基于MIDAS_GTS的顺层岩质路堑边坡稳定性影响因素及影响.

0引言
近年来,随着公路、铁路建设的飞速发展,工程建设中,由顺层岩质路堑边坡失稳造成的滑坡灾害越来越多,给工程建设、经济建设和人民生命财产造成了巨大损失。

要对潜在的顺层岩质路堑边坡滑坡灾害进行防治就必须先弄清影响其稳定性的因素及影响规律,因此,研究顺层岩质路堑边坡稳定性影响因素及影响规律对我国的道路建设事业有着非常重要的意义和价值。

1顺层岩质路堑边坡的破坏模式
顺层岩质路堑边坡是指岩面和坡面的走向、倾向二者产状要素基本相同的层状结构岩体路堑边坡[1]。

实践证明,边坡的破坏与其自身岩土体的结构类型存在着密切的联系,边坡的变形与破坏可概括为多种模式[2]。

本文总结出顺层岩质路堑边坡的几种变形破坏模式,可为顺层岩质路堑边坡稳定性分析与评价提供依据。

1.1滑移-拉裂破坏模式
这类变形破坏主要发生在开挖坡角大于岩层倾角的缓倾和中等倾角顺层岩质路堑边坡中。

斜坡岩体沿下伏软弱层面向临空面方向滑动,并使滑移体拉裂解体(见图1。

当滑移面向临空面方向的倾角已足以使上覆岩体的下滑力超过该面的实际抗剪阻力时,则该面一经揭露临空,一旦后缘拉裂面出现即会迅速滑落。

1.2塑流-拉裂破坏模式
基于MIDAS/GTS的顺层岩质路堑边坡稳定性影响因素及影响规律分析
胡佐平1,牟锐2
(1.湖州市交通规划设计院,浙江湖州313000;2.中国华西工程设计建设有限公司武汉分公司,湖北
武汉
430074
摘要:总结顺层岩质路堑边坡的破坏模式,并利用MIDAS/GTS岩土工程数值分析软件,选取典型的顺层岩质路堑边坡模型进行详细的数值模拟,得出各岩土参数对顺层岩质路堑边坡稳定性的影响规律,具有一定的工程价值。

关键词:顺层岩质路堑边坡;稳定性;影响因素
中图分类号:U416.14文献标识码:A文章编号:1002-4786(201009-0010-04
DOI:10.3869/j.issn.1002-4786.2010.09.001
Influencing Factors and Rules of Stability of Bedding Rock
Cutting Slope Based on MIDAS/GTS
HU Zuo-ping1,MOU Rui2
(1.Huzhou Traffic&Plan Design Institute,Huzhou313000,China;2.China Huaxi Engineering Design&Construction
Co.,Ltd.,Wuhan Branch,Wuhan430074,China
Abstract:By summing up the failure modes of bedding rock cutting slope,it executes numerical simulation to a typical bedding rock cutting slope model using
MIDAS/GTS,which is a numerical analysis software for geotechnical engineer.Thus the influence rule of each rock parameter on the sta-bility of bedding rock cutting slope is obtained,which has a certain engineering value.
Key words:bedding rock cutting slope;stability;influencing factor
10
TRANSPORT STANDARDIZATION.1HALF OF Sep.,2010(No.228 TRANSPORT STANDARDIZATION.1HALF OF Sep.,2010(No.228
a
b
c
d
图4弯曲-拉裂变形破坏过程示意图
A B
A ′
B ′
C
C ′
图5
顺层滑移型破坏过程示意图
a
b
c
d
图2塑流-拉裂变形破坏过程示意图
(b
(c
①
②
100mm 100mm
1260mm 950mm
图3
滑移-弯曲变形破坏过程示意图
①-原地面线;②-变形的坡面或开挖坡面;③-页岩夹层(滑移面
①②
5
10
③
图1滑移-拉裂破坏形态(以自然边坡为例
这类变形主要发生在开挖坡角大于岩层倾角且含有中至厚层软弱基座的水平或缓倾顺层岩质边坡中。

