考虑随机横向节理的反倾层状边坡倾倒破坏分析.pdf

第 卷 第 期 年 月人 民 长 江.收稿日期:基金项目:国家自然科学基金青年项目()河南省自然科学基金项目()河南省重点研发与推广专项(科技攻关)项目()作者简介:屈 新男讲师博士主要从事岩体变形破坏数值模拟及边坡稳定性分析等方面的研究工作 :.通信作者:徐兴倩男副教授博士主要从事滑坡地质结构特征探测及稳定性评价等方面的研究工作 :.文章编号:()引用本文:屈新王世新徐兴倩等.考虑随机横向节理的反倾层状边坡倾倒破坏分析.人民长江():.考虑随机横向节理的反倾层状边坡倾倒破坏分析屈新王 世 新徐 兴 倩陈 上 元(.安阳工学院 土木与建筑工程学院河南 安阳 .云南农业大学 水利学院云南 昆明)摘要:实际边坡工程中横向节理极其发育且节理位置分布随机节理长度也各不相同随机横向节理对反倾向层状边坡倾倒破坏的影响规律尚不清楚 为此通过计算机随机生成了横向节理的位置系数和长度系数来表征横向节理的随机特性建立随机横向节理反倾向层状边坡模型 应用该模型探讨边坡发生倾倒破坏的启动条件和破坏机理并基于极限平衡理论确定岩层的破坏模式和破坏位置 以皖南山区的典型反倾向层状板岩边坡为研究对象分析横向节理位置和横向节理长度对边坡倾倒破坏的影响规律 结果表明:无论横向节理如何分布岩层(从坡脚至坡顶)发生破坏所需的层间力总是先增大后减小当横向节理位置或者横向节理长度发生改变时潜在破坏岩层的层间力也随之发生改变且其数值随横向节理长度的增加而明显减小当横向节理位置和横向节理长度都随机改变时层间作用力曲线形状变化较大个别岩层发生破坏时所需的层间力差值较大 研究结论对反倾层状边坡倾倒破坏机理的认识与地质灾害防治有参考价值关 键 词:反倾向层状边坡 倾倒破坏 横向节理 极限平衡理论中图法分类号:文献标志码:./.引 言倾倒破坏是层状岩体边坡常见的一种破坏模式在自然边坡和工程边坡中均有发生其中在反倾向层状边坡中最为常见 尽管天然条件下反倾向边坡稳定性较好但是在降雨、坡脚开挖、地震等外在因素作用下岩层会发生弯曲倾倒变形并逐渐向坡体内部发展、延伸形成折断面进而形成滑坡 频繁发生的反倾向层状边坡失稳事故不仅严重影响工程建设而且对人们的正常生活和生命财产安全构成威胁为了解决这类工程问题大量学者对反倾向层状边坡的稳定性问题开展了研究并在其地理分布特征、岩体结构特征、发育规模、发育条件、变形演化过程、变形机制及稳定性评价等方面取得了研究成果 这些研究表明节理裂隙的发育程度对反倾向层状边坡的倾倒失稳破坏起着决定性作用 等认为当裂隙长度小于临界值时若改变裂隙长度稳定系数变化不大但改变裂隙连通率稳定系数数值变化很大当裂隙长度超过临界值时改变裂隙长度和裂隙连通率对稳定系数影响都很大 等考虑了节理间距不均匀对弯曲刚度的影响并建立了基于变形协调的抗弯倾倒破坏模型 该模型将边坡划分为自由变形区和相容变形区各个岩层的安全系数 第 期 屈 新等:考虑随机横向节理的反倾层状边坡倾倒破坏分析由弯矩计算得出其中最小系数则代表整个边坡的安全系数此外他们建议采用平均刚度法建立等厚反倾向边坡模型 杨磊利用赤平投影法、法和 法分析了考虑和不考虑岩体节理的边坡稳定性并制定了不稳定边坡的工程治理方案和防护措施 唐晖等探讨了高陡岩质边坡安全系数与裂隙产状之间的关系分析了节理倾角、倾角分散趋势、倾向、倾向分散趋势对边坡安全系数的影响 张宜杰等结合现场调查建立了有限元节理网络模型同时结合 点估计法考虑了岩体强度参数的变异性计算了边坡的稳定系数 