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在国民经济建设和发展中,常常会遇到裂隙岩体边坡稳定性问题。岩体是赋存于一定的地质环境,有一定的地应力,被各种结构面(裂隙面、断裂面或岩层层面)切割而成的断续体。因此,岩体在物理特性上表现为区域性、非连续性和非均质性,在力学特性上表现出强烈的非线性、各向异性、流变性及尺度效应等。另一方面岩体赋存于一种动态变化的自然环境中,其物理力学特性还受地应力、温度、化学腐蚀、水、气和施工等因素及其耦合作用的影响。另外,岩体结构复杂,断层、节理、裂隙互相切割,块体极不规则,岩坡稳定有其独特的性质,它同岩体的结构、容重和强度、边坡坡度、高度、岩坡表面和顶部所受荷载,边坡的渗水性能,地下水位的高低等有关。如何确定影响裂隙岩体边坡的稳定的主要因素,如何对边坡的稳定性做出正确合理的评价,都是边坡研究中重要课题。
本文研究工作以河南省南阳市岭南高速公路段裂隙岩体边坡工程稳定性分析和评价为背景,论述了裂隙岩体边坡稳定性分析和评价的重要性和国内外裂隙岩体边坡稳定性研究的各种方法及其以后的发展趋势,探讨了裂隙岩体稳定性分析和评价中的岩体力学参数和抗剪强度参数的取值方法,并运用随机模拟理论得到复杂地质条件和复杂地形条件下最危险的滑面,最后运用岩体结构分析和极限平衡力学分析(Sarma 法)对裂隙岩体边坡稳定性进行综合分析和评价。
通过对裂隙岩体边坡节理裂隙结构面几何参数的野外调查和统计,基于测线法和统计窗法,开展裂隙岩体结构面的统计模拟研究,以大量准确的岩体裂隙量测数据为基础,通过对结构面几何参数:产状、迹长、隙宽、间距 (密度)等的统计分析,确定对应于每一个结构面参数的概率分布,在此基础上由 Monte-Carlo 模拟法得到等效的优势结构面网络,给出直观形象的裂隙系统仿真图像,并近似的求得结构面密度、RQD、裂隙连通性等。
岩体的抗剪强度是裂隙岩体边坡稳定性分析和评价合理与否的关键指标。本论文在分析对比了试验方法、经验公式方法、反分析方法和工程类比法等方法的基础上,讨论了参数取值的方法,最后采用试验法和 Hock—Brown 计算公式对岩体的强度进行综合强度估算,得出合理的岩体计算参数。
运用随机模拟方法搜索寻找复杂地质条件下最危险滑动面的位置和形状,然后对之进行破坏概率计算分析。这一技术充分发挥了仿真模拟“大样本抽样”的优越性,有广泛逼真性、适用性和实用性,其核心是解决了复杂地形、地质条件及各种外荷载作用下,最危险滑动面的生成处理,如地下水浸润线、地形线与滑动面相交处理、条块自动划分及最危险滑动面搜索与稳定性评价。裂隙岩体结构面网络研究表明,各种产状的结构面组均可能有规律发育。但对边坡稳定最为不利的只能是那些与临空面走向近于平行的陡缓二组节理,其中陡倾组节理系A起后缘切割作用,缓倾组节理系B起滑移作用,它们才是对斜坡稳定构成威胁的“优势节理”。由A、B二组结构面组合形成潜在滑移面要“贯通”,必须有一个变形积累和应力释放过程。这个过程可能很复杂,可能伴随不同程度的“气垫效应”、“浓轴效应”、“孔压效应”、“摩擦热熔融效应”等,从而导致岩石边坡破坏形式复杂化。最危险滑动面的实际位置和组合形式仍特取决于先存的陡缓结构面组,并表现出两种“随机性”:其一是受诱发因素作用情况和程度控制,表现为最危险滑动面的“诱发因素随机性”,这可由在叠加诱发因素后经随机搜索得到:其二是受具有随机性的结构面控制,表现为最危险滑动面的“结构面组合随机性”,这可由Monte—Carlo模拟得到,即据节理组各要素统计特征,在岩石边坡内部一定空间域内对潜在滑裂面进行随机抽样得到。节理岩体边坡在滑移过程中,最危险滑动面是追踪节理系呈阶梯状发育的,并由多条不同长度、不同倾角的微小滑段首尾相接组成。滑动面随机投掷的实质是生成这些符合节理岩体网络及滑移机理实际的一条完整贯通滑面。节理岩体边坡中的陡(A)、缓(B)二组“优势节理”,其迹长和计算削面上的视倾角概率分布形式,可由岩体结构面概率网络模型取得。用C语言编制相应的程序,根据实际工程具体情况搜索了四种不同工况时最危险滑动面。岩体稳定,它是一个相对的概念,是指在一定时间内、一定的自然条件和人为因素的影响下,岩体不产生破坏性的剪切滑动、塑性变形或张裂破坏。岩体稳定性分析,目前一般多通过岩体结构分析和力学分析进行,两者互相结合,互相补充,互相验证,做出综合评价。利用岩体结构极射赤平投影法,采用(J.T.Mankland)的岩石边坡楔形破坏判断准则,判断裂隙岩体边坡失稳的方式,最后用块体力学极限平衡法(Sarma法)计算分析四种不同工况条件下裂隙岩体边坡的稳定性。