（工程力学专业论文）竹城公路层状岩质边坡稳定性分析与防治措施研究.pdf

中南大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 层状边坡分为：水平坡、顺层坡和逆层坡，其中顺层坡最容易发生失稳破坏。 以竹城公路层状岩质边坡为工程背景，由于开挖此公路两侧边坡分为顺层坡与逆 层坡。通过现场调查得到坡面以及结构面的产状、地质分层情况等信息，并在此 基础上由赤平投影作典型边坡断面的几何稳定性分析。分析结果说明逆层坡处于 稳定状态，不稳定区域发生在顺层坡，因此顺层坡的稳定性作为本文的主要研究 内容。通过对此区域岩石的取样，由岩石室内试验：单轴抗压试验、巴西劈裂试 验、变角度剪切试验、弱面直剪试验，得到边坡不同断面、不同岩性、不同风化 程度岩样的抗压强度、弹性模量、泊松比、抗拉强度、岩样粘结力、内摩擦角以 及弱面的剪切强度参数c 、西：并对这些参数进行工程处理，为进一步的滑坡力 学分析提供数据基础。 以目前在岩土工程界较为成熟的f l a c 3 d 数值分析软件为工具，分析对象 视为变形体，采用强度折减的稳定性判据。根据地质情况和公路设计图，选取边 坡岩体的典型断面，建立计算模型。分析边坡在未支护情况下开挖的安全系数以 及潜在滑移面，结果表明在未支护情况下，五步分台阶开挖得到的安全系数分别 为：2 6 2 ，23 9 ，16 l ，10 6 ，o6 7 。针对滑坡为多滑块组合滑移的形式，建立力 学模型，通过计算得到结构面倾角以及结构面抗剪强度参数c 、对于安全系数 的影响。 对此边坡选用长短交错的锚杆支护体系。通过厶( 3 4 ) 正交试验，以两类交错 锚杆的长度和锚杆倾角为影响因素，每个因素分为三个水平，分析因素对于指标 安全系数和工程造价的影响。计算结果得到6 m ，2 m ，2 0 0 的锚杆参数优化方案。 由f l a c 3 d 计算各步开挖并支护后的安全系数以及边坡整体的位移云图，记录 典型位置点的位移值。计算得到各步开挖并支护后的安全系数为：2 6 2 、25 7 、 18 3 、】4 0 、12 9 。 关键词：顺层岩质边坡，f l a c 3 d 数值模拟，赤平投影，稳定性，安全系数，全 长注浆锚杆 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t s t r a t i f i e dr o c ks l o p ec a nb ed i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ：h o r i z o n t a ls l o p e ， b e d d e ds l o p ea n dr e v e r s a li n c l i n es l o p e a m o n gt h e s e ，t h eb e d e ds l o p ei s m o s tl i k e l yt os l i d e t h es t r a t i f i e dr o c ks l o p eo fr o a db e t w e e nz h uc i t yt o c h e n g b uc i t yi sc h o s e na st h es t u d i e dp r o j e c t b e c a u s eo ft h ee x c a v a t i o n ， t h e r ea r et w ot y p e so fr o c ks l o p eo ne a c hs i d eo ft h er o a d ，o n ei sb e d d e d s l o p e ，t h eo t h e ri sr e v e r s a li n c l i n es l o p e t h eg e o l o g i c a li n f o r m a t i o ns u c h a so c c u r r e n c e so fs l o p ep l a n ea n dj o i n t sp l a n e ，t h eg e o l o g i c a lp r o p e r t i e s o fr o c km a s sf o rd i f f e r e n tl a y e r sa r eo b t a i n e db yi n s i t u - s i t ei n v e s t i g a t i o n a c c o r d i n gt ot h ei n s i t u - s i t ei n v e s t i g a t i o n ，t h eg e o m e t r ys t a b i l i t ya n a l y s i s o ft h eb e d e dr o c ks l o p ei sd o n ef o rs o m et y p i c a ls l o p ea r e a s t h ea n a l y s i s i sb a s e do nt h em e t h o do fs t e r e o g r a p h i cp r o ) e c t i o