（地质工程专业论文）浙江舟山庆丰采石场高边坡稳定性分析及治理研究.pdf

摘要 本文在搜集资料，现场调查测绘，室内分柝的基础上，系统研究了浙汪舟 山庆丰采石场边坡的地质条件、边坡失稳破坏机制、稳定性及相应的治理措施。 首先研究了采弱静鲁然逢矮条侍，确定了雾翡边骏稳定豹控裁性结掏西，帮块 体主要由丽组节理切割而成楔形体，由于开挖卸赫及耐水浸 龟，致使节理丽强 度减弱而发生破坏。然后通过建立地质模裂、确定边界条件、选择合理的力学 参数，取獒型瑟瑟对边渡进行数篷分辑，分辑结爨表明瓣鼓整体是稳定懿，破 坏类型以零星掉块和楔体失稳下滑为主；为了定最计算边坡的稳定性，对边坡 两种破坏类型：单滑面下滑和双滑面楔形体下淆，考虑不同工况进行稳定性计 冀，荠对摩擦受积糙聚力进行稳定躲敏感性分辑。在此基礁羔，对边竣懿治理 方案进行了探讨：在不考虑工程加固条件f ，为了取得合理的削坡角，建：菠了 任意坡商和坡角下楔体稳定瞧分析公式，通过典鍪颟萄分祈褥出了邋宜的澍玻 角；恧考虑使鼹锚柽( 锚索) 镶固时，讨论了锚抒( 镂索) 锚霞对本边坡魄逶 用性，通过解析法得出了边坡加固的最佳锚固角和最小锚固力，又根据实际情 况对锫秆( 锚索) 锚阖豹各参数结合本边坡避芎亍了优纯，褥出台理的话秆( 锈 索) 参数，最后对边坡开挖按降雨开挖( 不加锚固) 、不降燃开挖( 不考虑锚 固) 及用锚索加固三方面进行了模拟。 关键词稳定性分析；楔体：数值分析；削坡；锚索：h ，a c 要蜜至望古兰鎏圭望塞生兰丝鎏塞 a b s tr a c t i nt h l s p a p e r 。b a s e d o nt h ed o e u m e n t a t l o nc o l l e c t l o n ，o n s l t e i n v e s t i g a t i o n a n d m a p p i n g a n di n d o o r a n a l y s i s ，g e o o g y c o n d i t i o n ， f a i l u r em e e h a n i s ma n d s t a b i l i t y o ft h e q u a r r ys l o p e a r es t u d i e d s y s t e m i c a l l y f i r s t l y ，a c c o r d i n g t ot h en a t u r a lg e o l o g ys t u d yo ft h e q u a r r y ，t h ec o n t r o ls t r u c t u r ep l a n e sa r ed e t e r m i n e d ，w h i c ha r ec u t t o h eb u i l d j n gb l o c k sb yt w os e t so fm a i nj o i n t s f a i l u r ec a no c c u rd u et o t h ei n t e n s i t yw e a k e no ft h ej o i n tp l a n e sc a u s e db ye x c a v a t i o nr e l i e fa n d r a i ni 珊e r s i o n s e c o n d l y t h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i so nt h et y p i c a l s l o p e s e c t i o ni s p e r f o r m e d w i t he s t a b l i s h m e n t o f g e o l o g y m o d e l ， d e f i n i t i o no fb o u n d a r yc o n d i t i o na n dp r o p e rs e l e c t i o no fm e c h a n i c a l p a r a m e t e r s t h er e s u i ts h o w st h a t t h es l o p ei so fi n t e g r a ls t a b i l i t y ， a n dt h ef a i l u r em o d em a i n l yc o m p r i s e si n f r e q u e n tb l o c kd r o pa n dw e d g e b o d yb r e a k a g e 。