CN108867666B - 基于开挖变形的结构面控制边坡稳定性评价方法 - Google Patents

基于开挖变形的结构面控制边坡稳定性评价方法 Download PDF

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Abstract

发明提供一种基于开挖变形的结构面控制边坡稳定性评价方法。该方法包括对待评价结构面控制边坡进行滑坡调查、对待评价边坡的潜在滑体进行受力分析、构建待评价结构面控制边坡潜在滑体滑动位移模型和计算得到潜在滑体的位移过程曲线等步骤。该方法结合现场变形监测资料，可对结构面控制边坡的实时稳定性状态进行动态判别。根据滑体计算位移的收敛性，可对结构面控制岩质边坡的长期稳定性进行一定的预测。

Description

基于开挖变形的结构面控制边坡稳定性评价方法
技术领域
本发明涉及地质灾害预测预报技术领域，特别涉及一种坡体滑动位移的建模方法。
背景技术
岩质高边坡失稳问题无论是时间上还是空间上，分布都十分广泛。自滑坡问题开始研究以来，各国学者均集中于边坡稳定性的分析与评价，同时提出了许多定量计算方法，如圆弧滑动法、瑞典法、毕肖普法等，在边坡工程的设计施工中得到了广泛的应用。实际工程当中，通常采用边坡稳定性安全系数作为边坡工程设计施工的控制条件，而边坡位移(包括侧向和竖向变形)的监控则是保证边坡稳定的关键。目前边坡的现场监测也是边坡稳定研究、滑坡灾害预警的一种主要手段，很多研究者也提出了一系列边坡变形监测和处理的方法。然而，我国滑坡灾害的广泛分布。工程防治、机理研究、预测预报等问题亟待解决，且几乎各项工作都有赖于滑坡的监测数据来开展。现有技术中边坡变形理论计算方法主要集中于工程数值方法或根据实测值进行经验估算。这类方法可靠性较低，且与实际情况存在较大差异。
因此，建立无支护边坡坡体变形理论计算方法，提出基于该变形过程的边坡稳定性评价方法具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于开挖变形的结构面控制边坡稳定性评价方法，以解决现有技术中存在的问题。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，基于开挖变形的结构面控制边坡稳定性评价方法，包括以下步骤：
1)对待评价结构面控制边坡进行滑坡调查。
2)以开挖卸除荷载作为边坡失稳变形的启动力，对待评价边坡的潜在滑体进行受力分析。其中，潜在滑体的临空面卸除荷载如式(1)所示。潜在滑体的起始位移如式(2)所示。结构面滑动抗力如式(3)所示：
Figure GDA0002473792890000011
式中，F′为潜在滑体的临空面卸除荷载。W为潜在滑体的自重，N。β为结构面倾角，°。c为结构面黏聚力，Pa。
Figure GDA0002473792890000021
为结构面内摩擦角，°。L为结构面滑动长度，m。
Figure GDA0002473792890000022
式中，u0为起始位移，m。k为结构面剪切刚度，Pa/m。
Figure GDA0002473792890000023
式中，FR为结构面滑动抗力。u为潜在滑体的位移，m。u1为塑性流动阶段起始位移，m。
3)构建待评价结构面控制边坡的潜在滑体滑动位移模型。其中，弹性变形阶段，潜在滑体水平位移运动方程如式(4)所示。塑性剪切变形阶段，潜在滑体水平位移运动方程如式(5)所示：
Figure GDA0002473792890000024
式中，
Figure GDA0002473792890000025
m为潜在滑体的质量，kg。
Figure GDA0002473792890000026
式中，t为时间，s。t1为开始发生塑性剪切变形的起始时间，s。
4)根据步骤3)所述滑动位移模型，计算得到潜在滑体的位移过程曲线。
5)将现场变形监测资料与潜在滑体位移过程曲线进行对比分析，对待评价结构面控制边坡的位移发展趋势进行判别。
6)根据潜在滑体计算位移的收敛性，对待评价结构面控制边坡的长期稳定性进行预测。
进一步，步骤1)中所述滑坡调查包括确定滑坡区域范围，采集并汇总滑坡变形特征数据和水文及地质工程条件数据。
进一步，所述水文及地质工程条件包括地质地貌数据、岩土物理与力学性能数据、地应力数据、气象水文数据，以及边坡附近的施工作业数据。
进一步，潜在滑体的自重如式(6)所示：
Figure GDA0002473792890000031
式中，γ为潜在滑体的岩体重度，N/m3。h为张裂隙深度，m。α为待评价结构面控制边坡坡面倾角，°。
进一步，潜在滑体开始发生塑性剪切变形的起始时间t1如式(7)所示。
Figure GDA0002473792890000032
本发明的技术效果是毋庸置疑的：
A.结合现场变形监测资料，可对结构面控制边坡的实时稳定性状态进行动态判别；
B.可对结构面控制边坡所处的稳定性阶段进行确定，对于如何采取加固防护措施避免滑坡失稳灾害事故具有一定的理论指导意义；
C.可对结构面控制边坡滑体位移发展趋势进行预测，同时根据滑体计算位移的收敛性，可对结构面控制岩质边坡的长期稳定性进行一定的预测。
附图说明
图1为评价方法流程图；
图2为位移计算示意图；
图3为结构面抗力示意图；