n r e s u l t so ft h ea n a l y s i s s h o wt h a tr e v e r s a li n c l i n es l o p ei si ns t a b l es t a t e ，w h i l es o m ea r e a so f b e d d e ds l o p ea r ei nu n s t a b l es t a t e s ot h eb e d d e ds l o p es h o u l db ec h o s e n f o rf u r t h e rm e c h a n i c a ls t a b i l i t ya n a l y s i s r o c ks a m p l e sa r em a d eo ft h e r o c kt a k e nf r o mi n s i t ua r e a s t h er o c ks a m p l et e s t ss u c ha su n i a x i a l c o m p r e s s i o nt e s t ，t e n s i l et e s t ，s h e a rt e s ta n dj o i n tp l a n ed i r e c ts h e a rt e s t a r ed o n e c o m p r e s s i v es t r e n g t h ，e l a s t i cm o d u l u s ，p o i s s o n sr a t i o ，t e n s i l e s t r e n g t h ，c o h e s i o na n df r i c t i o na n g l eo fr o c ks a m p l e s ，w e a k n e s sp l a n e s h e a rs t r e n g t h p a r a m e t e r s ca n d 西a r eo b t a i n e df r o mt h et e s t s e n g i n e e r i n gd i s p o s a l sa r ed o n et ot h e s ep a r a m e t e r sw h i c hw i l lp r o v i d e t h ed a t ab a s i sf o rf o r w a r dm e c h a n i c sa n a l y s i s n u m e r i c a ls i m u l a t i o nt 0 0 1f l a c 3 di sc h o s e na st h ea n a l y s i st o o l ， w h i c hi sw i d e l yu s e di nr o c ka n ds o i le n g i n e e r i n gp r o j e c t s f l a c 3 di s b a s e do nt h eh y p o t h e s i st h a ts u b j e c t sa r ed e f o t i n a b l eb o d i e s f l a c 3 d c h o o s e ss t r e n g t hr e d u c t i o nm e t h o df o rt h es t a b i l i t yc r i t e r i o nw h i c hi si n t h es a m ep r i n c i p a la st h ec o n v e n t i o n a ls t a b i l i t yc r i t e r i o n o n et y p i c a l s e c t i o no ft h ew h o l er o c ks l o p ei sc h o s e nf o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h e c a l c u l a t i o nm o d e li sf o u n d e da c c o r d i n gt ot h eg e o l o g i c a ls i t u a t i o na n d r o a dd e s i g np a p e r s a f e t yf a c t o ra n dp o t e n t i a ls l i ps u r f a c ea r ea n a l y z e d t h ea n a l y s i si sa b o u tt h es i t u a t i o no fe x c a v a t e d s l o p e w i t h o u t r e i n f o r c e m e n t s a f e t yf a c t o ra r e2 6 2 ，2 3 9 ，1 6 1 ，1 0 6 ，0 6 7f o re a c hs t e p 中南大学硕士学位论文a b s l r a c t t h ec a l c u l a