CN111475924B - 一种降雨诱发变形的卸荷岩质边坡稳定性分析方法 - Google Patents

Abstract

一种降雨诱发变形的卸荷岩质边坡稳定性分析方法，以确定卸荷岩质边坡所处的稳定性阶段，作为工程实际中选择防滑坡措施的基础，对于如何采取加固防护措施避免滑坡失稳灾害事故具有理论指导意义。包括以下步骤:①对待分析边坡进行勘察与测绘，确定边坡的分布范围与尺寸，采集并汇总待分析边坡的工程地质数据；②对待分析边坡进行滑动力学模型的概化与力学分析；③计算得出降雨条件下边坡上部张拉裂缝应力强度因子；④构建降雨条件下断裂角计算公式；⑤计算得出降雨条件下的稳定性系数K；⑥根据稳定性系数K，对待分析边坡的稳定性进行判别。

Description

一种降雨诱发变形的卸荷岩质边坡稳定性分析方法

技术领域

本发明涉及岩质边坡稳定性技术领域，特别涉及一种卸荷岩质边坡稳定性的分析方法。

背景技术

川藏铁路沿线存在大量的卸荷岩质边坡，边坡发生失稳破坏会对铁路和人民生命财产安全造成损害。确定边坡稳定性状态是进行边坡防治、滑坡灾害预警的重要基础和前提，因此有必要对卸荷岩质边坡的稳定性进行分析评价。

对于边坡稳定性的研究，各国学者已经提出了许多定量计算方法，如毕肖普法、杨布法、圆弧滑动法等，在边坡工程的分析评价中得到了广泛的应用。卸荷作用形成的边坡卸荷带,对边坡工程性状具有很大的影响,通常情况下,卸荷带内的卸荷裂隙会构成边坡失稳的边界条件,增大潜在破坏的可能性,因此，对卸荷岩质边坡的稳定性进行分析、研究，建立一种降雨诱发变形的卸荷岩质边坡的稳定性分析方法是有意义的。在卸荷岩质边坡中，内外动力的耦合作用致使边坡内部产生大量的卸荷裂隙，同时边坡后缘产生拉裂缝。裂隙水压力和法向力使拉裂缝宽度不断增加，切向力使拉裂缝长度不断增加。随着时间的推移，拉裂缝最终扩展至下部结构面，发生剪断破坏，造成边坡失稳。

对于现有的卸荷岩质边坡的稳定性计算方法中，研究一种降雨诱发变形的卸荷岩质边坡稳定性分析方法是很有必要的，也是具有重要的工程价值的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种降雨诱发变形的卸荷岩质边坡稳定性分析方法，以确定卸荷岩质边坡所处的稳定性阶段，作为工程实际中选择防滑坡措施的基础，对于如何采取加固防护措施避免滑坡失稳灾害事故具有理论指导意义。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下：

本发明一种降雨诱发变形的卸荷岩质边坡稳定性分析方法，包括以下步骤:

①对待分析边坡进行勘察与测绘，确定边坡的分布范围与尺寸，采集并汇总待分析边坡的工程地质数据；

②对待分析边坡进行滑动力学模型的概化与力学分析，边坡后缘拉裂缝的法向力G_x、切向力G_y、裂隙水压力P和力矩M表达如下：

G_x＝G'cos(α-β)-G”sin(α-β)

G_y＝G'sin(α-β)+G”cos(α-β)

式中，G_x为法向力，G_y为切向力，G'为蠕滑力，G”为剪切力，α为裂纹角，β为结构面倾角；

P＝γ_wz_w

式中，P为裂隙水压力，γ_w为裂隙水重度，z_w为裂隙水深度；

M＝Gs

式中，M为力矩、G为滑体重力、s为重心到裂纹尖端的水平距离；

③计算得出降雨条件下边坡上部张拉裂缝应力强度因子：

式中，T₁'为降雨条件下的Ⅰ型应力强度因子，T′₂为降雨条件下的Ⅱ型应力强度因子，α为裂纹角，z为裂隙长度，h为平均高度；

④构建降雨条件下断裂角计算公式：

式中，η为断裂角；

⑤计算得出降雨条件下的稳定性系数K：

式中，T_d为断裂韧性；

⑥根据稳定性系数K，对待分析边坡的稳定性进行判别。

本发明的有益效果是，运用严格的力学分析方法，考虑了边坡的应力、应变关系，可以分析、模拟裂缝的扩展过程；可确定卸荷岩质边坡所处的稳定性阶段，是工程实际中选择防止滑坡措施的基础，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；可用来分析结构面几何参数对边坡稳定性的影响，并能确定边坡的裂纹扩展方向和断裂角。

