 内摩 擦 角 / 剪切刚度 /MPa m －1 法向刚度 /MPa m －1 抗拉 强度 /MPa 强风 化石 灰岩 0.37 1.1 25.0 100 27 0.0 中风 化石 灰岩 2.30 5.0 25.0 200 30 1.0 软弱 夹层 40 24 65 400 0.0 模型结构除对地质原型进行了必要的简化处理 外，基本上保持了与地质原型的一致性。模型边界 采用铰支约束，即左右边界无水平位移，底边界无 竖向位移。 4 边坡稳定性计算结果边坡稳定性计算结果 首先假设不考虑软弱夹层的影响，只考虑边坡 岩体完全为石灰岩体组成的情况。采用强度折减 法[15]计算得到边坡的稳定性系数为 1.51计算时对 各地层和软弱夹层按同比例折减，表明边坡稳定， 并且有足够的安全储备，而实际情况是边坡已经发 生破坏，并不稳定，说明软弱夹层的存在对边坡稳 定性影响大，岩体整体性差，各向异性特征显著。 因此，必须对边坡的稳定性做出全面评价，以便为 加固方案提供必要的参考依据，杜绝重大事故的发 生。 因此，这里先对边坡岩体的位移和软弱夹层的 应力分布特征进行计算，准确评价软弱夹层对边坡 稳定性的影响程度，根据计算结果确定具体加固方 案。 4.1 未加固岩体稳定性分析未加固岩体稳定性分析 根据计算结果得岩体水平变形等值线见图 2，位 移速度矢量图见图 3，在顺层岩体中变形从上部岩 层开始逐步向深部岩层传递，当穿越软弱夹层时向 下层的传递被削弱，其中 P3软弱夹层以上水平位移 达 1 cm 的范围约为 P2，P3软弱夹层之间水平位移 变化幅值的 2 倍，P1软弱夹层由于接近坡脚，受坡 前岩体的支撑作用，变形相对较小；边坡的变形以 坡顶最为显著，随着边坡内变形的不断积累和向深 层及坡脚的传递，在软弱夹层两侧水平位移等值线 为折线，表明在该处水平位移值有突变，沿 3 条软 弱夹层两侧岩体均产生不同程度的层间错动。 软弱夹层 软弱夹层 软弱夹层 图 2 水平位移等值线单位m Fig.2 Isolines of horizontal displacementunitm 图 3 位移速度矢量图单位m/s Fig.3 Vectogram of displacement velocityunitm/s 坡面最大水平位移位置在 P3软弱夹层坡面位 置，最大值达 1.25 cm；P1，P2软弱夹层坡面最大水 平位移分别为 1.00，0.50 cm，说明软弱夹层控制岩 体的水平位移，决定着岩体的稳定性状况。 以上计算结果表明，沿软弱夹层两侧岩体发生 了较大的相对滑动，表明边坡岩体的稳定性决定于 变形是否进一步发展和变形后的软弱夹层力学参数 软弱夹层 软弱夹层 软弱夹层 3962 岩石力学与工程学报 2009年 是否发生变化。 根据作者[14]研究结果及现场剪切试验，软弱夹 层力学参数随剪切变形变化的同时，参数的取值也 发生变化。 根据试验结果， 该软弱夹层的黏聚力 c 20～60 kPa峰值为 60 kPa，屈服值为 40 kPa，残余 强度为 20 kPa，内摩擦角ϕ 20 ～26 峰值为 26 ， 屈服值为 24 ，残余值为 20 。为了更准确地分析 软弱夹层对边坡的稳定性的影响程度，采用强度折 减法[15]计算软弱夹层在不同强度参数下的边坡稳 定性系数，见表 2。 表 2 软弱夹层在不同强度参数下的边坡稳定性系数 Table 2 Stability coefficients of slopes containing weak interlayers with different strength parameters 边坡稳定性系数 ϕ / c 20 kPa c 30 kPa c 40 kPa c 50 kPa c 60 kPa 20 0.92 0.96 0.99 1.02 1.04 22 0.97 1.01 1.03 1.05 1.06 24 1.01 1.03 1.05 1.06 1.07 26 1.04 1.05 1.06 1.07 1.08 根据稳定性系数计算结果，尽管强度参数在较 大范围内变化，但稳定性系数仅为 0.92～1.08，非 常接近临界状态，表明边坡不稳定或缺少很大的安 全储备，一旦受不利因素影响，其破坏的可能性大。 图 3 表明边坡的变形仍在继续，岩体运动的方 向平行于软弱夹层，由坡底向上，位移速度逐渐增 加。软弱夹层现场大型剪切试验结果表明，软弱夹 层发生错动之后，其强度降低为残余强度，黏聚力 接近 20～30 kPa，内摩擦角为 20 ～22 ，边坡岩体 处于临界状态，这对边坡稳定极为不利。若受降雨 或外部动荷载等不利因素影响，则必然造成岩体的 滑动破坏。 从图 4 可以看出，P1，P2软弱夹层上的剪应力 从前缘开始向滑面中部由小到大分布，从滑面中部 到滑面后缘剪应力从大到小分布，滑面中部剪应力 最大，剪应力最大位置分别位于68.9 m，27.1 m， 59.8 m，36.0 m处，最大值分别为 239.0，172.4 kPa， 说明滑面中前部此处与前文所提到的滑动破坏岩 体的位置一致剪应力较大，产生了应力集中现象， 使该处剪应力更为接近软弱夹层的抗剪强度，一旦 受不利因素影响，将从剪应力最大处首先发生屈服 破坏。 