坡体开挖后,下伏软岩在上覆岩层压力作用下,产生塑性流动并向开挖面方向挤出,导致上覆较坚硬的岩层发生拉裂、解体和不均匀沉陷(见图
2。

同时风化作用以及地下水对软弱基座的软化或
溶蚀、潜蚀作用,也是促进这类变形的主要因素。

1.3滑移-弯曲破坏模式
这类变形主要发生在陡倾顺层岩质路堑边坡
中,此时开挖边坡坡角一般与岩层倾角相等。

当边坡的滑移控制面倾角明显大于该面的综合内摩擦角时,上覆岩体就具备了沿滑移面下滑的条件。

但由于滑移面未临空,使下滑受阻,造成坡角附近顺层岩板承受纵向压应力,在一定条件下可使之发生弯曲变形,甚至导致溃屈破坏[3]。

图3为滑移-弯曲变形破坏过程示意图。

1.4弯曲-拉裂破坏模式
这类破坏主要发生在岩层倾角很陡的顺层岩质
边坡中。

在边坡的前缘,陡倾的板状岩体在自重弯矩作用下,于前缘开始向临空方向作悬臂梁弯曲,并逐渐向坡内发展。

弯曲的板梁之间互相错动并伴有拉裂,形成平行于走向的反坡台阶和槽沟。

板梁
弯曲剧烈部位往往产生横切板梁的折裂。

这类边坡的变形发展可划分为如图4所示的几个阶段。

1.5
顺层滑移型破坏模式
这种破坏模式主要表现为岩体沿层间软弱夹层
发生整体滑移破坏,如图5所示的岩体ABC 沿软弱夹层AB 发生顺层滑移破坏,变形到A ′B ′C ′。

这种破坏机理是开挖前软弱夹层所能提供的抗滑力不足以抵抗岩体ABC 产生的下滑力,AC 面一旦临空,岩体ABC 随即发生顺层滑移破坏,或者开挖后软弱夹层的抗剪强度发生变化,导致其抗滑力小于岩体
ABC 产生的下滑力[5]。

以上五种类型的破坏模
式
中,滑移-拉裂破坏、滑移-弯曲破坏和顺层滑移型破坏等几种破坏(a
215
1∶1.5
单位为米
240
11
TRANSPORT STANDARDIZATION.1HALF OF Sep.,2010(No.228 3.1
2.6
2.11.61.10.6
安全系数F
系列1
15
20
25
3035404550
岩层倾角θ(°
图9
安全系数与岩层倾角关系曲线图10
安全系数与滑体体积关系曲线1.81.61.41.2
10.80.6
39.9
67.7
99.8138.2
185.5246.3328.7449.3646.3
滑体体积V (m 3/m
安全系数F
系列1
图11安全系数与结构面内聚力的关系曲线
1.41.2
10.80.6
安全系数F
04
812162024283236404448525660
内聚力c (kPa
系列1
+2.28511e-001+2.14229e-001+1.99947e-001+1.85665e-001+1.71383e-
001+1.57101e-001+1.42819e-001+1.28537e-001+1.14255e-001+9.99734e-
001+8.56915e-001+7.14096e-001+5.71277e-001+4.28458e-001+2.85638e-
001+1.42819e-001+0.00000e-001
DISPLACEMENT DXYZ.m
0.0%5.7%1.7%2.0%1.8%1.7%1.8%1.7%1.7%1.9%1.8%1.9%1.9%1.9%1.8%70.7%
Y
Z X
图8边坡XY 方向位移向量图
DISPLACEMENT DXYZ.m
+2.28511e-001+2.14229e-001+1.99947e-001+1.85665e-001+1.71383e-
001+1.57101e-001+1.42819e-001+1.28537e-001+1.14255e-001+9.99734e-
001+8.56915e-001+7.14096e-001+5.71277e-001+4.28458e-001+2.85638e-
001+1.42819e-001+0.00000e-001
0.0%5.7%1.7%2.0%1.8%1.7%1.8%1.7%1.7%1.9%1.8%1.9%1.9%1.9%1.8%70.7% Y
Z X
图7边坡XY 方向位移云图
滑体软弱层
地基
图6顺层岩质路堑边坡简化几何模型
模式在工程中比较常见。

下面本文以最基本、最简单的顺层滑移型破坏模式为几何模型,研究顺层岩质路堑边坡的稳定性影响因素及影响规律。

2顺层岩质路堑边坡失稳数值模拟2.1算例
某顺层岩质路堑边坡坡高为40m ,坡率为1∶0.75,软弱层倾角为30°;滑体弹性模量为4200MPa ,泊松比为0.2,容重为19kN/m 3,粘聚力为200kN/m 2,内摩擦角为36°;软弱层弹性模量为60MPa ,泊松比为0.3,容重为16kN/m 3,粘聚力为19kN/m 2,内摩擦角为20°;地基弹性模量为4600MPa ,泊松比为0.2,容重为21kN/m 3,粘聚力为350kN/m 2,内摩擦角为37°。