附图说明

图1为裂隙水压力下边坡裂缝概化模型图；

图2为裂纹尖端的受力分析图；

图3为裂纹尖端法向力和切向力图；

图4为应力强度因子叠加图。

图5为拉剪裂缝图

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明的具体实施方式做详细说明，以便于本技术领域的技术人员理解本发明。但应该清楚，下文所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。在不脱离所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，本领域普通技术人员在没有做出任何创造性劳动所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例：

本实施例以降雨条件下的卸荷岩质边坡为计算边坡，对边坡滑体进行分析，计算得出降雨条件下边坡的稳定性系数K。

在本实施例中，选取川藏铁路沿线某边坡为卸荷岩质边坡。该边坡岩体内不同类型的构造结构面发育，河谷切割作用后，地应力释放导致边坡在坡顶浅表范围内形成卸荷裂隙。降雨条件下卸荷岩质边坡的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，确定边坡的范围与尺寸，采集并汇总分析边坡的工程地质数据。其中，所述工程地质数据包括地质地貌数据和岩土物理与力学性能数据。经现场调查和综合分析，本实施例中边坡整体发育晚三叠世黑云母二长花岗岩，边坡上部有一条近乎垂直的拉裂缝。根据现场勘察所得结果，边坡滑体体积V约为128×45m³，拉裂缝长度z为68.5m，裂隙水深度z_w为20m，平均高度h为108m，重心到裂纹尖端的水平距离s为2.3m，裂纹角α为77°，结构面倾角β为25°，断裂韧性T_d为1.8MPa m^1/2，由巴西圆盘试验测得。花岗岩重度γ为 16.1kN/m³，黏聚力c1为5570kPa，内摩擦角φ1为43.74°，裂缝面的黏聚力c₂为110kPa，内摩擦角φ2为29.2°。

②参见图1，降雨条件下地表水和地下水入渗上部张拉裂缝产生裂隙水压力，减少应力积累破坏时间，对待分析边坡的潜在滑体进行受力分析。取裂纹尖端为力的作用点进行受力分析，参见图2，滑体重力、裂隙水压力和力矩的表达式为：

G＝γV (1)

P＝γ_wz_w (2)

M＝Gs (3)

式中，G为滑体重力，kN；γ为岩石重度，kN/m³；V为滑体体积， m³；γ_w为裂隙水重度，kN/m³；z_w为裂隙水深度，m；P为裂隙水压力， kN/m²；M为力矩，kN·m；s为重心到裂纹尖端的水平距离，m。

根据①，将工程地质数据代入公式(1)、(2)、(3)可得，G约为 9.3×10⁴kN，P为196.2kN/m²，M约为2.1×10⁵kN·m。

参见图3，受力为：

G'＝Gcosβ (4)

G”＝Gsinβ (5)

G_x＝G'cos(α-β)-G”sin(α-β) (6)

G_y＝G'sin(α-β)+G”cos(α-β) (7)

式中，G_x为法向力，kN；G_y为切向力，kN；G'为蠕滑力，kN； G”为剪切力，kN；α为裂纹角，°；β为结构面倾角，°。

根据步骤1)及上述计算结果，将数据代入公式(4)-(7)可得，G_x约为2.2×10⁴kN，G_y约为9.0×10⁴kN。

③参见图4，按照强度因子叠加法对裂纹尖端进行受力分解，裂纹尖端应力强度因子可表示为：

其中：

式中，T₁₁为拉应力应力强度因子，MPa m^1/2；T₁₂为切向力应力强度因子，MPa m^1/2；T₁₃为弯矩应力强度因子，MPa m^1/2；σ为拉伸应力， MPa；τ为剪切应力，MPa；z为裂隙长度，m；h为平均高度，m；σ_max为最大拉应力，MPa。

对于边坡上部张拉裂缝的应力强度因子，叠加如式(14)和式(15) 所示：

T₁＝T₁₁+T₁₃ (14)