图 4 软弱夹层上剪应力分布图单位Pa Fig.4 Distribution of shear stress on weak inter layers unitPa 图 5 的塑性区分布特征也证明了以上结论，图 中“*”表示剪切屈服，“o”表示拉伸屈服。剪切 屈服位置均位于软弱夹层附近，其中 P3软弱夹层附 近也局部有拉伸屈服现象。由于边坡岩体中分布有 走向与边坡走向一致的延伸性好的节理，若软弱夹 层的错动进一步发展，沿塑性区首先破坏后，破坏 面贯穿形成滑动面时岩体就可能沿软弱面发生顺层 滑脱，并在软弱夹层两侧将岩石拉裂。因此，从坡 脚先发生屈服后形成的破坏面逐渐向后、向上延 伸，一旦屈服带贯通至地表便成为滑动面，导致边 坡失稳。 图 5 岩体塑性区分布特征 Fig.5 Distribution character of plastic zone in rock mass 以上分析表明，受软弱夹层影响，边坡水平变 形大，岩体沿软弱夹层发生层间错动，导致层面抗 剪强度下降，同时，由于软弱夹层中前部的应力集 中现象，均导致了边坡稳定性的降低，所以，边坡 的破坏过程是沿着软弱夹层的局部首先发生屈服并 导致屈服区附近岩石拉裂，随着岩体位移的增大， 破坏区也逐渐加大，最终导致边坡失稳，所以边坡 实际上不安全，必须要采取加固措施。 4.2 岩体加固效果分析岩体加固效果分析 根据边坡实际状况，拟采用锚喷法加固，即采 用全长黏结型锚杆表面挂网喷射素混凝土加固法。 锚杆孔径 110 mm，弹性模量 210 GPa。锚杆锚固段 必须深入到软弱夹层下的岩体内并有足够的长度， 第 28 卷 增 2 许宝田，等. 多层软弱夹层边坡岩体稳定性及加固分析 3963 以满足承载力要求。因此，锚杆总长度应达到 16～ 24 m，边坡上部抗滑锚杆长度应在 16 m 以上，坡 底锚杆长度应为 14～22 m。 确定锚杆间距的主要因 素是锚固强度需求和锚杆的相互作用。通过对锚杆 的相互作用和锚固强度的研究，锚杆间距为 2.0～ 2.5 m 时，锚杆的锚固效果最佳[16]。 计算时不考虑表面钢筋网和混凝土的加固作用 即钢筋网只考虑起护面作用，根据多次反复试算， 确定锚杆水平、垂直间距均为 2 m，整个边坡体内 由上到下共布置 14 道锚杆，锚杆下倾 15 安放，计 算得到的锚杆长度和轴力图见图 6。根据计算结果， 考虑 2.0 的安全系数，杆体采用2φ 28 mm 可满足抗 拉断条件，在锚杆穿过软弱夹层时轴力突然增大， 锚杆加固效果明显，能较大地提高边坡稳定性，也 说明岩体在软弱夹层附近有较大的变形，导致锚杆 轴力增大。 图 6 锚杆轴力分布图单位N Fig.6 Diagram of axial forces distribution in anchorsunitN 图 7 表明，加固后边坡岩体塑性区范围很小。 在近坡面位置， 仅在 P2软弱夹层附近有小范围达到 剪切塑性状态，可能引起小型块体崩塌，但对边坡 的整体稳定性并不构成影响。根据经验，坡面钢筋 网和喷射混凝土完全可以保障其不发生破坏。 图 7 锚固后岩体塑性区分布 Fig.7 Distribution of plastic zone after reinforcement by anchors 锚喷加固提高了岩体的整体性，故采用强度折 减法计算加固后边坡整体稳定性系数为 1.65，表明 采取锚喷加固措施后边坡整体稳定并有足够的安全 储备。 5 结结 论论 经过以上分析，得出如下结论 1 对含多条软弱夹层的岩石边坡，直接开挖 后沿软弱夹层将发生大的相对滑动变形。当边坡稳 定性接近临界状态时，相对滑动造成软弱夹层强度 降低为残余强度，易造成边坡失稳。 2 由于软弱夹层发生较大的剪切变形，造成 抗剪强度发生变化，根据试验得到的软弱夹层强度 参数变化范围计算得到的边坡稳定性系数均接近于 临界状态，证明受 3 条软弱夹层影响边坡不稳定或 缺乏足够的安全储备。 3 软弱夹层上的剪应力分布具有中前部高、 前后低的特征，剪切屈服位置均位于软弱夹层附 近，从坡脚首先发生屈服后形成的破坏面逐渐向 后、向上延伸，一旦屈服带贯通至地表便成为滑动 面，导致边坡失稳。 4 采用锚喷加固后，在软弱夹层附近锚杆轴 力迅速增大，表明锚杆具有较好的加固作用，能提 高岩体的整体性，对提高边坡的稳定性效果明显， 同时也进一步证明了几条软弱夹层对岩体稳定性的 影响是很大的。 5 模拟结果表明，应用数值模拟技术研究边 坡的变形和破坏特征，可以直观形象地反映出边坡 变形及应力变化的全过程。各种状态下的仿真可以 为设计提供较好的反馈，从而对工程措施优化、信 息化设计和施工起超前预报与辅助决策的作用。 参考文献参考文献References [1] 张顶立，王悦汉，曲天智. 夹层对层状岩体稳定性的影响分析[J]. 岩石力学与工程学报，2000，192140–144.ZHANG Dingli， WANG Yuehan，QU Tianzhi. 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