t i o nr e s u l to ff l a c 3 ds h o w st h a tt h ec o l l a p s em o d eo fs l o p e i sm u l t i b l o c ks l i d ec o l l a p s e a c c o r d i n gt ot h ec o l l a p s em o d eo fs l o p e ， o n em e c h a n i c a lm o d e li sf o t r a d e d t h ec a l c u l a t i o n sa r ed o n et of i n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns a f e t yf a c t o ra n ds t r u c t u r ep l a n e sd i pa n g l e ，t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n s a f e t y f a c t o ra n ds t r u c t u r es h e a rr e s i s t a n c e p a r a m e t e r sc 、西 w h o l l yg r o u t e db o l t sr e i n f o r c e m e n to fl o n ga n ds h o r ts t a g g e r e dr o c k b o l t si sc h o s e na st h er e i n f o r c e m e n tt y p ef o r s l o p e b a s e do nt h e o r t h o g o n a le x p e r i m e n t so f 厶( 3 4 ) ，l e n g t ha n di n c l i n a t i o no ft h et w ot y p e s b o l t sa r ec h o s e na st h ei n f l u e n t i a lf a c t o r s e a c hf a c t o ri sd i v i d e di n t ot h r e e l e v e l s ，s a f e t yf a c t o ra n dc o n s t r u c t i o nc o s ta r ec h o s e na st h eo b j e c t i v e i n d e x a c c o r d i n gt ot h er e s u l to fo r t h o g o n me x p e r i m e n t s ，t h eo p t i m a lt y p e o fw h o l l yg r o u t e dr o c kb o l t sr e i n f o r c e m e n tw i t ht h ep a r a m e t e r so f6 m ， 2 m ，2 0 ”i sc h o s e nf o rs l o p e t h es a f e t yf a c t o r , d i s p l a c e m e n tc o n t o u ro f t h e w h o l es l o p ea n dt h ev a l u eo fd i s p l a c e m e n ti ns o m et y p i c a lp o i n t sa r e o b t m n e db vf l a c 3 dc a l c u l a t i o n t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h es a f e t y f a c t o rf o re a c hs t e pa f t e re x c a v a t i o na n dr e i n f o r c e m e n ta r e2 6 2 、2 5 7 、 1 8 3 、1 4 0 、12 9 k e y w o r d s ：r o c kb e d d e ds l o p e ，f l a c 3 dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， s t e r e o g r a p h i cp r o j e c t i o n ，s t a b i l i t ya n a l y s i s ，s a f e t yf a c t o r ， w h o l l yg r o u t e db o l t 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 竹城公路起于邵阳市洞口县竹市镇正庭村，接国道3 2 0 线，经秀丰至大水托， 途经洞口县高沙镇、南泥乡、过武冈市、过武冈湾头桥、龙田、武冈市区、城西 乡、邓元泰、经城步县的西岩、茅坪、蒋坊、绕过城步县城至终点沙坪底，与省 道$ 2 1 9 线城步至贝子河公路相接，途经1 1 个乡镇8 0 个行政村，全长1 0 0 5 5 8 公里。