CN106844927A - 一种双滑移面岩体边坡锚固优化参数的测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双滑移面岩体边坡锚固优化参数的测定方法，首先通过现场勘查确定边坡的空间几何要素与物理力学性质，运用赤平投影方法确定不稳定岩体结构边坡及其锚杆与结构面交线的法线夹角，通过对边坡稳定性系数求导求得边坡最优锚杆与结构面交线IO夹角，依此确定最优锚固力及一般施工情况下的锚固力修正系数。在极射赤平投影的基础上，利用极限平衡法分析了楔形体的滑移规律，探索出一种适用于楔形双滑移面岩体边坡的锚杆支护方法。以此来加强岩体边坡在多种滑移趋势影响下的稳定性，体现了本发明的有效性和实用性。

Description

一种双滑移面岩体边坡锚固优化参数的测定方法

技术领域

本发明属于岩体边坡稳定性加固防治领域，特别涉及一种双滑移面岩体边坡锚固优化参数的测定方法。

背景技术

滑坡作为我国严重的地质灾害之一，具有极大的危害性和破坏性，给我国带来巨大的经济财产损失，且对建筑工程与人民生命安全造成严重威胁。其中，岩体滑坡是常见的一种危害较大的滑坡地质灾害，尤其是当岩体边坡有明显的结构面时，滑坡体极易沿着结构面滑动形成滑坡。因此，针对岩体边坡及时采取相应的防治措施并减小或根除岩体滑坡灾害的风险，在滑坡减灾防灾领域具有十分重要的科学意义和工程应用价值。

根据岩体结构类型，岩体滑坡可划分为整体结构边坡、层状结构边坡、碎裂结构边坡和散体结构边坡四种不同类型。据统计，在岩体滑坡中最为常见的一种是碎裂结构边坡中的楔形双滑移面边坡。楔形双滑移面边坡一般由两个结构面切割，形成楔形四面体。楔形双滑移面边坡滑动面的倾向大于30°，常出现于缓倾断裂构造区，因其滑动结构面与边坡的倾向很少有完全一致或接近的地质条件，所以楔形双滑移面边坡比单滑动面结构边坡出现的概率更高。目前楔形体双滑移面边坡稳定性评价方法主要是静力平衡法。该方法假定楔形体的滑动方向与结构面交线平行，在这个假定的基础上，楔形体的稳定性分析就由超静定转化为静定问题，也就是两滑移面剪切力方向的问题，然后，通过力学分析得出的抗滑力与下滑力计算楔形体的稳定性系数进而评价边坡的稳定性，该方法由于计算简便，在岩体楔形体的稳定性评价中得到广泛应用。

