岩质边坡的关键块体稳定性影响因素的敏感性研究.pdf

J o u r n a l o f E n g in e e r in g G e o lo g y 工程地质 学报 1 0 0 4 9 6 6 5 2 0 0 7 1 5 ( 0 2 ) - 0 2 4 9 - 0 4 岩质边坡的关键块体稳定性影响因素的敏感性研究 朱 杰 ( 安徽理工大学土木系淮南2 3 2 0 0 1 ) 摘要岩质边坡的关键块体是边坡安全分析和支护设计的重要方面， 影响关键块体稳定性的因素较多， 本文结合正交试验 设计方法， 对影响关键块体稳定的重要因素进行敏感性分析， 评价不同物理力学参数对关键块体的安全系数的影响程度， 为 工程提供合理的意见。 关键词块体理论关键块体敏感性正交试验法 中图分类号 ： T D 8 2 4 7 文献标识码 ： A S ENSI TI VI TY S TUDY oN FACToRS I NFLUENCI NG THE STABI LI TY oF KEY BLoCK oF RoCK S LoPE Z HU J ie ( D e p a r t m e n t o fC i v il E n g i n e e r i n g， A n h u i U n i v e r s it y of S ci e n ce a n d T e ch n o lo g y ， H u a in a n 2 3 2 0 0 1 ) Abs t r a ct Ke y b lo ck o f t h e r o ck ma s s s lo p e t a k e s impo r t a n t r o le in s a f e t y a n a ly s is a nd s u p p o rt d e s ig nCo n s ide ri n g ma n y f a ct o r s imp a ct ing o n t h e s t a bi lit y o f t h e k e y b lo ck，t h e p a p e r u s e s o rth o g o n al e x p e ri me n t d e s ig n me t h o d t o a n al y z e t h e s e n s it iv it y o f t h e s ig n ifi ca n t f a ct o r s wh ich h a v e in fl u e n ce o n t h e s t a b ilit y o f k e y b lo ck，a n d e v al u a t e s t h e d e g r e e o f t h e influe n ce o f d if f e r e n t p h y s i ca l a n d me cha n ica l p a r a me t e r s o n t h e s afe t y f a ct o r o f t h e k e y blo ck Th e n t h e r a t io n al a d v ice is p r o v id e d f o r t h e p r o j e ct Ke y wo r ds Blo ck The o r y， Ke y b lo ck， Se n s it i v it y， Orth o g o n a l e x p e ri me n t me t ho d 1 引 言 块体理论是借助于拓扑学和集合论， 对裂隙岩 体稳定性进行结构分析的方法。利用块体理论可以 找出临空面上的关键块体 ， 并进行相应 的支护或锚 固计算。因此 ， 关键块体 的稳定性是关 系到工程 安全和费用的重要方面。影响关键块体稳定 的因素 很多， 主要有岩体结构面的产状 ， 物理力学性质和荷 载等。这些因素大部分具有随机性 ， 模糊性等不确 定特点。对于众多不确定 因素， 在设计中不可能 同 等对待 ， 应将主要精力放在对块体稳定较为敏感 的 因素分析上 。 因素敏感性分析就是在承认 因素不确定性的基 础上通过概率统计的方法研究因素的变异对所考察 指标的影响。迄今国内外学者已对边坡稳定影响因 素的敏感性进行了大量研究 ， 但对关键块体却没有 相关的文献 。本文即采用正交试验法对影响关键块 体稳定的因素进行敏感性分析。 