c o n s i d e r i n gt h et w of a i l u r em o d e so fp l a n ef a i l u r ea n d w e d g eb o d yb r e a k a g e ，a n ds t a b i l i t yc a l c u l a t i o n u n d e rd i f f e r e n tw o r k e o n d i t i o n s ，t h e s l o p es t a b i l i t y i sd i s c u s s e da n dt h es e n s i b i i i t y a n a l y s i so f f i t sf r a c t i o na n g e la n dc o h e s i o nf o r c ei sm a d e 0 nt h eb a s i s o ft h es t a b i l i t ya n a l y s i s ，i ti ss u g g e s t e dt h a tt h es l o p ec u te o m b i n e d w i t ha n c h o rc a b l es h o u l db eu s e da si t st r e a t m e n tm e a s u r e s t oo b t a i n t h ep r o p e rs l o p e c u ta n g e l t h ea n a l y s i sf o r m u l ao fw e d g eb o d ys t a b i l i t y f o ra r b i t r a r ys l o p eh e i g h ta n da n g e li se s t a bl i s h e d ，w h i c hi su s e df o r t y p i c a l s e c t i o na n a l y s i s t o g e t t h ea n g e l b a s e do n t h ea n c h o r a g e m e c h a n i s ms t u d y ，t h ea n c h o r a g ea p p l i c a b i l i t yf o rt h es l o p ei sd i s e u s s e d t h eo p t i m u ma n c h o r a g ea n g e la n dm i n i m u ma n c h o r a g ef o r c e f o rt h es l o p e r e i n f o r c e m e n ta r eo b t a i n e db yt h ea n a l y t i c a lm e t h o da sw e l l t og e tt h e p r o p e ra n c h o r a g ep a r a m e t e r s ，a l lt h ea n c h o r a g ep a r a m e t e r sa r eo p t i m i z e d c o m b i n e dw i t ht h ep r a c t i e a ls i t u a t i o n f i n a l l y ，t h es l o p ee x c a v a t i o n1 s s i m u l a t e dc o n s i d e r i n gr a i n f a l l ，n or a i n f a l la n da n c h o rr e i n f o r c e m e n t k e yw o r d ：s t a b i l i t ya n a l y s i s ：w e d g eb o d y ：n u m e r i c a la n a l y s i s ：s l o p e c u t a n c h o rc a b l e ：f l a c 要蜜奎鎏盔主巫主里塞生兰垡鎏塞釜：要 1 前言 1 1 研究意义 岩石高边坡工程在我国分布相当广泛，无论是自然滑坡、崩塌还是人类工 程活动引起的不稳定边坡灾害，都对经济建设和人民生命财产造成巨大损失。 据统计，我国的边坡灾害主要分布在2 4 个省、市、自治区，分布较多的省份有 四川、湖北、广东、海南、广西、云南、青海、甘肃等省。总体上看，以西南 和西北地区为主，它们的受灾频次完全受控于我国的地质和地理格局。 据有关部门统计，我国的滑坡、崩塌和泥石流等地质灾害，正随着资源的 开发而加剧，我国每年由此造成的损失近3 0 0 亿。近十年来，全国4 0 0 多个市、 县受到严重侵害，近万人死亡，一半以上的地质灾害是人为造成的。 随着我国国民经济的快速发展及国家西部大开发和大力发展基础设旌建设 拉动内需政策的出台，水电工程、铁路、公路公程及工民建工程出现前所末有 的建设高潮，高边坡工程数量之多，高度之大，情况之复杂也是前所未有的， 岩石高边坡研究、治理的作用与地位日益突出，高边坡的稳定性分析与治理常 成为工程成败的关键技术，也是确保工程安全和降低建设费用的重要环节。 1 。2 国内外研究现状及进展 边坡工程是岩土工程的一个重要领域，涉及到工程数学，力学，工程地 质学领域等多个学科，其研究历史已达l o o 多年。所研究的范围涉及所有人类 工程活动所形成的人工边坡，也包括自然滑坡及崩塌体。国际学术活动和技术 合作非常活跃，边坡工程常成为许多国际会议的中心议题或主要议题，还 出版了许多对边坡工程的研究与治理有重要意义的专著和工程手册。 