该公路采用平微二级公路标准，设计行车速度为每小时8 0 公里，总投资 6 1 8 2 亿元，其中：省交通重点建设资金9 9 6 3 万元，日元贷款3 1 1 0 0 万元，银行 贷款1 7 0 7 万元，其余为洞口、武冈、城步三县自筹。竹城公路计划建设工期二 年，全部为沥青砼路面，是目前湖南省高速公路最长的连接线。该公路是洞口、 武冈、城步、绥宁、新宁五县连接国家“五纵七横”国道主干线上海至瑞丽邵怀高 速公路的子项目，是邵阳市西南部公路路网的主干道，湖南省“十五”期间的重点 公路建设工程。竹城公路的修建，将在邵阳市西南区域内形成一条南北方向的公 路干线，不仅对于优化邵阳路网结构，充分发挥地区公路网功能，提升邵阳市西 部洞口、武冈、城步三县( 市) 交通运能具有重大意义，而且对于邵阳西部地方经 济发展，带动西部工农业发展，加强对外交流，增强招商引资力度，为沿线五县 ( 市) 改善投资环境，发展旅游产业，开发本地资源等方面具有重大推动作用。 竹城公路地处云贵高原余脉武陵山脉，岩体层状结构明显。由于岩体的结构 很大程度上影响着边坡的稳定性，而层状结构更是作为岩体的一种特殊结构直接 决定着边坡的稳定。当公路经过层状岩体地质结构层时，因公路开挖的影响，往 往容易发生路堑边坡滑坡、崩塌、碎落等地质病害，造成巨大经济以及人员损失。 因此，应全面探讨湖南省竹城公路层状岩体地质路堑边坡可能发生的病害种类及 其影响因素、产生原因和形成机理，在此基础上为路堑开挖设计边坡坡比提出合 理化建议，并对该路层状岩体路堑边坡提出经济、适用、安全、美观的防护方案， 预防层状岩体路堑大型滑坡灾害的形成和发生。本文拟采用数值分析软件了解竹 城公路层状结构岩体路堑边坡强度和变形特征；在竹城公路应用和推广层状岩体 边坡计算机数值分析和边坡辅助设计系统：实现竹城公路层状岩体边坡安全角高 精度和高可靠性的自由搜索；为竹城公路潜在不稳定边坡提出经济合理的治理监 测措施。 本课题研究成果的使用和推广，不仅将为建设单位和旌工单位节约投资，提 高关键路段的施工进度，提高施工队伍的技术水平，减少边坡地质灾害发生可能 性：而且能使建设单位、监理单位和设计单位通过计算结果直观地判断层状岩质 边坡的稳定性，控制设计工程量，提高公路建设管理水平。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 层状岩质边坡稳定性研究概况 1 2 1 层状岩质边坡的概念 层状边坡【l 】1 3 的优势结构面大多属于物质分界面，平行优势结构面方向， 岩体的组成基本相同，而垂直优势结构面方向，岩体的组成呈现频繁的软硬交替。 主要分布于构造比较简单的沉积岩和一些变质岩、沉积型的火山岩地区。岩层产 状可以是水平的，也可以是倾斜的，在岩层组合上可以是单一岩性，也可以是不 同岩性互层或夹层。主要的岩组有：碎屑岩组包括砾岩、砂岩、砂质页岩、粘土 质页岩等：碳酸岩组：灰岩、白云岩、白云质灰岩、硅质灰岩、泥灰岩、泥质灰 岩、钙质页岩等；火山岩组：火山集块岩、凝灰质砂岩、凝灰质页岩，岩层组合 十分复杂；变质岩组：混合岩、石英岩、石英片岩、角闪石片岩及条纹状大理岩 等。岩体的完整性受结构面所控制。此类岩体结构的显著特点之一是岩体中有粘 结力微弱的层面、极薄层或薄层状的软弱夹层以及轻微的层间错动面等。结构面 发育程度不等，但其间距一般大于岩层的单层厚度。各单层比较完整的层状组合 是此类结构的基本特征，尤其在平缓岩层区仅有剪切节理存在时，更为明显。这 样的层状结构层间粘结力差，其摩擦系数一般在0 4 上下，高者可达0 6 。对于 倾斜岩层，尤其陡倾岩层，节理、断层和层间错动就比平缓岩层发育得多。总体 看层状结构岩体，以结构面平行存在为特点，结构面的起伏状况和粗糙程度也不 相同，有碎屑物质充填。做为力学介质类型，此类岩体属各向异性的不连续介质： 它不仅表现在结构面切割造成的不连续性，而且表现在岩性组合的不均一性。对 于水平岩层来说可以认为是横向各向同性的弹性体。层状结构岩体的变形、破坏 受岩层组合和结构面所控制：压缩变形主要决定于岩性和岩层情况，剪切滑移受 结构面的规模、方位和抗剪强度所控制。 影响层状边坡的因素1 4 1 “ 7 1 众多，如优势结构面的间距与倾角、边坡角、软弱 夹层的力学性能、边坡所组成岩体的力学性能等。从层状岩体的特征可以看出， 岩体中的结构面对边坡的影响较大，其中最主要的是结构面倾角与边坡的相互关 系，实际上我们依据这两者的关系将层状岩质边坡分为三种( 如图1 1 ) ：( 1 ) 顺 倾向层状岩质边坡：顺倾向层状边坡是指坡体内的优势结构面与边坡具有相同倾 向的层状岩质边坡。顺层边坡主要受自重而引起的顺层滑移力作用，其稳定性受 岩层走向、夹角大小、坡角与岩层倾角组合关系【s j 、顺坡向软弱结构面的发育程 度及强度所控制。( 2 ) 水平层状岩质边坡：水平层状岩质边坡是指坡体内的优势 结构面主要呈水平或水平分布的层状岩质边坡。水平层状岩体边坡整体较为稳 定，其稳定性随坡高和坡角增大而降低。其坡顶变形破坏早于坡角，坡顶变形破 坏是由于水平拉应力作用，产生张裂隙并逐渐扩展加深，形成上宽下窄的垂直张 裂隙，张裂隙随坡高增大，坡角变陡，裂隙条数增多，深度加大。