针对楔形双滑移面岩体滑坡整体失稳规律与受力特点，目前该类边坡在稳定性评价基础上已提出和完善了多种岩体边坡有效加固手段与措施，例如采用削坡减载、排水、增设支挡结构与内部加筋等整治措施，常用措施有设置抗滑桩、预应力锚杆和抗滑挡墙。但是对于双滑移面楔形体的支护，很多支护形式都不适合；抗滑桩对滑移体的作用是利用抗滑桩插入滑动面以下的稳定地层对桩的锚固力平衡滑动体的推力，增加滑移体稳定性。但是此支护方案在楔形体岩体边坡上施工要求条件较高，比较困难，会造成施工成本过高，超出预算等不利后果；抗滑挡墙施工比较方便，但是针对双滑移面岩体边坡，滑移体被视为刚体，在滑移时会沿着结构面交线整体滑动，如果滑移坡度过大，会在滑移面处产生应力集中现象，极易破坏挡土墙对楔形体的支护效果。大量工程实践证明，相对上述岩体边坡加固支护方法，锚杆支护是岩体边坡加固最为常用和有效的一种加固方法，其加固机理在该类边坡静力设计中已经比较成熟，且其施工比较简单，支护形式多样；此外锚杆还具有成本低、施工简便、易于生产等优点，而且锚杆的锚固段灌浆后，会产生比其他土质边坡更好的锚固效果，预应力锚杆的出现使得锚杆在双滑移面岩体边坡支护中得到了越来越广泛的应用。然而，目前预应力锚杆对楔形体边坡的力学作用机理还比较模糊，还无法准确确定楔形体与锚杆之间准确的力学关系，也没有系统的方法来判定楔形体滑移类型与滑移方向以及锚杆的倾角、锚杆提供的抗滑力的大小、锚杆的作用位置等，更重要的是，目前为止还没有明确的方法确定两个结构面空间上的角度对楔形体双滑移面边坡稳定性的影响，也没有比较统一的标准对双滑移面岩体边坡的锚杆支护进行规范设计。所以现有方法无法准确的对双滑移面岩体边坡锚杆支护方案与参数进行优化涉及与施工。因此，建立和确定一种有效的双滑移面边坡锚杆加固优化设计方法，克服上述设计方法的局限与不足，在岩体边坡支护领域具有重要应用价值。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，旨在寻求一种突破现有传统的新方法，即提出一种双滑移面岩体边坡锚固优化参数的测定方法，该方法适用于有明显结构面的岩体边坡，达到对该类滑坡进行科学、有效的治理目标。首先通过现场勘查确定边坡的空间几何要素与物理力学性质，运用赤平投影方法确定不稳定岩体结构边坡及其锚杆与结构面交线的法线夹角，通过对边坡稳定性系数求导求得边坡最优锚杆与结构面交线IO夹角，依此确定最优锚固力及一般施工情况下的锚固力修正系数。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种双滑移面岩体边坡锚固优化参数的测定方法，包括以下步骤：

步骤1：对岩体边坡进行现场勘查与测绘，确定边坡空间几何要素和物理力学参数；

步骤2：对岩体边坡稳定性做初步判定，确定岩体边坡的稳定性系数，判定岩体边坡的稳定性；

步骤3：根据锚杆布设角度和边坡空间几何要素，确定锚固后岩体边坡的稳定性系数；

步骤4：根据锚固后岩体边坡的稳定性系数，确定锚杆最优入射锚固方位角；

步骤5：根据步骤4，得出锚杆的最优锚固力；

步骤6：根据锚杆的实际锚固力，确定锚杆处于任意水平方位角的锚固力修正系数，并得出锚杆的最低锚固力。

所述步骤1的具体步骤为：

对岩体边坡进行现场勘查与测绘，确定边坡结构面以及岩层的产状；对边坡岩石进行采样并进行直剪实验，确定岩体边坡的粘聚力c、内摩擦角以及岩体重度γ。

所述步骤2中初步判定岩体边坡稳定性的步骤为：

运用极射赤平投影法确定边坡结构面的交线倾角α，根据边坡结构面投影圆弧交点与坡面的位置，判定边坡的稳定性状态：

当交点位于自然边坡面的投影大圆外侧，判定边坡处于较不稳定状态；

当交点与边坡投影弧在同一侧，处于开挖边坡和自然边坡投影弧之间，判定边坡处于不稳定状态。

所述步骤2中判定岩体边坡稳定性的步骤为：

根据边坡安全等级规定，取得安全系数K；当岩体边坡的稳定性系数F≥K时，判定边坡处于稳定状态，不需要对边坡采取支护加固措施；当F＜K时，判定边坡处于不稳定状态，需要对边坡采取支护加固措施。

所述步骤3的具体步骤为：

根据锚杆的入射角θ和边坡结构面的交线倾角α，得到锚杆与边坡结构面交线法线的夹角β，进一步得到锚杆的有效锚固力T'；根据楔形体的受力情况，得到锚固后岩体边坡的稳定性系数。