软弱层厚2m ,位于边坡中部,距坡顶
20m 。

几何模型见图6。

数值分析时边坡的支承情况为:左右两边界水平方向约束,底部边界水平和竖直两个方向约束,其他为自由边界。

计算得出,安全系数为1.0125,
XY 方向(X 为水平方向,Y 为竖直方向位移云图见图7,位移向量图见图8。

2.2数值计算结果分析
合理调整边坡岩土体的各种参数,能够得到相
应的边坡安全系数。

通过大量的数值计算,发现边坡模型的所有参数中,除滑体容重H r 、滑体体积
H v 、软弱层倾角θ、软弱层弹性模量R E 、软弱层粘
聚力R c 和软弱层内摩擦角R φ等六个参数外,其他诸
如滑体弹性模量、滑体内聚力c 值和内摩擦角φ值、地基弹性模量、地基内聚力c 值和内摩擦角φ值及泊松比等参数对边坡稳定性的影响不明显,不起控制作用。

这六个参数对顺层岩质路堑边坡稳定性的影响曲线见图9~图14。

其中,考虑到岩质边坡的复杂性,滑体容重
H r 、软弱层弹性模量R E 对顺层岩质路堑边坡稳定性
影响曲线是从边坡失稳临界位移的角度考虑的,这样能从另一个角度来看顺层岩质路堑边坡的稳定
12
TRANSPORT STANDARDIZATION.1HALF OF Sep.,2010(No.228
图12
安全系数与结构面内摩擦角的关系曲线
内摩擦角φ(°系列1
8
12
16
2024
28
3236
40
4452
6068
1210
86420安全系
数F
图
13
滑体容重对临界位移的影响曲线
18
1920212223
0.280.260.240.220.20.180.160.140.120.1临界位移(m
滑体容重(kN/m 3
失稳位移
0.70.6
0.50.40.30.20.10
临界位移(m
系列1
20
40
60
80
100
120
软弱层弹模(MPa 图14软弱层弹模对临界位移的影响曲线
性。

曲线的得出方法是通过调整参数,使数值计算的安全系数为1(临界状态,此时的边坡最大位移即是坡体特征点的临界位移。

3结论
通过对典型顺层岩质路堑边坡模型的详细数值
分析,可以得出以下结论。

3.1影响边坡稳定性和临界位移的因素主要有六
个:软弱层倾角θ、滑体体积H v 、滑体容重H r 、软弱层弹性模量R E 、软弱层粘聚力R c 和软弱层内摩擦角R φ。

3.2岩层(软弱层倾角θ对顺层岩质路堑边坡的稳
定性影响较大,而且规律性较强。

对于按常规坡率设计的路堑边坡,当顺层岩层的倾角很小或很大时,边坡一般很稳定而不发生顺层滑坡(大于47°或小于15°的边坡稳定性良好;但当顺层岩层的倾角为40°左右时,则发生顺层滑动的几率非常高。

3.3
滑体体积H v 和滑体容重H r 对顺层岩质路堑边
坡的稳定性也有较大影响,其影响机理基本相同。

由于顺层岩质路堑边坡的失稳滑动一般都是滑体沿着软弱结构面的滑动,因而滑动体的重力G 就是影响边坡失稳的关键参数,而滑体重力G 正是由滑体
体积V 和滑体容重γ决定的,二者的值越大则说明滑体越重,也就越容易失稳滑动形成滑坡。

3.4层间软弱结构面的强度越高,则顺层岩质路
堑边坡的稳定性越好。

其中,安全系数与结构面的内聚力基本上保持线性关系,当结构面的内摩擦角
较小时,安全系数随之增大得不明显,但当内摩擦角较大时,安全系数随着内摩擦角的增大而明显增大。

这就表明,顺层岩质路堑边坡的稳定性与软弱结构面的强度有非常密切的关系。

结构面和软弱夹层的抗剪强度参数c 、φ值越高,则构成沿层面的抗滑力越大,边坡的稳定性就越好,反之,则边坡的稳定性就越差。

3.5
软弱层的弹性模量R E 对顺层岩质路堑边坡临
界位移的影响较大,故它与坡体的稳定性也密切相关。

弹性模量是直接与应变相关的一个量,而软弱层的存在是顺层岩质路堑边坡失稳的最主要因素,因此,软弱层的弹性模量就直接影响滑坡体的变形。

软弱层的弹性模量越大,则边坡变形量就越
小,坡体就越稳定,反之则边坡变形量越大,越容易失稳滑动。

参考文献
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收稿日期:2009-12-01
13。