多弱层边坡稳定性分析

1、多弱层边坡稳定性分析及加I李晓俊(中煤国际工程集团沈阳设计研究院 辽宁 沈阳110015 )摘 要：本文以某露天矿多弱层边坡稳定分析项目为背景，对揭露的弱层进行长期蠕变试验，在考虑弱层蠕变的情况下 选取岩体计算强度，进而以边坡稳定性分析的极限平衡法为基础，采用自主研发的专业边坡分析软件将将边坡中的不同弱层 滑坡路径进行组合，在人工干预的情况下计算出不同组合情况下边坡稳定系数，进而分析边坡的稳定情况，为加固边坡提供 依据。由计算结果可知，不同弱层组合情况下，边坡最小稳定系数为1.13，不满足边坡稳定安全系数储备，需进行边坡加 固，并提出加固措施。关键词：多弱层边坡；断层切割；弱层组合；边坡稳定分

2、析；加固Analysis of the Stability And Reinforce of Multiple Weak Layers SlopeLI Xiao-jun1(1. Shenyang Design and Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group, Shenyang, Liaoning 110015, China)Abstract： This paper puts the stability analysis project on multiple weak layer slopes in som

3、e open-pit mine as the background, and carries on the long-term creep test in the exposed weak layers. It selects computed strength of rock masses in considering the creep of the weak layers. And it bases on the limit equilibrium method of the slope stability analysis, making different weak layers s

4、liding paths in slope combine by the independently developed and professional slope analysis software, and then getting the slope stability coefficient in different combination with human interfere, thereby the slope stability has been analyzed by it, and it provides the basis for strengthening the

5、slope as well. By calculating results, the conclusions is that the slope stability coefficient is minimum of 1.13 in the combination of different weak layers, and this doesnt meet the slope safety stability CherBbycii mtds to carry on the slope reinforce, and put forward the method for it.Keywords:

6、multiple weak layers slope; fault cutting； weak layers combination; the slope stability analysis; reinforce引言边坡稳定分析是岩土工程或土木工程中的重要研究课题之一。现今边坡稳定性分析的方法主要有极限 平衡法、有限元法、工程地质类比法、历史分析法、滑移线法及智能法等，目前比较常用的边坡稳定分析 方法为极限平衡方法和有限元法。不同的边坡可采用不同的力学模型与分析方法。对于存在多个弱层及弱 层被断层切割的复杂边坡的稳定分析及评价的文章并不多见，本文从实际工程出发，采用自主研发的边坡 软件对多弱

7、层边坡进行组合自动搜索分析，并提出有针对性的综合加固措施。1工程概况某井工矿风井位于已开采的露天煤矿非工作帮轴线附近位置。从图纸上看，该区域相对平缓，利于风 井工业场地的布置，根据现场观察，该层不含水部位强度较高，有干燥裂缝，含水的部位强度较低，塑性 较好，坑底部有积水存在，含水丰富。收稿日期： xxxx-xx-xx.作者简介：李晓俊(1982-)，男，助理工程师，硕士学位，主要从事露天边坡研究：E-mail： HYPERLINK mailto: 该区下部存在1、2、3、4和5号弱层和F01断层。F01断层为正断层，断距约为10m,断层倾角为66。 这些弱层被断层F01切割为两部分，F01上盘

8、一部分，F01下盘一部分。其中F01断层为正断层。下盘上 升，导致下盘的1号、2号弱层被剥离掉；上盘下降，下盘上的1号、2号、3号、4号、5号弱层依然存 在，具体见图1。边坡稳定在很大程度上是由弱层控制的，该边坡同时存在有弱层和断层。图1边坡剖面示意图2理论及软件概述边坡稳定极限平衡分析历史悠久、可靠性较高，是目前世界范围内广泛采用的一种方法，尤其是近几 十年来计算机飞速发展，为这一方法的广泛使用提供了可靠保障。通用商业边坡稳定极限平衡分析软件在通用性和界面上比较出色，在特殊方面的应用较差，且没有源 代码，不容易修改；自主研发的软件在界面上不如商用软件，但在计算分析和特殊方式处理上优于商用软

9、件，且有源代码，修改方便，适应性强。通用软件在遇到复杂地质条件下的边坡时，不能有针对性的考虑边坡内部情况，尤其是在有较多弱层 时，不能进行弱层组合自动搜索危险滑面，算折线型滑坡时，只能假设一个滑面算一个滑面稳定性，效率 与可靠性较低。本次研究分析所采用的软件为自主研发基于极限平衡法的边坡分析软件，该软件在实际工 程中应用近二十年，其计算结果可靠性较高，针对性也较强。可以考虑弱层组合，自动搜索弱层组合条件 下的危险面，考虑较全面，不会遗漏危险滑面，可靠性高。3边坡稳定分析3.1滑坡模式的确定根据剖面中弱层和断层的分布情况，假设滑坡模式为上部圆弧，中部沿某个弱层，在断层附近过渡到 其它弱层，而后在

10、下部某个部位以圆弧方式剪出。在计算分析时，不仅要考虑边坡现有位置的安全性，在露天矿采到最终境界时也必须保证其安全。由 于5弱层较深，相对1、2、3、4号弱层不容易产生滑坡，所以在计算中仅考虑前四号弱层。根据上述分析，可能的滑坡组合模式有15组30种，本文只列出其中8种稳定性相对较低组合，其组合方式见表1。表1边坡可能的滑坡路径序上部滑面路径下部滑面路径计算位置号13号弱层1号弱层现状位置23号弱层1号弱层最终境界33号弱层2号弱层现状位置43号弱层2号弱层最终境界54号弱层1号弱层现状位置64号弱层1号弱层最终境界74号弱层2号弱层现状位置84号弱层2号弱层最终境界3.2岩体强度的选取由于本文