所述步骤4的具体步骤为：

由锚杆与边坡结构面交线的夹角为ω，将锚固后岩体边坡的稳定性系数对ω求导，在锚固后岩体边坡的稳定性系数取最大值时，可得锚杆最优入射锚固方位角ω₀。

所述步骤5的具体步骤为：

根据边坡安全等级规定，取得安全系数K；将锚杆与边坡结构面交线的夹角ω取值为锚杆最优入射锚固方位角，得出锚杆的最优锚固力。

所述步骤6的具体步骤为：

根据实际工程需要，由锚杆与边坡结构面交线的夹角ω，得出锚杆的实际锚固力T，由实际锚固力T与最优锚固力之比得到锚固力修正系数；

由锚固力修正系数，得出锚杆处于任意水平方位角时，锚杆的最低锚固力为锚固力修正系数与最优锚固力的乘积。

本发明的有益效果为：

本发明在极射赤平投影的基础上，利用极限平衡法分析了楔形体的滑移规律，探索出一种适用于楔形双滑移面岩体边坡的锚杆支护方法。以此来加强岩体边坡在多种滑移趋势影响下的稳定性，体现了本发明的有效性和实用性。

本发明可以根据前期现场勘查数据确定边坡的空间几何要素和物理力学参数，无需进行另外的单独勘查。

极射赤平投影是现在最有效率的岩体边坡数据处理方法，利用该方法可以更快、更准确的确定边坡的稳定状态。

本发明考虑了不同结构面角度对其稳定性的影响，根据楔形体的空间几何特征，把锚杆锚固力有效的分配到两个结构面上，是该发明的重点。

本发明根据两个结构面的空间几何特征，求得锚杆的最优倾斜角度，可以使锚杆的锚固力合理分配，使锚杆发挥最大的锚固作用。

本发明根据锚杆实际角度与最优锚固角度的对比，得到锚杆锚固力的修正系数，对实际施工有指导意义，提高工作效率，节约施工成本。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2(a)为赤平投影与边坡示意图；

图2(b)为赤平投影下边坡的稳定性区域划分示意图；

图3为锚杆受力示意图；

图4为结构面极射赤平投影图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，双滑移面岩体边坡锚固优化参数的测定方法的具体步骤如下：

第一步：边坡空间几何要素与物理力学参数的确定：

依据《边坡工程勘察规范》(YS5230—1996)对岩体边坡进行现场勘查与测绘，确定边坡结构面以及岩层的产状。对岩石进行采样并进行直剪实验，确定岩体边坡的粘聚力c、内摩擦角值以及岩体重度γ。

第二步：不稳定岩体结构边坡的判定及其稳定性评价：

1)岩体结构边坡稳定性的初步判定：

运用极射赤平投影法确定边坡面和两个结构面J₁、J₂的投影以及两结构面的交线IO，确定两结构面的交线IO倾角为α。根据边坡结构面(J₁，J₂)投影圆弧交点I与坡面的位置可判定不稳定性岩体结构边坡如下：

(1)当交点I位于自然边坡面的投影大圆外侧(图2(b)中2区域)，判定边坡处于较不稳定状态；

(2)当交点I与边坡投影弧在同一侧，处于开挖边坡和天然边坡投影弧之间(图2(b)中1区域)，判定边坡处于不稳定状态。

2)不稳定岩体结构边坡稳定性系数的确定：

对于步骤1)判定的处于不稳定及较不稳定状态的岩体结构边坡，根据式(1)进一步确定其稳定性系数F为：

其中：ψ_a,ψ_b为结构面法线方向与结构面交线IO的夹角，且0<ψ_a<90°，

0<ψ_b<90°，如图3；

A₁，A₂为两结构面的面积；

G为楔形体的自身重力。楔形体即为两个结构面切割出的岩体。

根据规范《建筑边坡工程技术规范(GB50330-2005)》边坡安全等级的规定，取安全系数K。当F≥K时，判定边坡处于稳定状态，不需要对边坡采取支护加固措施；当F＜K时，判定边坡处于不稳定状态，需要对边坡采取支护加固措施。

第三步：双结构面锚固岩体边坡稳定性系数的确定：

1)锚杆与结构面交线的法线夹角的确定：

对于不稳定状态岩体边坡，根据步骤二得出两结构面的交线IO倾角为α，则垂直交线IO的法线倾角为90°-α。

设锚杆入射角为θ，则锚杆与两个结构面交线IO法线的夹角β为

β＝(90°-α)-θ (2)

