舟曲某高边坡治理工程现场剪切试验及稳定性分析研究

舟曲某高边坡治理工程现场剪切试验及稳定性分析研究摘要本文以舟曲某高边坡为研究对象，开展现场剪切试验并进行稳定性分析。通过在典型地段采用平推法进行大型剪切试验，深入研究了强风化千枚岩和砾石土的力学特性，包括剪切特性、剪胀-剪缩特性等。结果表明，强风化千枚岩的特性与风化程度和岩体完整性紧密相关，砾石土抗剪强度与含砾石量有关。同时，运用不同方法获取抗剪强度参数，对比分析后采用有限元强度折减法对边坡稳定性进行计算，为该高边坡治理工程提供了关键依据，也为类似工程提供了重要参考。关键词高边坡治理；现场剪切试验；稳定性分析；抗剪强度参数；有限元强度折减法一、引言舟曲地区地质条件复杂，高边坡稳定性问题突出，严重威胁当地人民生命财产安全与工程建设安全。准确掌握边坡岩土体力学特性及稳定性状况，是高边坡治理工程的核心。现场剪切试验能直接获取岩土体抗剪强度参数，真实反映其在实际受力状态下的力学行为，为稳定性分析提供可靠数据。稳定性分析则可评估边坡在各种工况下的安全程度，预测潜在破坏模式，为制定合理治理方案奠定基础。二、工程概况2.1地理位置及地形地貌舟曲某高边坡位于[具体地理位置]，处于山区地形，地势起伏大。边坡所在区域地形陡峭，相对高差显著，整体地形呈[描述地形走势]。该区域地貌受长期地质作用影响，以侵蚀地貌为主，冲沟发育，边坡上部坡度较陡，下部相对较缓，局部存在陡坎。2.2地层岩性边坡地层主要由表层第四系坡积物和志留系千枚岩相变质岩构成。第四系坡积物主要为砾石土，砾石成分复杂，粒径大小不一，分选性差，充填物以粉质黏土为主，结构松散。志留系千枚岩相变质岩出露广泛，强风化千枚岩岩石破碎，片理发育，矿物蚀变明显，岩体完整性差；弱风化千枚岩相对较完整，但仍存在一定程度的节理裂隙。2.3地质构造与水文地质条件该区域地质构造复杂，存在多条断层和节理裂隙带。断层活动导致岩体破碎，降低了岩体的完整性和强度。节理裂隙方向和密度对边坡稳定性影响显著，部分节理裂隙与边坡倾向一致，易形成不利的滑动面。水文地质条件方面，该区域地下水主要为第四系孔隙水和基岩裂隙水。孔隙水赋存于第四系坡积物中，受大气降水补给，水位变化较大。基岩裂隙水主要存在于千枚岩的节理裂隙中，其富水性受节理裂隙发育程度控制。在雨季，地下水水位上升，岩土体饱水后强度降低，增加了边坡失稳风险。三、现场剪切试验3.1试验目的与意义现场剪切试验旨在准确测定强风化千枚岩和砾石土的抗剪强度参数，包括黏聚力和内摩擦角，为边坡稳定性分析提供可靠数据。通过试验，深入了解岩土体在实际受力条件下的剪切特性和变形规律，揭示其力学行为本质，为合理选择边坡治理方案提供科学依据。同时，试验结果可验证和完善理论分析模型，提高边坡稳定性分析的准确性和可靠性。3.2试验方法与原理本次试验选取2个典型地段，采用平推法进行现场大型剪切试验。试验原理基于莫尔—库仑强度破坏理论，即当岩土体某一截面上的剪应力达到其抗剪强度时，岩土体发生剪切破坏，抗剪强度由黏聚力和内摩擦力两部分组成。试验设备主要包括剪切盒、千斤顶、反力装置、位移测量仪器等。在现场选定试验点后，开挖试坑至预定深度，将制备好的岩土体试块放入剪切盒内。通过千斤顶施加法向荷载，使试块在不同法向应力下达到稳定状态，然后施加水平剪切荷载，直至试块发生剪切破坏，记录过程中的法向位移、剪切位移和荷载数据。3.3试验过程与数据采集在试验过程中，首先在选定的典型地段开挖尺寸合适的试坑，试坑壁应保持平整，以确保试验的准确性。对于强风化千枚岩试块，尽量选取具有代表性的完整部分，避免节理裂隙密集区域。砾石土试块则按照相关规范要求进行制备，保证其均匀性和代表性。将试块放入剪切盒后，安装好千斤顶、反力装置和位移测量仪器。法向荷载分多级施加，每级荷载施加后，待法向位移稳定后再施加下一级荷载，直至达到预定的最大法向应力。水平剪切荷载同样分级施加，加载速率保持均匀，密切观察试块的变形情况，当试块出现明显的剪切位移或位移速率急剧增加时，视为达到剪切破坏状态。数据采集过程中，利用高精度位移传感器测量法向位移和剪切位移，数据采集频率根据试验阶段进行调整，在接近破坏阶段适当加密采集频率。荷载数据通过千斤顶配套的压力传感器实时采集，并传输至数据采集系统进行记录和存储。3.4试验结果分析3.4.1强风化千枚岩剪切特性强风化千枚岩的剪切特性和剪胀-剪缩特性与其风化程度和岩体的完整性密切相关。当岩体相对完整、风化程度较低时，岩石力学性质明显，其剪切破坏表现为脆性破坏。在剪切过程中，剪应力随剪切位移迅速增加，达到峰值后突然下降，呈现明显的应变软化特征。同时，在剪切初期就表现出持续剪胀现象，体积膨胀明显。当风化严重、岩体破碎时，强风化千枚岩表现出某些土的力学性质，呈塑性破坏。