纵观边坡工程的发展史，其研究理论和治理技术应包括如下五方面： ( 1 ) 边坡勘察技术研究与应用； ( 2 ) 边坡( 指自然滑坡与崩塌) 的区域分布规律性研究； ( 3 ) 边坡的变形破坏机制研究； ( 4 ) 边坡的稳定性评价； ( 5 ) 边坡工程治理。 一、在进行边坡的稳定性分析和防治之前，必须进行工程地质勘察工作， 其目的是查明不稳定边坡的范围、规模、地质条件及其危害程度，探明不稳定 边坡产生的原因，判断其稳定程度，提供岩体的物理力学性质指标，预测发展 互直窑鎏盔主鎏主堡塞圭兰丝丝塞兰2 戛 趋势并提出预防与治理方案的建议。工程地质勘察技术的进展为边坡工程治理 技术的发展提供了反映实际情况的可靠资料和监测边坡稳定性变化的先进手 段。勘察技术除传统的现场调查、钻探、物探手段外，还出现了一些新的勘探 方法，如钻孑l 电视、地质雷达、钻孔c t 等技术。遥感技术也得到愈来愈广泛 的应用，在大型工程的勘测阶段，利用遥感图像可以显著提高效率，改善工作 条件。应当指出，遥感技术毕竟不能深入到地质体的内部，它得到的只是表层 的信息，因此，遥感技术无法完全取代现场的勘察工作，而只能作为一种有效 的辅助手段。3 s 实时工程分析系统是指地理信息系统( g i s g e o g r a p h y i n f o r m a t i o ns y s t e m ) 、遥感系统( r s r e m o t es e n s i n gs y s t e m ) 和全球定位系统 ( g p s - g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 三者融为一体的概念，是一门高新科学技术， 日前已在地学界取得初步尝试，为边坡工程及滑坡的勘察提供了新一代的手段。 3 s 实时工程分析系统是一个完整的有机体，如果与专家系统相结合，不仅具有 自动采集和处理数据的功能，而且能智能分析和运用数据，提供科学的决策及 回答用户可能提出的各种复杂问题。我国三峡库区现已建立了边坡稳态3 s 实时 工程分析系统的基本框架。 二、边坡工程的区域分布受地理气候及区域地质环境因素影响，我国西部 多山地，东部多平原，因而边坡工程以西部为主。我国各地区都进行了地质灾 害区域分布调查，初步形成了地质灾害监测系统。为灾害的监控及经济风险评 估提供了依据。 三、张倬元等将斜坡变形机制分为6 种模式：蠕滑一拉裂、滑移一拉裂、 滑移、滑移一弯曲、弯曲一拉裂、塑流一拉裂。这6 种模式相互复合可以解释 更为复杂的斜坡变形机制。对于岩质边坡孙广忠担出了岩体结构控制理论，石 根华提出了关键块体理论，南京大学提出了岩坡优势面控制理论，认为岩坡的 变形破坏受岩坡内的优势面所控制，王思敬还把断裂力学引入岩体结构。谢和 平、周维恒、孙钧等将分形理论引入边坡工程，利用分维可以定量描述断层、 层理、节理、泥化夹层等宏观结构面的形态特征、分布、产状及粗糙度等，同 样岩体的微观结构面或破坏面也呈现不规则的分形状态，这种不规则反应了岩 体破坏时的能量耗散及微观结构效应，也可用分维来表示，分维数是岩体变形 破坏的某一统计特征量，分维数可以充当岩体变形破坏变量的角色进行岩体的 强度和稳定性演化过程的分析。 四、边坡的稳定性评价关系到工程的选址、方案设计等重大问题，稳定性 评价要求选用适宜的方法。常用的方法有： 1 、极限平衡法，极限平衡法以经典力学为基础，以安全系数作为度量指标， 耍蜜銮耍盔兰巫圭塑窒生兰垡篓塞箜2 要 其方法多种多样，常见的有b i s o p 法，费伦纽丝法及传力系数法；虽然极限平 衡法假定的力学状态并不代表斜坡真实的应力状态，但其计算简单，历史较长， 就稳定性而言，已可以满足实际需要。极限平衡法相同条件下，不同的计算方 法其结果相差不大，误差主要来源于参数的取值，这也说明其方法己相当成熟。 2 、数值分析方法是发展很快的一种方法，它可以方便地处理岩土体的非 均匀性、非连续性造成的边坡的非线性问题，可以得到边坡的应力场、应变场、 及位移场，直观的模拟边坡的变形破坏过程；能据岩土体的破坏准则，确定边 坡的塑性区或拉裂区，分析边坡的累进破坏过程和确定边坡的起始破坏部位， 常用方法有有限元法( f e m ) 、离散元法( d e m ) 、边界元法( b e m ) 、有限差 分法( f d m ) 。随着数值分析法的发展，出现了不同数值方法的相互耦合，数 值解和解析解的结合，以及非确定性的数值方法如随机有限元，模糊有限元等， 这些方法耦合能充分发挥各自的特长，解决复杂的岩土工程问题。边坡工程的 可靠性分析是以概率论为基础，考虑边坡各种因素的不确定性，用概率来度量 边坡安全度的方法。何满潮、杨强等建立了可靠性分析的的边坡状函数，实现 了m s a r m a 法与蒙特卡洛法的有机耦合。另外神经网络法也用于解决复杂的 边坡工程的稳定性，它可以尽可能多的将各种影响边坡稳定和变形的各种因素 作为输入变量，可以建立这些定性、定量影响因素与边坡安全系数和变形中的 变量之间的映射模型，然后用模型来预测和评判边坡的安全性，在此基础上给 出边坡工程反馈设计优化成果。 以上介绍的是数学模型。计算技术虽发展迅速，但由于对物理机制的认识 尚不充分，加之很难精确确定各个因素的影响，因此数值计算至今还不能完全 取代比较成熟的物理模型试验。