CN109033662B - 基于变形的顺层边坡开挖稳定性分析方法 - Google Patents

Abstract

发明提供基于变形的顺层边坡开挖稳定性分析方法。该方法包括勘察与测绘、以开挖卸除荷载作为边坡变形的启动力计算边坡的开挖稳定性系数和分析边坡稳定性等步骤。该方法可基于坡肩位移实时判定边坡的稳定状态，为顺层岩体滑坡的预防和治理提供有针对性的依据。

Description

基于变形的顺层边坡开挖稳定性分析方法

技术领域

本发明涉及岩土边坡稳定性技术领域，特别涉及一种顺层岩质边坡动态稳定性的分析方法。

背景技术

在工程实际中，由于边坡岩体往往具有复杂的结构面和结构体，且处于复杂的地应力场中，有许多未知的、不确定的影响因素。因此，当外界环境或内部性质发生变化时岩体边坡将表现出异常复杂的变形破坏过程，以致难以确定边坡岩体中真实的应力应变状态，采用以应力或应变表达的破坏理论也就很难反映出岩体真实的力学状态。

由于位移本身易于监测，往往可根据结构上某些特殊位置的位移大小来判定岩体结构的稳定性。因此，工程现场更注重以位移特别是某点的相对位移为依据来判断边坡工程的稳定性。为此，对层状边坡岩体结构的稳定性进行分析、研究，建立基于位移的稳定性分析方法是有意义的。

在层状岩质边坡中，顺层边坡的破坏主要表现为溃屈和剪切滑动。其中，剪切滑动是随着结构面位移的增加，边坡岩层累进性脱离底层，在锁固段岩体逐渐被剪断的发展过程中，潜在滑动面上下岩层相对位移逐步发展，最终使得边坡岩体沿潜在滑动面产生整体破坏，导致边坡完全失稳。

对于现有的顺层岩质边坡的稳定性计算方法中，研究一种基于位移的顺层岩质边坡稳定性分析方法具有重要的工程价值的。

发明内容

本发明的目的是提供基于变形的顺层边坡开挖稳定性分析方法，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，基于变形的顺层边坡开挖稳定性分析方法，包括以下步骤：

1)对待分析边坡进行勘察与测绘，确定边坡分布范围与尺寸。

2)将待分析边坡的岩层由坡顶到坡脚依次标号为1,2，……，i，……，n。

3)将边坡沿第i层岩层分界面的受力进行分解。根据岩层层面剪应力与剪位移的关系，计算得到开挖卸载引起的第i层岩层的位移Δu_i。

4)计算开挖引起的坡肩A点的位移

其中，所述坡肩A点为边坡上开挖线与坡面的交点。

5)计算得出边坡的开挖稳定性系数K。其中，

式中，u_max为边坡沿岩层层面滑动前坡肩A点允许的最大位移值。

进一步，步骤1)之后，还具有采集并汇总待分析边坡的水文地质、工程地质和变形特征数据的相关步骤。

进一步，步骤3)中，在开挖前，沿层面方向的合力为：

T_1i＝E_asinθ+W cosθ (3)

沿层面法向的合力为：

P_1i＝W sinθ-E_acosθ (4)

在开挖后，沿层面方向的合力为：

T_2i＝E₀sinθ+W cosθ (5)

沿层面法向的合力为：

P_2i＝W sinθ-E₀cosθ (6)

式中，T_1i为开挖前沿层面方向的合力，kN；P_1i为开挖前沿层面法向的合力，kN；T_2i为开挖后沿层面方向的合力，kN；P_2i为开挖后沿层面法向的合力，kN；θ为边坡外倾结构面倾角，°；E_ɑ为主动侧压力，kN；E₀为静止侧压力，kN；W为岩层的自重，kN。

本发明的技术效果是毋庸置疑的：

A.可为滑坡的预防和治理提供有针对性的依据；

B.坡肩A的位移可以通过技术手段实时监测获得，因此不同条件下边坡的稳定性系数也可实时得到，可以实现对边坡稳定状态的实时掌握；

C.由于对边坡的稳定状态可以实现实时掌握，因此可以针对边坡所处的稳定状态对边坡采取针对性的加固、治理措施，避免滑坡灾害的发生，有利于防灾减灾。

附图说明

图1为开挖前后侧压力变化示意图；

图2为岩层面受力示意图；

图3为岩层面剪应力剪位移关系图。

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：

顺层岩质边坡属于层状岩体。待分析边坡坡顶到坡脚的岩层序号依次为1，2，……，i，……，n。

本实施例公开基于变形的顺层边坡开挖稳定性分析方法。以开挖卸除荷载作为边坡变形的启动力，计算得出边坡的开挖稳定性系数K。

参见图1，顺层边坡在开挖前，处于主动侧压力状态，受到指向坡外的主动侧压力E_a。开挖后，主动侧压力变为静止侧压力E₀。这种侧压力的变化会导致边坡卸荷状态，造成一定的卸荷回弹变形，将这种变形定义为顺层边坡开挖诱发的变形。假定潜在滑动面为第i层岩层分界面。

基于变形的顺层边坡开挖稳定性分析方法包括以下步骤：

1)对待分析边坡进行勘察与测绘，确定边坡分布范围与尺寸。采集并汇总待分析边坡的水文地质、工程地质和变形特征数据。

2)根据现行《建筑边坡工程技术规范》，对于沿外倾结构面滑动的边坡，按式(1)计算主动侧压力合力。

其中：

式中，E_ai为计算点处的主动侧压力，kN；K_ai为计算点处的主动侧压力系数；β为坡顶面倾斜角度，°；θ为边坡外倾结构面倾角，°；α边坡坡面的倾斜角度，°；α₁为边坡主动侧压力破裂角，°；α₂为开挖后坡面的倾斜角度，°；δ为墙背的摩擦角，°，本实施例中取0°，此时E_a作用在水平方向；γ_i为第i层岩层的重度，kN/m³；c_si为第i层岩层分界面的粘聚力，kPa；φ_si为第i层岩层分界面的内摩擦角，°；H为坡高，m。