( 3 ) 反倾向层 中南大学硕士学位论文第一章绪论 状岩质边坡：反倾向层状岩质边坡是指坡体内的优势结构面与边坡具有相反倾向 的层状岩质边坡。反倾向层状岩质边坡受岩体自重力作用，边坡开挖后，岩层面 由于法向推力作用，岩层向下滑移。岩层较陡时易产生倾倒弯曲松动变形，坡脚 有软层时上部易拉裂，局部崩塌滑动。稳定性受坡角与岩层倾角组合、岩层厚度、 层间结合能力及反倾结构面发育与否所决定。 童n 殴 ( a ) 水平层状边坡( b ) 顺层层状边坡( c ) 逆层层状边坡 图1 - 1 层状边坡示意图 1 2 2 层状岩质边坡变形特征 岩体变形是岩体在受力条件改变时，产生体积变化，形状改变及结构体间位 置移动的总和。层状岩体破坏主要有四种模式【9 】 【1 1 】：弯折一倾倒一滑移型；弯 曲一溃曲型；直立边坡弯折一崩塌型；楔形体破坏型。 1 ) 弯折一倾倒一滑移型变形破坏 弯折一倾倒变形破坏是指反倾向层状、板裂结构或板裂化岩体边坡在重力作 用下，层状岩体产生向坡外的弯折变形，岩体沿片理面产生层间错动、板间拉裂， 使坡体发生倾倒失稳破坏1 2 】 1 3 1 ，然后发生滑移。这类变形破坏现象最为普遍。 2 ) 弯曲一溃曲型变形破坏 弯曲一溃曲变形破坏是指顺层斜坡在岩层面不具备临空条件下，长期的重力 作用下，使岩层在斜坡中下部沿片理面产生弯曲隆起，岩体沿片理面滑动f 1 4 1 1 7 1 ， 折断形成剪出口，挤出岩体产状变平或稍向上翘起的种变形破坏模式。这种变 形破坏的边坡主要是顺层边坡，且岩层片理面倾角与坡角大致相当。 3 ) 直立边坡弯折一崩塌型变形破坏 该变形破坏是指发生由系列陡倾裂隙或节理切割成板状或块状岩体构成的 斜坡，在重力作用下，板状岩层产生向坡外的弯曲变形【1 8 】 【2 3 1 ，板间拉裂，逐渐 塌落的变形破坏。 4 ) 楔形体变形破坏 楔形体变形破坏是指受两组结构面切割的岩体，在重力作用下向下部蠕变， 引起岩体结构面的开裂，被切割分离岩体沿两组结构面交线滑动【2 4 】【2 6 1 ，直至失 稳的变形破坏模式。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 3 国内外相关的研究方法 1 刚体极限平衡分析法 极限平衡方法的基本特点是，只考虑静力平衡条件和摩尔一库仑破坏准则。 也就是说，通过分析土体在破坏那一刻的力的平衡来求得问题解。当然，在大多 数情况下，问题是静不定的。极限平衡方法处理这个问题的对策是引入一些简化 假定，使问题变得静定可解。这种处理，使方法的严密性受到了损害，但是，对 计算结果的精度损害并不大。由此而带来的好处是使分析计算工作大为简化，因 而在工程中获得广泛应用。根据单元的几何形状、单元间的受力方式、滑动面形 式的不同假设，刚体极限平衡分析方法可分为以下几种：( 1 ) 垂直条分法 2 7 1 一 3 4 1 ： 该方法包括瑞典圆弧条分法、毕肖普法、简布的普遍条分法、斯宾塞法和摩根斯 坦一普赖斯法等。( 2 ) 分段对数螺线法【3 5 l ：根据变分法原理，推导得到分层岩土 边坡的潜在滑移面形状为分段对数螺线。该法主要计算分段对数螺线滑面上滑面 上的粘聚力对极点产生力矩。( 3 ) 岩质边坡s a r m a 法1 3 6 】【4 0 】：该法根据滑体的地 质特性和结构面构造，对滑体按节理构造进行斜分条及不等距分条，使各条块尽 量模拟实际岩体节理、断层的产状和强度。( 4 ) 节理边坡的岩体结构分析与关键 块体分析h 1 卜 4 4 1 ：通过结构面的地质统计分组，求得优势结构面，结合开挖面的 方位，用赤平极射投影与实体比例投影相结合的方法，确定边坡岩块的稳定性。 2 变形体分析方法 岩石是一种特殊的介质，具有裂隙等特征，其应力应变关系复杂且具有各向 异性和非均匀性。边坡稳定性的刚体极限平衡分析方法没有考虑岩土的变形，对 于弹性变形、塑性变形或流变变形较大的土质及软弱岩体边坡，一般需计及变形 的影响。目前广泛采用有以下几种变形体分析方法：( 1 ) 有限元单元法 4 9 1 5 1 1 与 边界单元法【5 2 】 【5 4 】：有限单元法的基本思想是将连续介质离散为仅在结点铰结的 有限个单元，荷载移植于结点，利用插值函数考虑连续条件，由力法或位移法求 解应力场和位移场。边界单元法将连续介质的边界离散为有限个单元，通过建立 积分方程，求解介质内的应力场和位移场。( 2 ) 离散单元法【5 5 1 “1 5 7 1 ：适用于非连 续介质和大变形问题，可有效地分析节理裂隙发育岩体边坡的稳定性与滑动规 律。( 3 ) 无单元伽辽金方法( e 1 e m e n t f r e e g a l e r k i n m e t h o d ，简记为e f g ) 5 8 】【5 9 j ： 前处理特别简单，可免去有限元法里手动或半自动划分网格的麻烦或困难。( 4 ) 自然单元法( n a t u r ee 1 e m e n tm e t h o d ，简记为n e m l 6 0 1 叫“】：依托于求解结构的 v o r o n o i 图( 类似于有限元网格) ，计算时间与同等精度的四结点有限元法相当。( 5 ) 快速按格朗日差分法( f l a c ) 1 6 3 6 8 】：与通常的有限元法不同之处在于：前者是 显武韵方法，而后者则是隐式的。