注：结构面交线的法线为与结构面交线水平投影相重叠的垂直线。

2)锚固后岩体边坡稳定性系数的确定：

锚杆最优入射角为两结构面交线的垂直法线方向，设其锚杆总设计锚固力为T，则其锚杆有效锚固力T'为：

T′＝Tcosβ＝Tcos(90°-α-θ) (3)

设锚杆水平方位角与结构面交线IO的夹角为ω(假设ω为锚杆绕其与结构面交线IO的夹角，顺时针为正)，则锚杆在两个结构面上提供的分力T_a、T_b分别根据式(4)、(5)确定：

T_a＝T'cos(ψ_a-ω) (4)

T_b＝T'cos(ψ_b+ω) (5)

根据楔形体的受力情况，锚固后岩体边坡的稳定性系数F为：

第四步：岩体锚杆最优入射锚固方位角的确定：

当锚杆锚固力与锚杆入射角一定时，根据式(6)，稳定性系数F对锚杆与结构面交线IO夹角ω求导，并令即：

可确定最优入射锚固方位角ω₀为(见基本原理)：

符号意义同上。

第五步：预应力锚杆最优锚固力的确定：

根据规范《建筑边坡工程技术规范(GB50330-2005)》边坡安全等级的规定，取安全系数K，当锚杆与结构面交线IO夹角时，边坡所需锚固力为最优锚固力T₀，其值根据式(9)确定：

第六步：任意水平方位角锚杆锚固力修正系数与最低锚固力的确定：

根据实际工程需要，当锚杆水平方位角与结构面交线IO夹角ω≠ω₀时，此时边坡锚固力T为：

由于T＞T₀，此时若按照最优锚固力设计，边坡稳定性则偏于危险，因此本专利定义锚固力修正系数ζ为锚杆水平方位角与结构面交线IO夹角为ω时的锚固力T与最优锚固力T₀之比，则修正系数ζ为(推导过程见基本原理)：

由此可确定任意水平方位角锚杆最低锚固力为：

T＝ζT₀(12)

基本原理：

根据楔形体的受力情况，锚固后岩体边坡的稳定性系数F为：

当锚杆锚固力与锚杆入射角一定时，将稳定性系数F对锚杆水平方位角与结构面交线IO夹角ω求导为：

当F最大，即时，得最优

根据实际需要，当锚杆水平方位角与结构面交线IO夹角ω≠ω₀时，边坡锚固力T为：

定义修正系数ζ为锚杆水平方位角与结构面交线IO夹角ω时的锚固力T与最优锚固力T₀之比，则修正系数ζ表达式为：

化简为：

为了更加清晰的表述本发明的核心观念和具体的运用方法，下面以青岛某边坡为例进行详细说明。该边坡上发育有多个危岩体，为了解岩体具体物理力学特性，进行现场勘查与测绘。

第一步：边坡空间几何要素与物理力学参数的确定：

根据现场勘查数据，可确定岩层产状为315°∠45°，结构面J₁产状224°∠60°，结构面J₂产状116°∠85°，楔形体体积为3150m³。通过岩体样本的直剪试验，确定出岩体的粘聚力c＝23.94kPa，内摩擦角重度γ＝25.12kN/m³。

第二步：不稳定岩体结构边坡的判定及其稳定性评价：

现经测量，根据测量信息，结构面法线方向与结构面交线IO的夹角ψ_a＝65°,ψ_b＝46°，在极射赤平投影图上作出边坡面和两个结构面J₁、J₂的投影，绘出两结构面的倾向线AO和BO，以及两结构面的组合交线IO。如图4，两结构面交点I位于Sc和Sn之间，可知此边坡处于不稳定状态。