图4为位移计算结果示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
本实施例针对目前无支护边坡变形理论计算方法缺失，根据实测值进行经验估算可靠度又较低的现状，公开一种开挖引起的结构面控制边坡稳定性评价方法，对上部危岩块体的滑动过程进行计算，以确定其稳定状态并预测其位移。
在本实施例中，选取重庆市某路堑边坡为结构面控制岩质边坡。该坡体在坡脚开挖的影响下，稳定性下降，靠近坡脚位置部分岩体发生崩滑失稳，规模约为2000m3，导致上部岩体临空形成危岩块体，坡顶卸荷带存在张裂隙。参见图1，开挖引起的结构面控制边坡稳定性评价方法包括以下步骤：
1)对待评价结构面控制边坡进行滑坡调查。确定滑坡区域范围，采集并汇总滑坡变形特征数据和水文及地质工程条件数据。其中，所述水文及地质工程条件包括地质地貌数据、岩土物理与力学性能数据、地应力数据、气象水文数据，以及边坡附近的施工作业数据。经现场调查和综合分析，本实施例中边坡上部为砂岩，下部整体为泥岩，砂岩与泥岩接触面存在软化层，滑动后的接触面可见部分剪切泥化层，厚0.02～0.03m不等，可取夹层厚度为0.025m。根据现场勘察所得结果，上部砂岩重度γ为24.2×103N/m3，基底以下砂泥岩层面天然状态下内摩擦角
Figure GDA0002473792890000041
为13.5°，黏聚力c为31.0×103Pa。此外，坡高29.0m，坡角α为45.0°，临空高度13.5m，张裂隙深度h为17.025m，结构面滑动长度29.0m，结构面倾角为15.0°，弹性变形阶段的剪切刚度取6×106Pa/m。
2)以开挖卸除荷载作为边坡失稳变形的启动力，对待评价边坡的潜在滑体进行受力分析。
参见图2，选择边坡走向单位长度的坡体进行研究，以结构面和张裂隙交点为原点，沿结构面及其法向建立坐标系，则结构面控制边坡概化为图2所示地质模型。
其中，由开挖引起的潜在滑体临空面卸除荷载通过式(1)进行计算。结构面控制边坡潜在滑体位移计算起始点由式(2)计算得到。参见图3，结构面滑动抗力计算本构模型可用式(3)计算得到。对于潜在滑体的自重可以通过式(4)计算得到：
Figure GDA0002473792890000051
式中，F′为潜在滑体的临空面卸除荷载。W为潜在滑体的自重，N。β为结构面倾角，°。c为结构面黏聚力，Pa。
Figure GDA0002473792890000052
为结构面内摩擦角，°。L为结构面滑动长度，m。
Figure GDA0002473792890000053
式中，u0为起始位移，m。k为结构面剪切刚度，Pa/m。
Figure GDA0002473792890000054
式中，FR为结构面滑动抗力。u为潜在滑体的位移，m。u1为塑性流动阶段起始位移，m。
Figure GDA0002473792890000055
式中，γ为潜在滑体的岩体重度，N/m3。h为张裂隙深度，m。α为待评价结构面控制边坡坡面倾角，°。
3)从运动学角度，构建待评价结构面控制边坡潜在滑体滑动位移模型。
对于对弹性变形阶段，由开挖引起的结构面控制边坡坡体位移控制方程由式(5)进行描述：
Figure GDA0002473792890000056
其中，
Figure GDA0002473792890000057
由初始条件
Figure GDA0002473792890000058
u|t＝0＝0，可以得到在弹性变形阶段，开挖引起的结构面控制边坡潜在滑体位移运动方程如式(6)所示。
Figure GDA0002473792890000061
对于塑性剪切变形阶段，开挖引起的结构面控制边坡潜在滑体位移运动方程如式(7)所示：
Figure GDA0002473792890000062
其中，t为时间，s。t1为开始发生塑性剪切变形的起始时间，s。m为潜在滑体的质量，kg。
根据式(6)和(7)可知，潜在滑体的水平位移如式(8)所示：
Figure GDA0002473792890000063
潜在滑体开始发生塑性剪切变形的起始时间t1如式(9)所示。
Figure GDA0002473792890000064
4)根据步骤3)所述滑动位移模型，计算得到潜在滑体的位移过程曲线。在本实施例中潜在失稳危岩体位移过程曲线如图4所示。
5)将现场变形监测资料与潜在滑体位移过程曲线进行对比分析，对待评价结构面控制边坡的位移发展趋势进行判别。
6)根据潜在滑体计算位移的收敛性，对待评价结构面控制边坡的长期稳定性进行预测。通过与勘察设计单位对危岩体的位移监测资料对比分析发现，尽管目前危岩体由于失去支撑存在顺层面滑动失稳的危险，但滑体位移最终会趋于稳定，稳定所需时间大致为2700h，最终水平位移为0.01m。
值得说明的是，本实施例从边坡开挖岩坡失稳诱发因素出发，以开挖卸除荷载作为边坡失稳变形的启动力，对典型结构面控制岩质边坡潜在失稳块体进行受力分析，建立了坡体位移运动方程，实现从坡体位移的角度对结构面控制边坡的长期稳定性进行数学描述。比较其他计算手段，此方法能够对开挖引起的岩质边坡上部潜在失稳岩体滑动位移过程进行定量描述，并且可以对其长期稳定性进行预测，结合施工现场位移监测资料，能够对边坡稳定性状态进行评价，同时可为实际工程中岩质边坡加固时间及方式的选择提供借鉴，具有一定的实用价值。在一定程度上能够较为准确地判断边坡稳定性并预测长期强度。