显式差分法求解时未知数集中在方程式的一边， 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 无须形成刚度矩阵。不用求解大型联立方程，因而占用内存少，便于微机求解较 大的工程问题。另外，由于该方法采用的是随流观察法，即研究每个流体质点随 时间变化的情况，所以适合于解决非线性大变形问题，这一点恰好可以满足岩土 工程中力学分析的需要。f l a c ( f a s t l a g r a n 酉a n a n a l y s i s o f c o n t i n u a 简称f l a c ) 方法自提出以后，在国外已被广泛应用于工程地质、岩土力学以及构造地质学和 成矿学等研究领域。国内于2 0 世纪9 0 年代初才引迸该软件，主要应用于工程逾 质和岩土力学分析，如矿体滑坡、煤矿开采沉陷预测、水利枢纽岩体稳定性分析、 采矿巷道稳定性研究等。f l a c 3 d 是美国i t a s c a 咨询公司于2 0 世纪9 0 年代中期 在原有的二维分析软件f l a c 基础上开发发行的一种工程计算处理程序。 1 3 本文研究内容 ( 1 ) 野外勘探调查及赤平投影分析；( 2 ) 室内试验及试验数据处理；( 3 ) 边坡 破坏模式和稳定性影响因素的分析：( 4 ) 边坡治理优化方案设计 本文拟采用f l a c 3 d 建立层状岩质边坡数值模型，分析边坡的稳定性；建 立力学模型分析边坡参数对于稳定性的影响：在稳定性分析的基础上，对边坡提 出经济合理的治理方案。 中南大学硕士学位论文第二章边坡工程背景 2 1 自然地理条件 第二章边坡工程背景 本路段沿线属于低山丘陵地貌，地形起伏较大，地面黄海高程一般4 2 m 4 9 0 m 。沿线路段地势陡峻，冲沟发育，地面自然坡度一般1 5 4 5 度，最大坡 度约8 0 度，自然坡体较稳定。区内水网密集，河流、溪沟发育，主要为巫水河、 三渡江及清溪，其次为小水沟及排水渠道，均经地下与地表迳流汇入巫水河后 流入沅水。路线行经地区，植被发育，农作物茂盛，原生植被以草木为主，栽 培植物多为果树等。区内地表水体属沅水流域，较大的主要有沅水的支流巫水， 其次有三渡江及清溪，水量较小的小水沟、水渠分布较多，地表水发育，主要 接受大气降水补给，水量随季节变化面变化，雨季较大，旱季较小：地下水主 要为赋存于高( 低) 液限粉( 粘) 土、含砾粘性土层中的上层滞水、砂、卵石层 中的孔隙潜水及基岩裂隙潜水与岩溶水，主要接受大气降水的补给。上层滞水 及孔隙水与地表水体有直接的水力关系，相互形成互补关系；基岩裂隙水与岩 溶水水量不大，富水不均匀，只在裂隙及岩溶较发育的位置含水较丰富。 2 1 1 地层岩性 根据钻探及地质调查结果，结合区域地质资料综合分析，沿线除低洼地带 覆盖层较厚外，其它大部分位置第四系覆盖层较薄，基岩为泥盆系泥灰岩及灰 岩。该路线地层岩性由新至老分别如下：第四系填筑土：杂色，稍密中密， 稍湿，主要成分为粘性土、碎石，局部( 老公路路面) 含水泥砂浆块及沥青。 主要分布与全线现有公路、机耕道、沿河河堤和人工渠道等人工建筑场地。o 第 四系种植土：灰褐色，褐黑色，湿，松软，含植物根。主要分布于水田、菜地 及早地中。0 冲洪积层：亚粘土、中砾砂、圆砾、卵石土；主要分布于沿线 三渡江一桥五桥、永安桥及巫水大桥的桥位区河床及两岸位置。 坡残积层： 高( 低) 液限粉土、粘土、碎石土及碎石质土；主要分布于沿线山坡、坡脚和 剥蚀残丘、坡地。 泥盆系( d ) 泥灰岩：青灰色、深灰色、泥质结构，薄层 状。泥灰岩暴露地表后易风化与干裂，近地表部分多为全风化或强风化状，或 呈粘性土状。在潜水丰富且基岩产状不利的地段进行填、挖方，则易产生滑动， 是全线边坡治理的主要地段。 泥盆系( d ) 灰岩：灰色，深灰色，隐晶质结 构，中厚厚层状，局部为薄层状，含炭质，局部夹含炭灰岩，具溶蚀现象。 在地表水或地下水作用强烈处或河谷地段溶蚀现象较强烈，多形成溶洞、溶沟、 溶槽和落水洞，是沿线岩溶发育的主要地层。 沿线地质构造属于华南准地台范畴，早期华夏系隆起，为较稳定持台区。 6 中南大学硕士学位论文 第二章边坡工程背景 其主要地质构造为：清溪向斜：轴线位于清溪土桥一带，南段为北1 0 0 东， 北段为北3 0 。东，呈向西北凸出的弧形，南端在冷水坪附近扬起，北端在塘底 一带扬起。泥盆系灰岩组成核部的两翼，岩层倾角1 5 3 0 。，另派生有一些次 级小的褶皱及断裂。o ：仙溪城步复向斜：位于新化洞口武冈城步 由五条向斜组成的一系列线性褶皱，是规模较大的复向斜带及相问的次一级褶 皱。沿线未发现影响线路稳定性的断层等不良地质构造。 2 1 2 不良工程地质条件 沿线不良地质作用主要表现为：岩溶、软土、及潜在滑坡。岩溶：灰岩分 布地段，溶蚀现象较普遍，底面主要表现为开口型岩溶洞，地下主要表现为溶 沟、溶槽及溶洞发育。软土：沿线软土分布较广泛，共有1 2 处，一般沿线路长 3 0 9 0 m ，最长达2 0 0 m ，主要为填方路段，软土类型主要为水田中的种植土，该 土层孔隙比达，含水量高，承载能力低，厚度一般0 5 0 8 m ，下部多为软塑 硬塑状的粘性土层或基岩风化层。