T₂＝T₂₂ (15)

式中，T₁为Ⅰ型应力强度因子，MPa m^1/2；T₂为Ⅱ型应力强度因子， MPa m^1/2。

根据式(1)-(15)，得出边坡上部张拉裂缝应力强度因子如式(16) 和(17)所示：

根据步骤①及上述计算结果，将数据代入公式(8)-(17)可得，T₁约为0.311，T₂约为0.829。

降雨条件下Ⅰ型应力强度因子发生变化,Ⅱ型应力强度因子不变，定义一个系数k，则：

T₁'＝kT₁ (18)

T′₂＝T₂ (19)

式中，

T₁'为降雨条件下的Ⅰ型应力强度因子，MPa m^1/2；T′₂为降雨条件下的Ⅱ型应力强度因子，MPa m^1/2。

根据上述计算结果，将数据代入公式(18)、(19)可得T₁'约为0.312， T′₂为0.829。

④根据步骤③所得的降雨条件下的应力强度因子，参见图5，构建降雨条件下断裂角计算公式：

式中，η为断裂角，°。

根据步骤3)，将数据代入公式(20)可得η约为-63.6°。

⑤岩石的断裂韧性为T_d，通过巴西圆盘试验测得，降雨条件下的复合应力强度因子T_f如式(21)所示，边坡稳定性系数K的计算公式见式(22)：

式中，T_f为复合应力强度因子，MPa m^1/2。

根据步骤④，将数据代入公式(21)可得T_f约为1.12。

根据式(21)和(22)可知，降雨条件下的边坡稳定性系数如式(23) 所示：

根据步骤④及上述计算结果，将数据代入公式(22)、(23)可得K 约为1.61。

⑥根据步骤⑤，降雨条件下该计算边坡稳定性系数K为1.61，据《水利水电工程边坡设计规范》，暴雨工况下边坡安全系数为1.18，边坡稳定性系数大于边坡安全系数，则该计算边坡处于稳定状态。

需要说明的是，本实施例从降雨诱发变形边坡失稳出发，以地表水和地下水入渗上部张拉裂缝产生的裂隙水压力作为启动力，对卸荷岩质边坡的潜在失稳块体进行受力分析，计算裂隙水压力下的应力强度因子，并用巴西圆盘试验测出岩石的断裂韧性，据此求出边坡处于裂隙水压力下的稳定性系数。相比其他计算手段，该分析方法计算得出的稳定性系数可靠，且能判断裂纹扩展方向和断裂角，并可分析结构面几何参数对边坡稳定性的影响及变化规律。

Claims (2)

1.一种降雨诱发变形的卸荷岩质边坡稳定性分析方法 ，包括以下步骤:

①对待分析边坡进行勘察与测绘，确定边坡的分布范围与尺寸，采集并汇总待分析边坡的工程地质数据；

②对待分析边坡进行滑动力学模型的概化与力学分析，边坡后缘拉裂缝的法向力G_x、切向力G_y、裂隙水压力P和力矩M表达如下：

G_x＝G'cos(α-β)-G”sin(α-β)

G_y＝G'sin(α-β)+G”cos(α-β)

式中，G_x为法向力，G_y为切向力，G'为蠕滑力，G”为剪切力，α为裂纹角，β为结构面倾角；

P＝γ_wz_w

式中，P为裂隙水压力，γ_w为裂隙水重度，z_w为裂隙水深度；

M＝Gs

式中，M为力矩、G为滑体重力、s为重心到裂纹尖端的水平距离；

③计算得出降雨条件下边坡上部张拉裂缝应力强度因子：

式中，T′₁为降雨条件下的Ⅰ型应力强度因子，T′₂为降雨条件下的Ⅱ型应力强度因子，α为裂纹角，z为裂隙长度，h为平均高度；

④构建降雨条件下断裂角计算公式：

式中，η为断裂角；

⑤计算得出降雨条件下的稳定性系数K：

式中，T_d为断裂韧性；

⑥根据稳定性系数K，对待分析边坡的稳定性进行判别。

2.如权利要求1所述一种降雨诱发变形的卸荷岩质边坡稳定性分析方法，其特征是：步骤①中，所述工程地质数据包括地质地貌数据和岩土物理与力学性能数据。

Images