11、研究的边坡区域存在多个弱层，所以考虑边坡岩体强度时需考虑弱层的影响。为了更准确地分析风井边坡稳定性，不仅研究了地质报告中的土工试验和岩石力学实验数据以及相关露天矿的经验设计，还有针对性的对施工过程中揭露的弱层作了长期蠕变实验，得出具体的计算推荐岩体强度，见表2。表2岩体强度名称天然强度饱和强度C (kPa)中( )C (kPa)中( )砂岩60293021页岩90284023弱层2014.5014.5密度(g/m3)2.42.12根据岩体强度进行计算，得出计算结果见表3 （为表述简洁，仅列出几组稳定系数较小的组合）。最终计算图见图2、图3 （仅列出两组典型计算图）。表3边坡稳定计算结果序号路径

12、剪出位置稳定系数13号、1号弱层最终境界1.4423号、1号弱层现状位置1.1333号、2号弱层最终境界1.4644号、2号弱层最终境界1.36根据上述计算结果，可知边坡最小稳定系数为1.13，根据规范，不满足边坡稳定安全系数储备。需要进行边坡稳定加固，才能保证风井的生产安全。现状:图2 3号、1号弱层组合、现状边坡稳定计算图图3 4号、2号弱层组合、最终境界边坡稳定计算图4边坡加固根据上述分析，可知该边坡稳定系数储备不够，需对该边坡实施必要的边坡加固工程，以提高其稳定 性，针对该边坡的复杂性，采取有针对性的边坡加固措施。边坡加固工程需采取综合措施，不能仅采用单一的工程措施，采用单一的工程措施

13、会导致边坡加固工 程可靠性下降，工程造价高昂，加固效果不明显，抗外在风险效果差，不能达到预想的效果。边坡稳定加固方法有削坡、压脚、抗滑桩、锚索、地面排水和地下水疏干方式。地面排水为地表排水 沟；地下水疏干为疏干井、疏干巷道、水平孔等方法。削坡方法是将边坡上部的土体或岩体挖掉，降低边坡下滑力，从而达到提高边坡稳定性，这一方法对 圆弧形滑坡比较有效，因为圆弧上部滑弧滑面角度较大，卸去上部荷载后，对降低边坡下滑力比较有效， 而对于沿上下滑面角度相差不大的圆弧-折线式滑坡效果就差了很多，因为卸去上部荷载后，边坡下滑力下 降幅度不大，同时抗滑力有相应地下降，因此削坡对该边坡效果不大。压脚方法是在边坡下部

14、回填，降低边坡角度，对于本露天矿来说，采坑还需进一步沿深，边坡高度加 大，因此这一方法不适用本边坡加固。抗滑桩是一个历史较悠久的方法，在国内应用也比较多但抗滑桩本身缺点较多，如抗滑力主要靠抗滑 桩中的配筋抗剪性提供，而钢材抗剪强度不高，从材料应用上来说不够经济；从抗滑方式上来说是被动式 抗滑，即边坡变形后推动抗滑桩上部桩体产生形变，抗滑桩本身发生形变产生抗滑力来抗滑，由于边坡变 形后，边坡内部岩体发生破坏，导致整个岩体强度下降，抗滑桩只能在边坡岩体发生破坏后才能起作用， 所以采用抗滑桩抗滑的边坡不能保持其岩体的原生强度。抗滑桩强度与其本身长度负相关，长度越大，强 度越低，一般比较适用的长度为2

15、0m左右，如果超越这一长度，则抗滑桩强度下降较多，虽然可以采用增 大抗滑桩截面面积的方法来提高强度，但从总体上来说不经济。从施工方式上来说，这一方法施工难度较 大，施工时间较长。如采用大口径钻机，对施工地点的平整度要求较高，造价也高；如采用人工挖孔，则 风险较大，工期较长，质量不易保证。因此抗滑桩方法也不适本边坡加固。锚索工艺比抗滑桩工艺在国内应用的时间相对较短，但近年来该工艺在国内应用较多。锚索抗滑是依 靠钢绞线的抗拉性能来提供，钢绞线的抗拉性能非常好，从材料特性上看锚索比较经济。锚索抗滑是主动 性抗滑，锚索在施工完毕后，需加一定的预应力，这一部分预应力同时也加在了所加固的岩体上，这一部 分

16、预应力在锚索周边的岩体形成一个纺锤形应力体，在这一应力体内，岩体的裂隙被压合，同时增加了摩 擦力，提高了岩体的强度，在边坡未产生变形时，边坡岩体的强度就得到了加强。从施工方式上看，锚索 施工较抗滑桩施工简单，工期短，安全性好。并且本露天矿深部岩性强度较好，利于锚固。因此锚索加固 适应该边坡加固。地面排水沟截断地表降水，使地表降水排到边坡外部，从而达到提高边坡岩体强度的目的。地面排水 沟方式适用于该边坡加固。疏干井疏干地下水有一个前提条件，就是疏干地层的渗透系数要高，该边坡岩体中泥岩含量较大，渗 透系数低，不适宜采用疏干井疏干。巷道疏干方式疏干效果较好，但巷道疏干方式造价高，对于该风井长度仅一百多米的边坡来说，这一 疏干方式显的过于昂贵。水平孔疏干是一种比较有效的疏干方式，水平孔利用水的自重，无需外部动力，无需外部人工管理， 自动将边坡体内的地下水排出，是一种较理想的疏干方式。通过综合比较以及计算分析，对该多弱层边坡采用的加固方式为锚索、地表截水沟、水平放水孔综合 加固措施。五结论针对存在多个弱层及弱层被切割的复杂边坡，通用商业边坡稳定分析软件不能很好的分析多弱层组合， 特殊方面应用较差，效率