潜在滑坡：主要为泥灰岩分布区内整体式切 方的左侧边坡，由于岩层产状不利，上部土层与下部土层接触位置含水量较大， 开挖时在岩土层界面上易形成滑坡。参照中国地震动参数区划图，可知该 地区地震基本烈度为6 级度区，地震动峰值加速度小于0 0 5 9 ，地震动反应谱特 征周期为0 3 5 s 。 2 2 典型边坡地质条件 2 2 1 地质概况 本文选取k 8 2 k 8 3 段边坡作为研究范围。k 8 1 + 9 0 0 m k 8 2 + 2 0 0 m 的岩土 综合状况从上到下：填筑土：黄褐色，硬塑状，湿，以粘性士为主，含有机质 及杂物，层厚o 3 m 。种植土：灰色灰黄色，硬塑软塑状，湿饱和，以粘 性土为主，含有机质，层厚o 2 o 5 m 。低液限粘土：灰色青灰色，软塑 硬塑状，湿饱和，含圆砾，底部见泥灰岩，含少量强风化碎石，层厚o 3 2 5 m 。 高液限粉土：灰黄色灰色，软塑硬塑状，湿饱和，下部含强风化砾石。 层厚2 o 3 0 m 。泥灰岩：灰青灰色，泥质结构，中薄层状，层理明显，强 风化层层间见黄色泥质充填，层厚3 0 7 0 m ，弱风化层较完整。 k 8 2 + 2 0 0 m k 8 3 q - 3 0 0 m 的岩土综合状况从上到下：种植土：灰黄褐黄 色，硬塑软塑状，饱和稍湿，以粘性土为主，含强风化碎石，含有机质及 1 5 的泥灰岩角砾、砾石，层厚o 2 1 0 m 。低液限粉土：黄褐黄色，硬塑 坚硬状，稍湿湿，含少量泥灰岩角砾( 约1 0 ) ，局部含块石，底部见灰岩， 层厚0 2 4 m 。泥灰岩：黄色深灰色，强风化，泥质结构，中厚薄层状， 7 中南大学硕士学位论文第二章边坡工程背景 岩体完整极破碎，岩芯多呈碎块状，局部呈坚硬土状，岩体整体性差，层理 明显，顺层裂隙及一到两组反倾向节理发育，沿节理为全风化层，呈坚硬状， 厚3 1 5 c m ，节理间距o 5 1 5 m ，全风化与强风化厚度比1 ：1 0 ，地层产状：2 7 5 0 3 0 7 0 么4 0 0 6 0 0 ，节理产状l l o o 2 6 0 0 么4 4 0 7 0 0 ，地表土层沿岩、土界面约滑 动2 m ，该处土界面与层面一致，土石类别为软石次坚石，土石等级为v ， 层厚2 6 2 0 5 m 。高液限粉土：黄灰黄，软塑坚硬，稍湿饱和，含少量 泥灰岩碎石及角砾，局部含砂质，主要分布于农田中及低洼地段，层厚o 5 m 。 土石类别为普通土，土石等级为级，层厚0 8 2 4 m 。强风化泥灰岩：灰黄色， 泥质结构，薄中厚层状，层厚6 9 4 m 。弱泥灰岩：青灰深灰色，泥质结 构，薄中厚层状，顺层裂隙及陡倾角裂隙发育，岩芯多呈柱状，少量呈块状， 层厚大于l o m 。微风化泥灰岩：深灰色，泥质结构，薄中厚层状，裂隙稍发 育，方解石充填，岩芯多呈柱状，局部岩芯呈块状，岩体完整，层厚最大达2 0 5 m 。 2 2 2 结构面描述 由现场调查得到边坡产状以及结构面密度，如图2 - 1 及表2 - 1 。 圈圈饧匡萤 ) 4 1 32 0 - - 哇01 z 0 ( 数值袭示百分密度) ( a ) a 一1 嘞囫亘 3 02 0 3 01 2 0 ( 数值表示百分密度) ( b ) a - 2 圄豳囫匡| 1 5 1 0 - 1 5 1 1 0 【数僵寰示百丹密度】 ( c ) a 一3 暖圈磁匡| ) 3 5 2 0 3 5 l 2 0 ( 数值衰示百分密度) 紫翼舄，柚卸加l 锄 i 矗值囊示百分窨厦鬻 ( d ) a - 4( e ) a - 5 图2 - 1 观测点节理密度图 8 中南大学硕士学位论文第二章边坡工程背景 表2 - 1 边坡产状调查表 编观测点 观测点岩性 坡面倾 结构面 结构面充填物 水文条 号 位置向 密度 充填物厚度件 k 8 2 + 3 0 0上部泥灰岩下部 未见水 a - 13 4 5 。1 2 条 n石英粉末0 m m 左侧边坡 灰页岩流 k 8 2 + 5 0 0 泥质充填未见水 a - 2泥灰岩3 0 5 4 6 条m 0 8 c m 左侧边坡物流 k 8 2 + 5 0 0 上部泥灰岩，下6 1 2 条泥质充填未见水 一31 5 0 。o - s c m 右侧边坡 部灰页岩 物流 k 暑2 + 6 0 0 泥质充填未见水 a - 4主要为泥灰岩3 1 5 。 1 0 条m 0 - 8 c m 左侧边坡 物 流 k 8 2 + 6 0 0上部泥灰岩，下 泥质充填未见水 a - 51 3 ri i 条，m0 - 8 c m 右侧边坡 部灰页岩物 流 2 3 赤平极射投影稳定性分析 赤平极射投影方法最早应用于天文学用于表示星体在太空中的位置和它 们之间的角度距离。上世纪八十年代，赤平极射投影方法开始引进到工程地质 学中来，主要用于岩质边坡的稳定性分析。赤平极射投影既可确定边坡上的结 构面( 包括边坡临空面) 的空间组合关系，给出边坡上可能不稳定结构体的几 何形状、规模大小、以及它们之间的空间位置和分布，也可以确定不稳定结构 体的可能变形位移方向，作出边坡稳定条件的分析和稳定性状态的初步评价， 若结合结构面的强度条件和作用于边坡上的作用力，还可以进行边坡稳定性的 分析计算，求出其稳定系数的数值，因而是目前解决岩质边坡稳定问题的主要 方法之一。