在今后相当长的时间里，模型试验将与数值模 拟并存，两者还可以相互验证。模型试验还会继续得到发展。 五、边坡治理工程可分两类：类是控制滑坡产生的防治工程，一类是直接治 理滑坡运动的的工程。治理技术的的发展经历了二十世纪5 0 年代排除地表地下 水，设挡土墙到6 0 一7 0 年代以排水和挡土墙为主的同时，大力开发抗滑桩以解 决施工的困难，再到8 0 年代以来，采用小直径抗滑桩的同时，开始采用大直径 挖孔抗滑桩。抗滑结构的另一个特点是锚索工程在滑坡中大量应用。其形式有 锚索与抗滑桩联合形成“锚索抗滑桩”及用锚索单独稳定滑坡，还有框架锚梁、 锚喷支护、刚架护坡桩、土钉墙等。 边坡工程经过一百多年的发展，其研究已有相当的规模和水平，且已进入 系统科学的进代。但由于边坡系统的复杂的非线性特征，使滑坡的理论研究与 工程实践还存在很多的问题，仍需要做大量的工作。 西南交通大学硕士研究生学位论文篝4 页 庚丰采石场位于位于舟山市区东南部城市的边缘，经过长期盲目开采，采 场影袋覆嘉达1 3 0 米，装茨4 0 - 7 0 。豹边坡。痰予缮椽蚕耧褥承翦共霹掺耀，暴 场边坡曾发生一定规模的滑坡和崩塌，对生产和人身安全造成严重威胁。近年 来，随着舟山市经济的发展，市有关部门对城市的规划及环境越来越重视，由 于舟山是一个海岛城市，地尤其珍贵，为了利用有限的土地取得最好的社会 和经济效益，市政府决定禁止对采场遴行开采，对瑷有透城进行筑质灾鬻评估， 并进行治理设计，为将来边坡区的土地开发作好准备。受舟山市及浙江省工程 勘察陵委托，我们对庆丰采石场边坡展开了一系列科研工作。本论文邵是以此 为基础完成的。 1 3 研究目标及思路 论文的研究目标：通过勘察教分析，确定控制边坡稳定的边界条件，分析 边坡稳定致影响因素，浮俊裹边坡戆稳定性，提出合理豹设计方案。 论文研究思路：通过现场勘察及资料收集，磁对庆丰采石场高边坡地质条件研 究载基础上，建立地质模型，确定其破坏的其体模式。为进行稳定性分析，首 先利用数值方法来模拟边坡的威力特征，随后对边坡稳定性用极限平衡法进行 分褥。渡稳定性分橱为依据提高魏缓方寨，并对热圈( 镄索) 设计进露铙证， 确定出合理的锚索参数( 长度、锚固角、纵蹭及横距等) 。为分析设计方案的可 行往和有效性，将分析锚索与繁理岩体的作嗣机理，并用f l a c 程序分柝削坡 对工程的影响及锚杆( 锚索) 的加固效果。思路框图如1 1 ： !边坡地质环境研究 j j 二7 ：二i 工j j i 二j 一 坦受錾塑一ii 韭星望坠堕重燕重j 垄羔地，照塑延| 篮l 咝照现瓤 f边域稳定性分析i l 。、，、 鎏熊匿垂量辜堕礴亘厂i 随苹蛙碹鼍旦_ 崭二 一一。一1 _ 边坡加固治理研究 。一r 一 边垃削城角研兜边坡锚杆加同治聪设计分步歼拄及加固袭粜模拟 一二 。 一 ， 1 惑箍l l 一一 i 图1 1 研究技术路线 亘重窑鎏古主耍主蟹耋圭主焦盗奎苤噩 2 采场边坡区地质环境条件研究 2 1 地形地貌 舟山市定海区庆丰、小矸采石场，位于市区东南部火龙岗山之西麓( 图1 1 ) 。 两采场南、北相连对同一山体进行开采( 以下统称“庆丰采石场”) ，其开采历 史可上溯至上世纪五十年代，目前已形成宽约3 0 0 m ，高达百余米的人工边坡。 边坡区山体呈近南北向展布，最高峰火龙岗海拔1 9 4 m ，属海岛丘陵地貌。场地 东侧山体边坡虽高点高程为1 4 1 m ，山坡自然坡度一般为2 5 3 2 。，人工边坡坡 度4 0 7 0 0 ，局部直立或倒坡。山前平地地势西低东高，高程为7 1 0 m 。由山前 坡麓向西，逐渐过渡到滨海平原。 图2 1 交通位置图 耍童銮鎏盔主巫主堑塞圭兰焦迨塞釜夏 图2 - 2 采石场平面图 图中1 - 1 1 1 - 1 1 为剖面线 2 2 地层岩性 区内山体除表层分布有厚度l m 左右的坡残积碎石含粘性土( q 4 e l + d 1 ) 外， 主要由上侏罗统高坞组( j 摇) 构成，其主要岩性为流纹质晶屑玻屑熔结凝灰岩 或晶屑熔结凝灰岩，以灰一深灰色为主，为典型的火山碎屑流相产物，属坚硬 类岩石，致密块状。据1 ：5 万舟山市幅区域地质调查报告，该岩石的极限干抗 压强度大于2 0 0 m p a ，软化系数o 6 6 , - - 0 。8 6 。 2 3 场地地质构造 边坡区地质构造主要表现为断裂和节理，断裂不发育，仅有一条小断裂在 场地北东部通过。节理主要有北东、北西、北北东及北北西向等四组。 2 3 1 断裂 在场地范围，仅在东北角有北西向断裂一条，出露长度3 0 余米，走向3 2 0 。，倾向南西，倾角7 0 。7 5 。该断裂主要特征为：断面较平直，面上发育水 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 平和缓倾二组擦痕，伴有微阶步。挤压破碎带宽3 - 5 m ，由断层角砾岩、糜棱岩 和构造透镜体等组成，构造透镜体平行断面排列，局部见薄层断层泥紧贴断面。 上下盘都为上侏罗统高坞组( j 嘏) 晶屑玻屑熔结凝灰岩，近断面处硅化、绿泥 石化等蚀变较强。断裂性质为先张后右行压扭。北东盘节理很发育，主要为二 组，其产状分别为3 3 5 。z 6 0 6 8 。和2 5 7 。