2 正交试验法 正交试验法是用于多因素试验的一种方法， 它 是从全面试验中挑选出部分有代表的点进行试验， 收稿 日期 ： 2 0 0 6 0 80 9； 收到修改稿 日期 ： 2 0 0 6 0 9 2 1 作者简介 ： 朱杰( 1 9 8 1一) ， 男， 硕 士， 主要从事地质及岩土工程领域的研究工作 E ma i l： z h u j ie _ 6 6 1 2 6 co m 维普资讯 2 5 0 J o u r n a l o fE n g i n e e r in g G e o lo g y 工程地质学报2 0 0 7 这些代表点具有均匀和整齐的特点。正交试验设计 是部分因子设计的主要方法， 效率很高。试验中把 所要考察的结果称为指标 ， 把要考察 的对试验指标 可能有影响的因素简称为因素， 把 每个 因素在试验 中要 比较的具体条件称为水平 。 假定设计一个试验 ， 安排 k个 因子 ， 作 几次试 验， 因子的水平数分别 为 t 、 t 、 、 t 。若此试验满 足两个条件 ： ( 1 ) 每一 因子的不 同水平在试验 中出 现相同次数 ( 均衡性) ； ( 2 ) 任意两 因子的不 同水平 组合在试验中出现相同次数( 正交性) ， 则这个试验 称为正交试验。正交试验法采用正交表安排试验 ， 既能使试验点分布得很均匀 ， 又能减少试验次数 。 对正交试验结果 的分析 ， 通常采用两种方法 ： 一 种是直观分析法或称极差分析法； 另一种是方差分 析法 - 6 。 3 关键块体稳定性影响因素的敏感 性分析 3 1 影响因素的确定 正交试验设计的关键是试验指标、 因素及因素 水平的选取和试验计算方案的确定。在关键块体稳 定性影响因素敏感性分析的正交试验设计 中， 试验 指标很明确 ， 即关键块体的稳定系数 ， 因为它是表征 块体稳定性程度的最直观的指标。 以南京市北极阁风貌区岩质边坡为例， 在对结 构面实测统计后 ， 找出各组结构面优势方位， 然后确 定每个结构面分组归属 ， 分组情况如表 1 ， 开挖 临空 面 P 产状为 2 0 2 。 6 0 。 。 表 1 北极阁岩体边坡结构面优选方位统计表 T a b le l S t r u ct u r a l p la n e p r e f e r e n t ial d ir e ct io n s t a t is t i cs o f B e i J i Ge r o ck s l o p e 序号 优选方位 结构面 P 结构面 P 2 结构面 P 结构 面 P 4 ll3。 5 9。 3 6。 8 l 。 3 O 6。 7 3。 2 4 0 。 3 9。 由块体理论分析可知， 结构面 P ， P ， ， P 形成的 可动块体净滑动力大于 0 ， 且失稳概率较大， 确定为 关键块体 。因此， 本文对该关键块体进行影 响因素 的敏感性分析 ， 从而 了解对该块体稳定性 贡献较大 的因素。由于此关键块体沿结构面 P 和 P 产生滑 动 ， 影响因素选取 P ， 和 P 的粘聚力和内摩擦角 c， 、 C 和 ， 、 ， 不 同岩层块体的重度不 同， 对块体的稳 定性也有影 响， 因此选取 块体重度 为影 响因素。 每种因素分为三水平， 取值范围根据研究对象的实 践经验确定 ( 表 2 ) 。 表 2 参数的取值范围和水平 T a b le 2 Nu me r ic a r e a a n d le v e l o f t h e p a r a me t e r s 因 素 P 3 的内P 3 的P 4 的内P 4 的 块体重 摩擦角 粘聚力 摩擦角 粘聚力 度7 水平 ( 。 ) c3 k P a 妒 4 ( 。 ) c 4 k P a k N m l 2 0 2 2 0 2 l5 2 3 0 l0 3 0 l0 2 0 3 4 0 2 0 4 0 2 0 2 5 范 围 2 0 4 0 2 2 0 2 0 4 0 2 2 0 l5 2 5 根据确定的影响因素， 本文将进行 5因素 3 水 平的试验分析。采用正交试验法 ， 不考虑 因素 问的 相互作用 ， 可选用正交表 L ( 3 ) ， 试 验次数为 1 8 次， 是全面试验的 7 4。将各 因素排在正交表前 5列 ， 剩余两个空白列为误差列。 3 2 实验结果与分析 3 2 1 正 交试验 结果 对一定体积的关键块体在各种试验条件下的安 全系数 进行计算 ， 计算结果如表 3 。 