根据对竹城公路k 8 1 k 8 3 段边坡出现的几组节理裂缝产状的调查， 采用赤平投影方法对其进行岩体边坡初步定性的稳定性分析。 n 一。 、 愈纷、嘉 厶弋装 时曾 | j s 图2 - 2 赤平投影原理示意图 9 d 中南大学硕士学位论文 第二章边坡工程背景 2 3 1 赤平极射投影方法基本原理 图2 2 表示赤平极射投影原理的立体示意图。图上外圆代表投影球面，o 点为球心，平面n e s w 为赤道平面，它与球面的交线为一个圆n e s w ，这个圆 称为赤道大圆，平面n a s b 为一通过投影球心0 的倾斜平面，它的走向为s n ， 倾向为o e ，倾角为t 2 。这个平面与赤道平面的交线s n 就是它的走向线。由于 这个平面通过投影球心，因此，它与投影球面的交线，即它的球面投影为一直 径等于投影球直径的圆n a s b ，半圆弧n a s 是它在上半球的球面投影，半圆弧 s b n 是它在下半球的球面投影。由投影球的南极向该平面的球面投影发射射线， 这些射线与赤道平面有一系列交点，这些交点的联系就构成了该平面的赤平极 射投影n c s d 。赤平极射投影作图分为两步进行：1 ) 将物体的几何要素如点、 线、面置于投影球中心，然后从球心投影至球面上去，得到球面投影；2 ) 把球 面投影通过由极点发出的射线投影到赤道平面上，就得到赤平投影。 2 3 2 用赤平极射投影方法进行稳定性判断 根据赤平极射投影方法原理，由曹平教授运用f o r t r a n 语言编写了赤平 投影绘图程序，该程序只需输入边坡及结构面产状参数即可自动作出其赤平投 影图2 3 及表2 2 。 ( a ) a - 1( b ) a - 2 ( d ) 一4( e ) h - 5 图2 - 3 赤平投影图 1 0 ( c ) a - 3 一羁r 艉 一女勰 中南大学硕士学位论文 第二章边坡工程背景 表2 - 2 赤平投影分析表 编坡面产结构面 结构面 结构面 稳定 性情原因分析 号状1 产状 2 产状 3 产状 况 不稳 由j l 、j 2 结构面组成楔形体其交线 a - l3 4 5 0 4 5 02 7 2 。4 8 。2 7 5 0 3 6 0 方向i 位于坡面投影大圆外侧，即结 定 构面交线烦角小于边坡坡面角 不稳 j l 、j 2 的投影大圆的交点i ，位于边 a - 23 0 5 0 5 0 。3 0 0 0 3 52 0 8 0 2 0 0 定坡面投影大圆的外侧 结构面儿与j 2 、j 2 与j 3 、j l 与j 3 a - 3】5 0 0 4 5 。 2 2 4 6 4 5 。3 0 8 0 ，5 8 。3j 7 。2 9 0 稳定的投影大圆的交点i i 、1 2 和b ，均位 于边坡面投影大圆的内侧 结构面j j 和j 2 的投影大圆的交点i a - 43 1 5 0 4 7 。3 0 2 0 ，6 3 0 2 9 6 。1 5 6 0 稳定 位于边坡坡面投影大圆内侧 结构面j l 和j 2 的投影大圆的交点i a 51 3 1 0 5 0 。3 0 4 。3 0 02 1 6 0 3 5 。稳定 位于边坡坡面投影大圆内侧 2 4 结论 赤平极射投影分析结果表明，结构面对竹城公路k 8 1 k 8 3 段边坡稳定性 影响明显，从几何稳定性上逆层坡为稳定的，不稳定区域主要发生在顺层坡， 因此需针对顺层坡进行进一步的力学稳定性分析。 中南大学硕士学位论文第三章岩石物理力学试验及数据工程处理 第三章岩石物理力学试验及数据工程处理 岩体的强度不仅与组成岩体的岩石的性质有关，而且与岩体内的结构面( 节 理、裂隙、层理、断层等) 有关：此外，还与其所受的应力状态有关。众所周 知，结构面特别是软弱结构面是岩体最薄弱的地方，几组软弱结构面将岩体分 割成各种形状和大小不同的岩块。岩体的强度决定于这些岩块的强度和结构面 的强度。当然，岩块本身也有一些结构面，但这些微结构面甚小，肉眼不易察 觉，一般不影响供室内外试验用的完整岩石的试件。岩块内微结构面的影响将 直接反映到岩石试件的力学性质上。通常所讲的岩石强度，一般是指岩石试件 试验所得的，它实际上是代表岩体内岩块的强度。 根据大量的试验和观察证明，岩石的破坏常常表现为下列各种形式：( 1 ) 脆性破坏：大多数坚硬岩石在一定的条件下都表现出脆性破坏的性质。也就是 说，这些岩石在荷载作用下没有显著觉察的变形就突然破坏。产生这种破坏的 原因可能时岩石中裂隙的发生和发展的结果；( 2 ) 延性破坏：岩石在破坏之前 的变形很大，且没有明显的破坏荷载，表现出显著的塑性变形、流动或挤出， 这种破坏称为延性破坏或韧性破坏。塑性变形实验室内结晶品格错位的结果。 在一些软弱岩石中这种破坏较为明显。坚硬岩石一般属于脆性破坏，但在两向 或三向受力较大的情况下，或者在高温的影响下，也可能延性破坏；( 3 ) 弱面 剪切破坏由于岩层中存在节理、裂隙、层理、软弱夹层等软弱结构面，岩层 的整体受到破坏。在荷载作用下，这些软弱结构面上的剪应力大于该面上的强 度时，岩体就发生沿着弱面的剪切破坏 本次室内岩石力学性能测试试验项目主要有：岩石单轴抗压强度、弹模和 泊松比试验；岩石单轴抗拉强度：岩块抗剪强度试验；岩块弱面直剪试验。下 面就岩石强度性质各参数的获取作较详细的介绍。 3 1 试样介绍 3 1 1 试样采取及特征