剪应力-剪切位移曲线呈现缓慢上升趋势，无明显的峰值，表现为剪切塑性及硬化特征。在剪切过程中，初期表现为先剪缩，随着剪切位移的增加，逐渐转变为剪胀。3.4.2砾石土剪切特性砾石土抗剪强度与含砾石量有关，含砾石量越大，抗剪强度越高。在低法向应力下，砾石土表现为剪胀，试块体积在剪切过程中增大。这是因为低法向应力下，砾石颗粒之间的咬合作用较强，在剪切力作用下，颗粒发生错动、翻滚，导致体积膨胀。在高法向应力下，砾石土表现为先剪缩后剪胀。高法向应力使砾石颗粒之间的接触更加紧密，在剪切初期，颗粒重新排列，试块体积减小，表现为剪缩。随着剪切位移的进一步增加，颗粒间的咬合作用逐渐发挥，试块开始剪胀。四、边坡稳定性分析4.1稳定性分析方法4.1.1极限平衡法极限平衡法是边坡稳定性分析中常用的方法之一，其基本原理是将边坡视为刚体，通过分析滑动面上的力平衡条件来求解边坡的稳定安全系数。常用的极限平衡法包括瑞典条分法、毕肖普法等。瑞典条分法将滑动土体分成若干土条，不考虑土条之间的相互作用力，计算相对简单，但结果偏保守。毕肖普法考虑了土条之间的水平作用力，计算结果相对准确。4.1.2有限元强度折减法有限元强度折减法是一种基于数值模拟的稳定性分析方法。该方法通过逐步折减岩土体的抗剪强度参数，直到边坡达到极限平衡状态，此时的折减系数即为边坡的稳定安全系数。有限元强度折减法能够考虑岩土体的非线性本构关系、复杂的边界条件和应力应变分布，更真实地反映边坡的实际受力状态。其失稳判断标准通常采用位移突变准则、塑性区贯通准则等。当边坡某点的位移突然急剧增大或塑性区在潜在滑动面上贯通时，认为边坡达到失稳状态。4.2抗剪强度参数的确定4.2.1现场剪切试验获取参数通过现场剪切试验数据，根据莫尔—库仑强度理论，绘制不同法向应力下的剪应力-剪切位移曲线，确定峰值抗剪强度。利用最小二乘法对剪应力-正应力关系曲线进行拟合，得到强风化千枚岩和砾石土的黏聚力和内摩擦角。4.2.2经验参数与工程类比法参考相关工程经验数据和地质勘察规范，结合舟曲地区类似工程的岩土体抗剪强度参数，通过工程类比法初步确定抗剪强度参数范围。将现场剪切试验获取的参数与经验参数进行对比分析，综合考虑确定最终用于稳定性分析的抗剪强度参数。4.3基于有限元强度折减法的稳定性计算4.3.1模型建立采用专业有限元软件，根据边坡的实际地形、地层岩性和地质构造条件，建立三维有限元模型。模型边界条件设置为底部固定约束，四周施加水平约束。岩土体材料采用弹塑性本构模型，模拟其在受力过程中的非线性力学行为。4.3.2参数输入与计算过程将确定的抗剪强度参数、弹性模量、泊松比等岩土体物理力学参数输入模型。在计算过程中，逐步折减抗剪强度参数，每折减一次进行一次有限元计算，直至边坡达到失稳状态。记录每次折减后的计算结果，包括位移、应力分布和塑性区发展情况。4.3.3结果分析通过有限元强度折减法计算得到该高边坡的稳定安全系数。分析不同工况下（如天然工况、暴雨工况、地震工况等）边坡的位移分布、应力分布和塑性区范围。在天然工况下，边坡整体位移较小，塑性区主要分布在坡脚和局部节理裂隙发育区域。暴雨工况下，由于地下水水位上升，岩土体强度降低，边坡位移明显增大，塑性区范围扩展，尤其是在饱水区域，稳定安全系数降低。地震工况下，地震力的作用使边坡产生较大的附加应力，位移进一步增大，部分区域出现拉应力集中，对边坡稳定性产生不利影响。4.4稳定性分析结果对比将有限元强度折减法计算结果与极限平衡法计算结果进行对比分析。在相同工况下，极限平衡法计算的稳定安全系数相对有限元强度折减法略高，但两者结果在合理误差范围内。有限元强度折减法能够更直观地展示边坡内部的应力应变分布和塑性区发展情况，为分析边坡潜在破坏模式提供更详细的信息。综合对比，有限元强度折减法在该高边坡稳定性分析中更具优势，能够为边坡治理方案设计提供更可靠的依据。五、结论与建议5.1研究结论现场剪切试验表明，强风化千枚岩的剪切特性和剪胀-剪缩特性受风化程度和岩体完整性控制，砾石土抗剪强度与含砾石量密切相关，且在不同法向应力下表现出不同的剪胀-剪缩特性。通过不同方法获取的抗剪强度参数对比，现场大型直剪试验成果更能真实反映岩土体实际力学特性，有利于边坡稳定性分析和加固工程设计。有限元强度折减法计算结果显示，该高边坡在天然工况下基本稳定，但在暴雨和地震等不利工况下，稳定性降低，需采取相应治理措施。对比分析表明有限元强度折减法在该工程稳定性分析中具有优势。5.2工程建议根据稳定性分析结果，对于稳定性不足的区域，建议采用抗滑桩、锚索等加固措施，提高边坡的抗滑能力。在坡脚处设置抗滑桩，可有效阻止滑动面的发展；在坡体上部采用锚索加固，增强岩体的整体性和稳定性。加强边坡排水系统设计，完善地表排水和地下排水设施。地表排水可通过设置截水沟