z 6 3 。，前一组极发育，局部成劈 理带。 2 3 2 节理 本次工作对采场边坡的岩体节理作了详细测量( 表2 1 ) 。 由表2 一l 可知，无论是从节理的密度上还是延伸规模上，反映了边坡区节 理以北东向和北北西向为主，北北东、北西向少，东西向和南北向不发育的总 体概貌。这与边坡区以北东向断裂较发育的地质特征相一致。区内节理具有共 轭性，较明显的有二组。第一组最为发育，由走向6 0 0 7 2 。、3 3 7 。0 5 5 。的剪切 节理组成，节理面一般平直、闭合，无充填物，延伸规模一般都大于5 m ，有的 大于5 0 m ，间距一般1 0 5 0 e r a 为多。局部节理面有起伏，微张( 宽度为几m m ) ， 见有钙质或泥质等充填物，区内己发生的滑坡均由这一组节理控制。第二组不 甚发育，由走向3 7 。卅4 。、3 1 0 。一3 3 0 。的剪切节理组成，节理分布稀疏，一般】 2 条米，延伸较远。 2 4 水文地质 本区属北亚热带南缘季风海洋性气候区，冬暖夏凉、雨量充沛，气候温和 湿润。夏秋两季常受台风袭击，冬季多大风，春季多海雾。据统计定海区年平 均气温1 6 3 。c ，年降雨量1 3 11 4 r a m ，每年有两个明显的降水过程，主要集中在 4 、5 、6 三个月的梅雨季和台风季节，九月份的降水量最多，约占全年的1 3 左右。据舟山市气象局资料，历年来定海区日最大降雨量为2 1 2 5 m m 。场地水 文条件简单，仅东北角有一被边坡截断的小溪沟分布，为间歇性溪流，雨后几 天即断流。根据地下水的埋藏、赋存条件、水理性质和水力特征，边坡区内地 下水主要类型为基岩裂隙水。边坡外围基岩山区植被发育，基岩裂隙水直接接 受大气降水补给，因火山岩岩石坚硬致密，受风化作用较弱，地下水赋存条件 差，主要在构造裂隙中呈脉状或线状富集，连通性差，地下水无统一的地下水 位。基岩裂隙水大部在山麓以泉的形式排泄，部分沿着构造裂隙向深部渗透形 成地下径流。在现有边坡坡麓未见有常年性泉水出露。 由于本采石场存在裂隙倾向或两组节理组合交线与坡向一致，并且其倾角 小于坡角的坡体结构，所以若地下水沿这部分裂隙下渗，将使节理面的阻滑力 堕耍窑道盔芏堡主塑蜜生兰丝笙塞篁! 噩 降低，对边坡的稳定性有明显的影响。 表2 1岩体节理特征表 地 产状( 度 出露 质间距 特征 点 长度 号 走倾倾 ( m ) ( c r a ) 向向角 7 23 4 27 91 0 1 51 0 7 0 平直，表部张开，面上具钙质、铁质薄膜，局部间距为5 2 0 c m 3 73 0 74 8 1 01 0 0 一2 0 0 平直，对边坡稳定有影响 d l 3 1 02 2 05 8) 1 03 0 0 5 0 0 平直，闭合，延伸长，与坡向呈反倾 3 3 76 76 31 - 23 0 1 0 0闭合，不发育，延伸短 闭台，无充填，上部间距5 1 0 c m ，发育处达每米2 7 条；下 7 83 4 86 8 1 05 5 0 部间距较大 延伸长，成为风化带之分界面，其上岩石强中等风化；其下 d 23 83 0 84 8 2 0 1 0 0 中风化。 1 51 0 57 4 1 01 0 5 0 与坡向斜交，延伸长 3 2 72 3 74 0 1 05 0 j 0 0 面平直，不发育，与坡向呈反倾 7 03 4 05 81 0 1 51 0 5 0最为发育，面平直，微张闭合，基本特征同d 1 1 d 3 4 43 1 44 7 2 0 1 0 0 面平直微张，在点上构成坡面 3 5 52 6 57 2 2 05 1 0 0 表部微张，无充填，产状变化较大在下部阗距为5 2 0 c m d 4 7 03 4 06 3 2 05 0 1 0 0 面闭合， 1 01 0 04 0 3 0i o o - 2 0 0紧闭，延伸远 7 03 4 05 9 3 05 0 1 0 0 在2 3 0 。z 5 4 。大节理的交切下，沿3 4 0 。z 5 9 。发生滑坡， d 5 3 2 02 3 05 4 5 03 0 - 1 0 0 3 4 0 。z 5 9 。节理破碎带宽3 4 m 局部有泥质充填 3 5 08 04 12 - 35 2 0闭台，面不平直 d 9 6 53 3 55 9 3 0) 1 0 0 面较平，延伸远，以3 3 5 4l 5 9 4 为主滑面，沿两节理交线 02 7 06 0 5 0 1 0 0 发生婿坡 6 53 3 56 8 55 ，2 0 极发育，密集处形成劈理带间距1 2 c m 。表部张开，无充 d 1 0填。 3 4 72 5 76 3 21 0 3 0 面平直闭合 6 03 3 06 5 51 0 5 0 3 3 0 。z 6 5 。最发育，浅部微张，无充填， 3 3 02 4 06 9 22 0 5 0 d 1 2 3 5 58 57 7 15 0 2 0 0 不发育，面闭合，8 5 。- 7 7 。倾向坡内 3 1 52 2 58 5 1 1 0 0 2 5 区域地质 边坡区位于浙东沿海中生代火山岩带的北段，外围构造以北东向断裂为主， 南北向、北西向断裂为辅，距区域性深大断裂较远( 见图2 3 ) 。 互童窑重盔兰堡圭竺基兰芏篁笙塞篁2 噩 。魄。 