表 3 正交试验结果 T a b le 3 O r t h o g o n a l e x p e ri me n t r e s u lt s 妒 4 一 一 安全 系数 0 9 2 2 3 6 3 6 4 1 6 9 2 9 2 2 8 4 1 0 7 3 2 8 3 7 8 3 3 1 1 3 6 3 3 7 6 1 8 6 2 2 5 2 0 7 4 1 2 2 1 2 7一 加 加 加 加 =2 加 = 2 加 一 2 m 加 m 加 2 2 m 加 加 2 加 2 m m 加 2 加 如 加 加 加 如 加 加 q一 2 m 加 2 m 加 2 m 加 2 m 加 2 m 加 2 m 加 一 加 加 加 如 加 加 加 如 号一 ) ；I-l 一 。2 3 4 5 6 7 8 9 m M=2 “ 维普资讯 1 5 ( 2 ) 朱杰： 岩质边坡的关键块体稳定性影响因素的敏感性研究 2 5 1 3 2 2 极差分 析 对正交试验结果进行极差分析 ， 分析结果如表 4 ， 由表 4可知 ， 影响关键块体稳定性的 5个 因素 中， 参数敏感性由大到小依次为： P 的粘聚力 c ， 块体 重度 y， P 3的粘聚力 C 。， P 4的内摩擦角 ， P 3的内 摩擦角 。 因指标值安全系数要求取较大值， 因此各因素 的最优水平为 ： 3 ， 3， 3 ， 3 ， 1 。 表4 各因素极差分析 T a b le 4 E x t r e me d e v ia t io n a n a ly s is o f t h e f a ct o r s 因素 c3 似 c4 y 一 1 4 9 5 2 1 2 8 1 1 3 8 6 9 91 2 1 8 5 5 2 1 5 1 8 1 4 7 9 1 5 3 1 8 1 5 6 4 2 1 5 8 5 8 1 5 2 8 2 1 5 1 0 8 1 5 9 4 2 1 5 9 1 2 1 6 4 4 1 8 2 5 8 1 6 9 9 2 2 1 5 2 2 1 3 0 5 1 5 5 8 8 1 6 0 08 1 4 8 8 5 4 48 3 1 3 2 1 1 61 5 5 0 2 0 7 6 2 1 2 1 8 P 4的粘聚力 c4块体重度 yP 3的粘聚力 c3P 4的 敏感性内摩擦 角 4 4P 3的内摩擦 角 4 3 最优水平 3 3 3 3 1 2 3 根据表4可做出各因素趋势分析图( 图 1 ) ， 横 坐标为各因素分类， 其水平值按次序排列， 纵坐标为 反映安全系数 大小的统计参数 K 。可见， 安全 系数随着 P 结构面的粘聚力 c 的增大而明显增大 ， 随着 P 结构面的粘聚力c 增大也有一定的升高， 而 P 的内摩擦角 和 P 。的内摩擦角 。的增大对于 安全系数的增加贡献较少 。 另外 ， 安全系数 随块体重 度 的增加而明显减少。 3 c ( P 4 c Y 各 因 素分 类 图 1 因素趋势分析图 F i g 1 T e n d e n cy a n al y z e d ch a r t o f t h e f a ct o r s 3 2 3 方差 分析 正交表 L 。 ( 3 ) 不考虑交互作用时各列 自由度 为 2 ， 误差列有两列 ， 自由度为 4 。取 F分布显著性 水平 O 分别为 0 0 l、 0 0 5 、 0 1 。 查概率统计 F分布表 得： F I( 2 ， 4 ) = 4 3 2 ， F o 5 ( 2 ， 4 ) = 6 9 4 ， F 一 ( 2 ， 4 )=1 8 0 。 若某因素试验结果的 F值大 于 1 8 0 ， 则认为该 因素对试验结果 的影响是高度显 著的， 记做“ ” ； 若某因素试验结果的 F值小 于 1 8 0且大于 6 9 4 ， 则认 为该 因素对试验结果 的 影响是显著的 ， 记做 “ ” ； 若某 因素试验结果 的 F值小于 6 9 4且大于 4 3 2 ， 则认为该因素对试验结 果的影响不十分显著 ， 记做“ ” ； 若某 因素试验 结 果的 F值小于 4 3 2 ， 则认为该因素对试验结果无显 著影 响， 记做“X” 。 对结果进行方差分析计算， 求各因素的平方和， 列方差分析表如表 5 ， 作显著性检验。 表 5 各因素试验结果的方差分析 T ab le 5 Va ri a n ce a n a ly s is o f t h e e x p e ri me n t r e s u lt f o r t h e f a ct o rs 由表 5可知 ， P 的粘 聚力 c ， 块体重度 和 P 的粘聚力 c 对关键块体稳定性有高度显著的影 响， P 的内摩擦角 对关键块体 的影 响也是显著 的， 而 P 的内摩擦角 对关键块体无显著影响。产生 这种现象的主要原因是北极阁岩质边坡的砂岩的粘 聚力较高， 对块体的稳定贡献较大 ， 因此导致 P ， P 的粘聚力都对关键块体稳定性有高度显著的影响。 