Claims (5)

1.基于开挖变形的结构面控制边坡稳定性评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)对待评价结构面控制边坡进行滑坡调查；
2)以开挖卸除荷载作为边坡失稳变形的启动力，对待评价边坡的潜在滑体进行受力分析；其中，潜在滑体的临空面卸除荷载如式(1)所示；潜在滑体的起始位移如式(2)所示；结构面滑动抗力如式(3)所示；
Figure FDA0002473792880000011
式中，F′为潜在滑体的临空面卸除荷载；W为潜在滑体的自重，N；β为结构面倾角，°；c为结构面黏聚力，Pa；
Figure FDA0002473792880000012
为结构面内摩擦角，°；L为结构面滑动长度，m；
Figure FDA0002473792880000013
式中，u0为起始位移，m；k为结构面剪切刚度，Pa/m；
Figure FDA0002473792880000014
式中，FR为结构面滑动抗力；u为潜在滑体的位移，m；u1为塑性流动阶段起始位移，m；
3)构建待评价结构面控制边坡的潜在滑体滑动位移模型；其中，弹性变形阶段，潜在滑体水平位移运动方程如式(4)所示；塑性剪切变形阶段，潜在滑体水平位移运动方程如式(5)所示：
Figure FDA0002473792880000015
式中，
Figure FDA0002473792880000016
m为潜在滑体的质量，kg；
Figure FDA0002473792880000017
式中，t为时间，s；t1为开始发生塑性剪切变形的起始时间，s；
4)根据步骤3)所述滑动位移模型，计算得到潜在滑体的位移过程曲线；
5)将现场变形监测资料与潜在滑体位移过程曲线进行对比分析，对待评价结构面控制边坡的位移发展趋势进行判别；
6)根据潜在滑体计算位移的收敛性，对待评价结构面控制边坡的长期稳定性进行预测。
2.根据权利要求1所述的基于开挖变形的结构面控制边坡稳定性评价方法，其特征在于：步骤1)中所述滑坡调查包括确定滑坡区域范围，采集并汇总滑坡变形特征数据和水文及地质工程条件数据。
3.根据权利要求2所述的基于开挖变形的结构面控制边坡稳定性评价方法，其特征在于：所述水文及地质工程条件包括地质地貌数据、岩土物理与力学性能数据、地应力数据、气象水文数据，以及边坡附近的施工作业数据。
4.根据权利要求1所述的基于开挖变形的结构面控制边坡稳定性评价方法，其特征在于：潜在滑体的自重如式(6)所示：
Figure FDA0002473792880000021
式中，γ为潜在滑体的岩体重度，N/m3；h为张裂隙深度，m；α为待评价结构面控制边坡坡面倾角，°。
5.根据权利要求1所述的基于开挖变形的结构面控制边坡稳定性评价方法，其特征在于，潜在滑体开始发生塑性剪切变形的起始时间t1如式(7)所示：
Figure FDA0002473792880000022
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