、l 、7 心c 翟i 夺似 驷 澄* 名雠二淤j 骈嚣 囝口， 毒逡瞎蕊 粼黾固z 囫- 淑运 、乡打、 囝；固， 3 n， 囫日，渺，避 l 压住匿爱：2 压眦教裂：3 碓住日2 蔓；- 性质币啊e 唰：j 睡掣镇号：5 袁山它袁考茸坶：t 霉蛔废岩坶；$ 尚林e 唰 图2 - 3 区域地质构造图 ( 据】：5 万舟山市幅等五幅区域地质报告) 断裂的主要特征如下： 北东向断裂：常以断裂带形式产出，其规模大，主要断裂的挤压破碎带宽 数十米，往往由一系列平行的断面、挤压片理带及构造透镜体、岩脉群等组成： 延伸长度数十公里以上：重力显示清晰，反映有较大深度。断裂带活动频繁， 性质多变。断面上见多组不同方向的擦痕；多处见灰白色粘土状断层泥，年龄 值说明有的断裂早、中更新世有过活动。对场地影响较大的为大猫山一梁横山 断裂带，其出露长度约3 0 k m ，宽5 8 k m ，南宽北窄，总体走向6 0 。7 0 。，断裂 性质为先张后压扭。 北西向断裂：较发育，有点灯湾水库、观矸头一城隍头等断裂，断裂规模 较小，断续出露4 - - - 5 k i n ，总体走向3 1 0 。3 2 0 。断面上发育擦痕和阶步。断裂 破碎带由断层角砾岩、构造透镜体和片理带等组成，宽度变化大，为1 - 2 0 m 。 断裂性质为先张后压、压扭。 南北向断裂：较发育，一般规模不大，成群产出，往往切割其它方向断裂。 主要有吴家山下一岙底陈断裂，其出露长7 5 k m ，由数条断裂组成，宽约l k m 。 断面呈舒缓波状，产状8 5 。l 7 5 。，破碎带宽1 1 5 m ，由碎裂岩、断层角砾岩和 硅化蚀变带组成。性质为先张后右彳亍压扭。 大猫山一梁横山北东向断裂带，对本场地岩体中节理的发育有明显的影响。 互蜜奎遵盔主要主墨塞圭兰焦笙塞篁! q 基 新构造运动以整体升降运动为主，断裂活动很少。 从现有的资料看，边坡区范围内历史上地震活动的水平是相当低的，地震 少，震级低，属于一个少震小震地区。根据中国地震动参数区划图 ( g b l 8 3 0 6 2 0 0 1 ) ，边坡区地震动峰值加速度为o 1 0 9 。 2 6 不良地质类型及特征 从开挖边坡范围的区域地质条件分析，东部丘陵基岩山体由上侏罗统高坞 组( j 蝎) 流纹质晶屑玻屑熔结凝灰岩组成，以弱风化为主，节理发育，采石对 斜坡的破坏较为强烈，边坡岩体的失稳方式以崩塌、滑坡为特征。 2 6 1 崩塌 本采石场采用在坡脚超挖、放炮采石的开采工艺，部分开采面经常处于极 限平衡状态。在开挖过程中边坡的掉块、撒落时有发生，一般根据先兆予以躲 避。崩塌的产生主要受坡高、结构面发育和组合状态控制。爆破作用使天然情 况下闭合的节理裂隙，产生了开裂和分离，在爆破结束后，位于陡峻边坡地段 的部分松动岩体或岩块，即构成了潜在的崩塌体。据访问，这类崩塌，一般发 生在连续降雨或暴雨过后，其规模较小，崩塌体积多为几几十方，在整个开挖 边坡段均存在崩塌现象。 2 6 2 滑坡 上侏罗统高坞组( j 3 9 ) 流纹质晶屑玻屑熔结凝灰岩，层理不发育，为块状 或巨厚层状，以中等风化为主，节理较为发育。因采石场开采历史较长，自西 向东已向山体推进约2 0 0 m ，开采形成的边坡平均高度约6 0 m ，最大高度达 1 3 0 m ，坡缘周长约7 0 0 m 。最近的两次滑坡分别发生于2 0 0 0 年6 月2 7 日和2 0 0 1 年1 月2 3 日，估计滑坡体体积分别达几万和2 0 万立方米。而这两次滑坡的形 成，其控制性结构面就是如上所述的3 3 0 3 4 0 0 6 1 。和2 6 0 一2 7 0 0 2 6 0 。两组， 由这两组结构面组合而成的楔形块体，其交线倾向方向与坡向一致，故只要在 坡面出现临空条件，即使在天然状态下也会处于临界状态。而在降雨条件下因 降水对结构面的润滑作用，使其抗剪强度急剧下降，即会快速失稳下滑。 为了准确评价采场开挖边坡的稳定性，下面先对开挖边坡赋存的应力、应 变场进行数值分析然后对其进行稳定性评价。 耍蜜銮鎏盔主娈主竺窒兰兰焦丝塞蔓31 噩 3 基于有限差分法的高边坡应力场模拟 庆丰采石场斜坡应力场的基本特征是在成坡阶段完成后就基本形成的，以 后，随时间的推移，斜坡应力及形变在此基础上发生不断地积累与演化，从而 决定了斜坡变形、破坏的发展过程，下面采用基于有限差分法的f l a c 程序， 对斜坡的应力场特征进行模拟研究。 3 1 f l a c 程序介绍 3 1 1 f l a c 算法综述 f l a c 是f l a s tl a g r a n g i a na n a l y s i so fc o n t i n u a 的缩写，意为连续介质快速 拉格朗日法。由美国明尼苏达i t a s c a 软件公司编制开发的显式有限差分程序。 该程序的基本原理与离散元相似，但它应用了节点位移连续的条件，可以对连 续介质进行大变形分析，具有较强的前后处理功能，可以通过执行数据命令文 件进行计算，也可以通过人机对话的交互方式进行。 f l a c 算法的基础是快速拉格朗日计算方法，能模拟岩石、土体及其它材料的 大变形、挠曲或塑性流动。特别适用于岩石力学的非线性大变形或不稳定问胚。 其计算模型网格能以大应变模式变形并随材料流动。 