另外根据块体理论 ， 由于 P 、 P 结 构面的空问组合 关系 ， 导致关键块体在 P 结构面上的分力远远超过 在 P 结构面上的分力 ， 使得 P 对块体稳定性 的贡 献更大， 因此 P 的力学参数对关键块体稳定性的影 响比 P 更加显著 。 4 结语 ( 1 ) 本文提出了以正交试验法对关键块体进行 影响因素的敏感性分析。所涉及的因素有 5个， 分 别为 ： 的粘聚力 C ， P 3的内摩擦角 ， P 4的粘聚 力 c ， P 的内摩擦角 和块体重度 。 ( 2 ) 从正交分析结果 中得 出计算参数 的敏感性 从大到小依次为： P 的粘聚力 c ， 块体重度 ， P 。 的 4 3 2 O 黎皤 剞 悄 维普资讯 J o u r n a l o fE n g in e e r in g G e o lo g y 工程地质学报2 0 0 7 粘聚力 c3， P 4 的内摩擦角 4， P 3的内摩擦角 3。 Z h u W a n ch e n g ， T a n g C h u n a n ， H u a n g m i n g l i A n ch o rin g p a r a m e 一 ( 3 ) 结构面 P 4 的粘聚力 c4 对于关键块体的稳 把 d 船 g n Y 把 a n d “ p p “ 叫 n b 删 h 0 g o “ P 一 塞 兰 ! ， 壁 ， 箜 要 m方 e n开t t泰h e ，or马y 长 R 兴oc k 正a n交d S与o i 均l M匀 ec 试hi n验i c 设s ,1计9 9 9M,2 0(北2 )京 ：8：7科- 学9 1 出 版 键块体起到了至关重要的作用， 应有针对性的对其 料， m 。 一 采用粘聚力高 ， 内摩擦角大的填料或锚 固措施 ， 结构 F a n g K a ita i， M C h a n g x i g O r t h 。 a I d i f o r m i t y。 p 。 r i 一 面 P 3 的影响程度较小。另外， 块体重度 对关键块 m e n t d e s i g n B e i ji n g ： S ci e n c e P re s s ，2 0 0 1 体的影响也十分显著， 对边坡重度较大的岩层应予 金良 超 正 交 设 计 与 多 指 标 分 析 M l 北 京： 中 国 铁 道出 版 社， 以重视， 在对 键块体的稳定性计算中， 若块体涉及 i ” n L i g h a 。 0 h 。 a l d e s d lt iin d 。 a n a l 。 s B e i一 不同的岩层 ， 采用岩层 中重度较大值则偏于安全。 i n g ： c h二 R 1w a y P 。u b l i s h i n g 。h o u s e , 1 9 8 8 参考文献 F e n g J u n ， Z h o u D e p e i， e t a l T e s t a n d n u m e rica l m o d e l i n g o f t h e 1 ， ： 芝 竺 姜 三 岩 体 稳 定 分 析 中 的 应 用 6 2蒋 0 0良5 潍,13 ，黄 ( 3 润 ) ： 秋 2 9 4 反 倾 2 9 层 9 状岩体斜坡弯曲一 拉裂两种失稳破坏 M 北京 ：水利电力 出版社 ， 8 i ， ； ： 0 0 6 ,1 4 ( 3 ) ：2 8 9 - 2 94 L i u J in h u a Lv Z u x in g Bloc k t h e o r y and it s a p p lica t io n t o s t a b ilit y 一 a n a l y s i s o f r o ck e n g in e e r in s B e i j i n s ：Wa t e r C o n s e r v a n cy a n d E - J n g ia n g L ia ng f 0 w e i , Hu a n g 。 f R u n q k iu 。 B e n d i h 0 s n g e ld in d ir e g a n d 。 t en 0 p p s ile 0 s ile c r a ck 。 - le ct ric P o w e r P r e s s 1 9 8 8 2 朱万成， 唐春安 ， 黄明利 基于正交试验原理的锚喷参数设计 h e d i p d i 。 “0 f 。 J 0 “ a