求其稳定系数F为：

可知，该边坡处于极不稳定状态。

第三步：双结构面锚固岩体边坡稳定性系数的确定：

对于此边坡，根据极射赤平投影，图4，两结构面的组合交线IO倾角为α＝62°，则垂直交线IO的法线倾角为28°。

设锚杆入射角为20°，则锚杆与两个结构面交线IO法线的夹角β＝8°。

第四步：岩体锚杆最优入射锚固方位角的确定：

根据安全系数K对锚杆水平方位角与结构面交线IO夹角ω求导所得公式，得最优角度ω₀＝9.5°。

第五步：预应力锚杆最优锚固力的确定：

边坡安全系数K根据边坡安全等级的规定取1.25，锚杆与结构面交线IO夹角ω₀＝9.5°，根据式(7)求得边坡最优锚固力T₀为：

第六步：任意水平方位角锚杆锚固力修正系数与最低锚固力的确定：

根据实际需要，当锚杆水平方位角与结构面交线IO夹角ω＝12°时，根据式(17)求得修正系数ζ为：

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种双滑移面岩体边坡锚固优化参数的测定方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1：对岩体边坡进行现场勘查与测绘，确定边坡空间几何要素和物理力学参数；

步骤2：对岩体边坡稳定性做初步判定，确定岩体边坡的稳定性系数，判定岩体边坡的稳定性；

步骤3：根据锚杆布设角度和边坡空间几何要素，确定锚固后岩体边坡的稳定性系数；

步骤4：根据锚固后岩体边坡的稳定性系数，确定锚杆最优入射锚固方位角；

步骤5：根据步骤4，得出锚杆的最优锚固力；

步骤6：根据锚杆的实际锚固力，确定锚杆处于任意水平方位角的锚固力修正系数，并得出锚杆的最低锚固力。

2.如权利要求1所述的测定方法，其特征是，所述步骤1的具体步骤为：

对岩体边坡进行现场勘查与测绘，确定边坡结构面以及岩层的产状；对边坡岩石进行采样并进行直剪实验，确定岩体边坡的粘聚力c、内摩擦角以及岩体重度γ。

3.如权利要求1所述的测定方法，其特征是，所述步骤2中初步判定岩体边坡稳定性的步骤为：

运用极射赤平投影法确定边坡结构面的交线倾角α，根据边坡结构面投影圆弧交点与坡面的位置，判定岩体边坡的稳定性状态。

4.如权利要求3所述的测定方法，其特征是，所述步骤2岩体边坡的稳定性状态判定方法为：

当交点位于自然边坡面的投影大圆外侧，判定边坡处于较不稳定状态；

当交点与边坡投影弧在同一侧，处于开挖边坡和自然边坡投影弧之间，判定边坡处于不稳定状态。

5.如权利要求1所述的测定方法，其特征是，所述步骤2中判定岩体边坡稳定性的步骤为：

根据边坡安全等级规定，取得安全系数K；

当岩体边坡的稳定性系数F≥K时，判定边坡处于稳定状态，不需要对边坡采取支护加固措施；当F＜K时，判定边坡处于不稳定状态，需要对边坡采取支护加固措施。

6.如权利要求1所述的测定方法，其特征是，所述步骤3的具体步骤为：

根据锚杆的入射角θ和边坡结构面的交线倾角α，得到锚杆与边坡结构面交线法线的夹角β，进一步得到锚杆的有效锚固力T'，根据楔形体的受力情况，得到锚固后岩体边坡的稳定性系数。

7.如权利要求1所述的测定方法，其特征是，所述步骤4的具体步骤为：

由锚杆与边坡结构面交线的夹角为ω，将锚固后岩体边坡的稳定性系数对ω求导，在锚固后岩体边坡的稳定性系数取最大值时，可得锚杆最优入射锚固方位角ω₀。

8.如权利要求1所述的测定方法，其特征是，所述步骤5的具体步骤为：

根据边坡安全等级规定，取得安全系数K；将锚杆与边坡结构面交线的夹角ω取值为锚杆最优入射锚固方位角，得出锚杆的最优锚固力。

9.如权利要求1所述的测定方法，其特征是，所述步骤6中确定锚固力修正系数的步骤为：

根据实际工程需要，由锚杆与边坡结构面交线的夹角ω，得出锚杆的实际锚固力T，由实际锚固力T与最优锚固力之比得到锚固力修正系数。

10.如权利要求9所述的测定方法，其特征是，所述步骤6的得出最低锚固力的步骤为：

由锚固力修正系数，得出锚杆处于任意水平方位角时，锚杆的最低锚固力为锚固力修正系数与最优锚固力的乘积。