f l a c 的基本公式假定为二维平面应变问状态，亦有平面应力分析( 弹性) 。 其内装材料模型有如下几种：( 1 ) 零模型：代表网格中的孔洞( 开挖) ；( 2 ) 体积屈服模型( 含应变硬化，软化特性) ：代表非线性、不可逆剪切破裂与压塑； ( 3 ) 粘弹性蠕变模型( 可供选择) ：( 4 ) 界面( 或滑动面) 模型( 界面为平 面，沿界面允许滑动或分开) ：模拟断层、节理和磨擦边界；( 5 ) 液流模型： 模拟可变形孔隙体与粘性流动的全耦合及源与沉( 井) 等：( 6 ) 结构单元模型： 模拟岩土体加固、衬砌、锚杆( 锚索) 、锚索、土钉、混凝土喷层、可缩支柱 及钢板桩等；( 7 ) 轴对称几何结构模型：模拟围堰、船闸及层状材料侧向载荷 的影响；( 8 ) 动态分析模型：其代码能用于各种工程动态问题，诸如地震分析、 坝的稳定，土结构间的作用与液化，爆破载荷的影响等；( 9 ) 热力模型：模拟 材料中的瞬态热流，热效应的发生以及进行热与力的耦合计算等；( 1 0 ) 绘图 功能：通过其重复占位程序，能绘制各种图形与表格，其中计算时步函数关系 曲线的绘制特别有助于弄清何时达到平衡与破裂状态，并在瞬态计算或动念计 算中进行变量变化控制。 f l a c 是把单元的一套差分方程转换为矩阵方程，把节点力与节点位移联系起 来进行求解的数值算法，它与有限元方法的不同有以下几方面：( 1 ) 采用混合 亘蜜窑鎏盔兰堡主塾塞生主堡笙塞茎! ：基 离散化方法精确模拟塑性破裂载荷与塑性流动，比普通有限元法采用归约积分 法更合理； ( 2 ) 采用全动态运动方程( 亦有基本静态模拟系统) 使f l a c 在处 理不稳定问题时不会遇到数值困难；( 3 ) 采用显式解法，在求解非线性应力应 变关系时，既不需要存储任何矩阵，又不需要对任何刚度矩阵进行修正。与普 通隐式解法相比，大大节约机时； ( 4 ) f l a c 按行与列形式进行单元编号，对 于识别那些指定单元的研究与解释很方便；( 5 ) f l a c 运动总方程的显式时间 逼近解法允许进行岩体的渐进破坏与垮落分析，进行模拟材料剪切带的形成与 定位分析以及进行工程材料的大变形分析等。 3 1 2f l a g 算法流程 f l a c 显式静态分析求解流程如下：( 1 ) 建立f l a c 模型：实施f l a c 算 法。首先要建立f l a c 模型，包括生成有限差分法四方网格，给定边界条件与 初始条件，定义本构模型与材料特性。( 2 ) 确定模型平衡状态：在给定边界条 件与初始条件的作用下，f l a c 模型应处于初始平衡状态，亦即模型每个节点 的有效节点力等于零。在f l a c 数值解法中，通过对最大不平衡力、格点( 节 点) 速度或位移的监控，确定模型己达到平衡状态。( 3 ) 检查模反应：f l a c 模型的反应是通过其显式动态代码进行监控的。当模型动能降低到可忽略值时， 静态或准静态解即可得到。这时模型或者处于力平衡状态，或者处于稳流状态。 ( 4 ) 改变模型条件：f l a c 在求解过程中的任何点，均允许改变模型条件。这 些改变包括：材料的开挖，格点载荷或压力的增加或删除，任何单元材料模型 或特性的改变，任何格点的约束或约束解除。对于模型中的塑性材料单元，还 要规定最大不平衡力的非零常数值。( 5 ) 求解f l a c 模型：f l a c 采用显式时 间逼近法求解代数方程组，求解计算时步由f l a c 代码自动控制。 3 1 3 正负号的确定 y 图3 - 1 剪应力正负号的确定 亘直至堂盔主重圭蟹塞兰兰垡笙塞篁! j 噩 ( 1 ) 应力一正号代表张力负号代表压力 ( 2 ) 剪应力一见图3 1 ，图中所示剪应力为正号 ( 3 ) 应变一正的应变表示伸长，负的应变表示压缩 ( 4 ) 剪应变一剪应变下负号与剪应力相同 ( 5 ) 孔隙压力孔隙压力永远为正 ( 6 ) 重力一正的重力将物质向下拉，负的重力将物质向上拉 3 2 有限差分法模型的建立 3 2 t 斜坡地质模型建立 根据前述章节的研究，选取7 7 剖面，并保持实际斜坡的地质结构特征， 抽象出用于实际计算的斜坡地质结构模型，该模型将斜坡岩体概括为表3 - 1 的 四种类型，在反映坡体的实际地质结构方面是较为客观实际的。 3 2 2 边界条件的确定 模型边界后部取距坡口线约7 0 m ，前部取自采石场平地，但为了减小边界 效应对计算结果的影响，模型前部水平向前延伸3 0 m 。 模型上部是临空自由边界；模型右边界为另一截离边界，该边界上作用由 自重应力引起的水平侧向应力，其分布呈三角形的面力形式，向下增长的变化 率为u y ( 1 一u ) ( u 为泊松比) ，由于斜坡的变形与破坏主要发生在坡体的 浅部，这部分坡体乃至一定深度范围内的坡体，构造应力在过去的地质历史时 期已松弛殆尽，因此模型边界上不考虑水平构造应力的作用。 模型的左边界和下部边界分别提供水平( x ) 和垂直( y ) 方向的位移约束， 从而构成位移边界条件，以保持整个系统受力体系的平衡。 3 2 3 物理力学参数选取及模型的离散化 参数的确定为根据试验成果和参数的工程类比确定的，具体参数取值见表3 一l 。 