有多组外倾结构面的情况下，对每一组外倾结构面进行主动侧压力的计算，最终取得最大的主动侧压力作为该边坡的主动侧压力合力。

3)在开挖后，即顺层边坡开始卸载，达到静止侧压力状态，根据现行《建筑边坡工程技术规范》，通过式(4)计算静止侧压力。

式中，E_0i为计算点处的静止侧压力，kN；K_0i为计算点处的静止侧压力系数。

4)参见图2，将顺层边坡沿潜在滑动面(岩层面)受力进行分解。

在开挖前，沿层面方向的合力为：

T_1i＝E_asinθ+W cosθ (5)

沿层面法向的合力为：

P_1i＝W sinθ-E_acosθ (6)

在开挖后，沿层面方向的合力为：

T_2i＝E₀sinθ+W cosθ (7)

沿层面法向的合力为：

P_2i＝W sinθ-E₀cosθ (8)

式中，T_1i为开挖前沿层面方向的合力，kN；P_1i为开挖前沿层面法向的合力，kN；T_2i为开挖后沿层面方向的合力，kN；P_2i为开挖后沿层面法向的合力，kN；θ为边坡外倾结构面倾角，°；E_ɑ为主动侧压力，kN；E₀为静止侧压力，kN；W为岩层的自重，kN。

5)参见图3，竖向应力分别为P_1i和P_2i条件下，岩层面的剪应力剪位移关系可假定为理想弹塑性模型，G_1i和G_2i分别为剪切曲线弹性阶段的斜率。由此可知，卸载前，应力水平处于T_1i，对应的位移为u_1i，而卸载后，应力水平为T_2i，对应的位移为u_2i。那么，开挖卸载引起的该层面的变形为：

Δu_i＝u_2i-u_1i (9)

式中，△u_i为开挖卸载引起的第i层层面的变形，mm；T_1i和T_2i分别为该层面的切应力，kPa；u_1i和u_2i为T_1i和T_2i应力分布水平时的位移，mm；L_i为第i层岩层层面可滑动部分的长度，m；G_1i和G_2i分别为剪切曲线弹性阶段的斜率。

那么，开挖引起的坡肩A点的位移可通过下式进行计算：

式中，u_A ^D为开挖引起的坡肩A点的位移，mm。

假定顺层边坡沿层面滑动前，坡肩A点允许的最大位移为u_max，那么基于动态位移的稳定性系数的判别方法可通过A点的位移进行判别，如下式：

式中，u_max为坡肩A点允许的最大位移，mm。

6)根据稳定性系数K，对待分析边坡的稳定性进行判别。

Claims (2)

1.基于变形的顺层边坡开挖稳定性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对待分析边坡进行勘察与测绘，确定边坡分布范围与尺寸；

2)将待分析边坡的岩层由坡顶到坡脚依次标号为1,2，……，i，……，n；

3)将边坡沿第i层岩层分界面的受力进行分解；根据岩层层面剪应力与剪位移的关系，计算得到开挖卸载引起的第i层岩层的位移Δu_i；

在开挖前，沿层面方向的合力为：

T_1i＝E_asinθ+Wcosθ (1)

沿层面法向的合力为：

P_1i＝Wsinθ-E_acosθ (2)

在开挖后，沿层面方向的合力为：

T_2i＝E₀sinθ+Wcosθ (3)

沿层面法向的合力为：

P_2i＝Wsinθ-E₀cosθ (4)

式中，T_1i为开挖前沿层面方向的合力，kN；P_1i为开挖前沿层面法向的合力，kN；T_2i为开挖后沿层面方向的合力，kN；P_2i为开挖后沿层面法向的合力，kN；θ为岩层层面倾角，°；E_ɑ为主动侧压力，kN；E₀为静止侧压力，kN；W为岩层的自重，kN；

卸载前，应力水平为T_1i，对应的位移为u_1i，而卸载后，应力水平为T_2i，对应的位移为u_2i；开挖卸载引起的第i层岩层的位移为：

Δu_i＝u_2i-u_1i (5)

式中，△u_i为开挖卸载引起的第i层岩层的位移，mm；T_1i和T_2i分别为第i层岩层的切应力，kPa；u_1i和u_2i为T_1i和T_2i应力分布水平时的位移，mm；L_i为第i层岩层层面可滑动部分的长度，m；G_1i和G_2i分别为剪切曲线弹性阶段的斜率；τ_1i和τ_2i分别为第i层岩层的剪应力，kPa；

4)计算开挖引起的坡肩A点的位移

其中，所述坡肩A点为边坡上开挖线与坡面的交点；

式中，

为开挖引起的坡肩A点的位移，mm；Δu_i为第i层的位移，mm；n为分层数；

5)计算得出边坡的开挖稳定性系数K；其中，

式中，u_max为边坡沿岩层层面滑动前坡肩A点允许的最大位移值；K为边坡开挖稳定系数。

2.根据权利要求1所述的基于变形的顺层边坡开挖稳定性分析方法，其特征在于：步骤1)之后，还具有采集并汇总待分析边坡的水文地质、工程地质和变形特征数据的相关步骤。

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