表3 1 物理力学参数表 、参数 弹性泊松峰值抗剪强度 残余抗剪强 抗拉 度容重 岩石类釜 模量比强度 ( m p a )( u ) c 巾( 。) c中咖岍曲 ( m p a ) ( m p a )( m p a )( 。) 崩滑体 1 2 0 0o 2 5o 0 44 20 0 23 00 0 2 20 残坡积层 6 0 0o 3 20 0 51 80 0 31 5o 0 2 lo 强风化凝灰岩1 5 0 0 0 o 2 42 44 5o 53 3o 0 2 62 0 弱风化凝灰岩 2 5 0 0 00 2 34 64 81 o3 50 0 2 65 0 堕重窑鎏盔兰鎏圭堡塞兰兰堡垒塞茎! 兰噩 采用双线性四节点四变形单元将整个计算模型离散化为1 1 8 5 个节点、1 1 1 2 个单元，经离散后的计算模型如图3 - 2 所示。 3 3 计算成果及分析 采用莫尔一库仑准则，对上述模型进行非线性数值分析，计算时分现今斜坡 应力场和斜坡进一步演化( 清除崩滑体后) 两种情况。 3 3 1 斜坡现今应力场模拟 数值分析得出的现斜坡主应力矢量、最大主应力( o ) 、最小主应力( o ，) 、塑性区分布图如图3 - 3 3 一j 所示。 图3 - 2 离散化后的计算模型 f i 。冉cz z 5 8 t e pi 2 b o u n d a r 9p l o t h x i m u mp r i n c i p a 1s t - r e s s c o n t o u ri n f e r u al =5 8 8 e + 8 4 h i n i u m ：- 9 日日e + 日5 i r u m ：8 日日e 一日1 图3 - 3 最大主应力等值线图 图3 4 最小主应力等值线图 图3 - 5 塑性区分布图 数值分析结果显示，应力场符合斜坡应力场的一般规律，在崩滑体与基岩 的交界部位和坡脚处有明显的应力集中区，。，集中程度可达0 9 m p a ，主应力 方向与斜坡应力场分异的一般规律吻合。从塑性区分布图中可知，斜坡现塑性 区主要分布于崩滑体，以拉裂破坏为主，可见，在重力作用下，斜坡上部的松 散堆积体已处于不稳定状态。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 3 。3 ，2 斜坡进一步演化后的应力场模拟 考虑到斜坡治理设计时首先应清除现有的第四系崩坡积层，然后才对基岩 边坡进行防护施工，故对斜坡进行了清除崩滑体后的数值模拟。数值分析得出 的斜坡主应力矢量、最大主应力( o1 ) 、最小主应力( 。3 ) 等值线图如图3 - 6 3 8 所示。 从圈中可以看出清除崩滑体后的斜坡与现斜坡应力场相比，斜坡的应力特 征大部分相同，不同之处是：崩滑体清除后，坡脚处应力集中程度有所变化， 如o ，从0 9 m p a 降为0 8 5 m p a ，但斜坡上没有出现塑性单元，结合实地调查，可 见斜坡整体是稳定的，而以零星掉块和楔形体滑动为主。 酉富窑鎏盔兰鎏圭婴塞主主堡鲨塞兰：z 基 f l cz z 5 s t e p 2 3 2 7 h 诅a r ，p l o t m a x i m u mp r i n c i p a ls t r e s s c o n t o u ri n t e r u a1 =5 0 0 e + 日4 h i n i m u m ：一b 5 b e + 日5 h a x i m u m ：日日日e 一日1 图3 - 6 清除崩滑体后最大主应力等值线图 f l a cz z 5 s 七e p 2 3 2 7 b o u n d a p yp l o t h i n i m u mp r i n c i p a l8 七r e s s c o n t o u rl u t e r u a l =2 旧b e + b 4 h i n i m u m ：一1 b o e + b 5 n a x i _ u 瞳：2 b s e + 日4 图3 7 清除崩滑体后最小主应力等值线图 f l a c2 历 s p t ，e i 。p 。i p i i 2 ：t ，。 h a x s 七r e # # =8 8 2 7 e + 0 5 歪| | ； ；| 豸一i 图3 - 8 清除崩滑体后主应力矢量图 互直銮童盔主要主塑窒尘兰丝笙塞兰! i 噩 4 高边坡极限平衡法稳定性分析与评价 4 1 边坡稳定性定性评价 为便于评价，根据现有开挖边坡的平面展布及其与控制性结构面的相互组 合关系，将边坡分成三大段。从进入场地的右侧起始，第一段( 西南坡) ：长 度1 0 5 m ，坡高5 3 5 m ，坡面走向3 3 0 。，倾向6 0 。第二段( 东南坡) ：长度3 3 5 m ， 坡高3 5 1 3 0 m ，坡面走向3 2 。，倾向3 0 2 。第三段( 北坡) ：长度1 6 0 m ，坡高 5 3 5 m ，坡面走向8 0 0 ，倾向1 7 0 0 ，如图2 2 。 现将各大段稳定性总体评价如下。 i 第一段边坡( 西南坡) ：平均开挖高度2 0 m 左右，坡面不平整，坡度 一般3 5 0 6 0 0 ，部分直立状。岩体为强弱风化，裂隙面常为铁质浸染。大致 在l 1 剖面以南4 0 m 为界，靠北侧边坡( 约8 0 m 长，为i 一1 段) 岩体几乎全为