等基于等效弱化原则建立了考虑节理裂隙的反倾向层状边坡模型探讨了节理长度对边坡稳定性的影响并发现随着节理长度的增加边坡稳定性降低边坡更容易发生浅层破坏上述研究大大完善了反倾向层状边坡弯曲倾倒破坏的理论基础并初步揭示了规则节理对反倾向边坡倾倒破坏的影响规律但鲜有考虑节理的随机特性实际边坡工程中横向节理的发育程度是反倾向层状边坡倾倒失稳破坏的一个重要因素且节理位置分布随机、节理长度也各不相同随机横向节理对反倾向边坡倾倒破坏的影响规律尚未完全清楚 为解决上述问题本文通过计算机随机生成横向节理的位置系数和长度系数来表征横向节理的随机特性建立随机横向节理反倾向层状边坡模型探讨此类边坡发生倾倒破坏的启动条件揭示边坡的破坏机理并以一处反倾向层状板岩边坡为研究对象阐明随机横向节理对反倾向层状边坡倾倒破坏的影响规律 考虑随机横向节理的反倾向层状边坡模型在反倾向层状边坡中位于岩层法线(图 中黑色粗线)上部的部分为潜在不稳定区域故本文只研究此部分岩层的力学行为 并在每个岩层顺坡向底部位置设置一条随机横向节理(图 中红色粗线)其方向与岩层层面垂直其长度为()则岩层 底部未贯通长度为 其中 为岩层 底部的节理不贯通率它等于未贯通岩层长度与完整岩层底部长度(厚度)的比值 坡脚处岩层的不贯通率 等于 通过计算机随机生成节理长度系数(节理不贯通率)()和节理位置系数()以此来表征横向节理的随机特性其中 表示岩层位于横向节理以上高度(即横向节理高度)与法线以上高度的比值 随机横向节理反倾向层状边坡模型如图 所示图中 为边坡高度 为岩层法线倾角 为岩层倾角 为边坡倾角 为岩层厚度图 随机横向节理反倾向层状边坡模型.基于反倾向层状边坡倾倒破坏方面的研究结论 采用以下几条假设来简化倾倒破坏的分析过程:临界破坏状态时所有潜在破坏岩层沿潜在破坏面处于极限平衡状态 以岩层为基本单元层间作用力简化为集中力作用点位于 处为岩层 与岩层 的接触长度 为推力线高度()()人 民 长 江 年 将式()左右两端同时除以 ()并进行整理可得 ()即 ()()只有当岩层倾角、边坡倾角与层面内摩擦角满足式()时岩层才可能发生弯曲倾倒破坏 安晓凡、谢良甫、等分别从案例统计、数值模拟和理论分析的角度证实了这一结论图 反倾向层状边坡主应力分布.需要注意的是公式()并没有考虑层间黏聚力因此公式()只适用于不考虑层间黏聚力的情形蔡俊超建议采用综合内摩擦角来分析考虑层间黏聚力的层间错动启动条件.破坏机理层间错动停止之后中上部岩层(坡肩)开始发生弯曲变形坡脚处岩层由于变形空间受限形成剧烈(剪切)挤压并产生应力集中现象 随着弯曲变形的持续增加坡脚处岩层的应力集中效应显著增大当其剪应力超过岩层的抗剪强度时坡脚岩层将剪断岩桥形成剪出口并为中上部岩层提供变形空间 中上部岩层长细比较大抗倾倒能力较差基本上都会发生弯曲倾倒变形 当其弯曲应力超过岩层的抗拉强度时岩层将(弯)折断岩桥 综上反倾向层状节理边坡的破坏应该是自有结构面拉裂或剪断岩桥导致破坏面贯通直至破坏的全过程.节理岩体的破坏位置研究表明节理岩体易沿着节理裂隙发生剪切或者拉裂破坏 但理论分析显示仅当节理裂隙发育在特定区域时岩体才会在节理处破坏否则岩体会在其他位置发生破坏 本文将节理岩体的破坏位置简化为 处:横向节理处、自重极限高度处(自重极限高度是指岩层在自重作用下在非横向节理处发生破坏的极限高度)以及岩层法线处 岩层的破坏应理解为岩层在自重极限高度处或者横向节理处或者岩层法线处萌生(扩展)裂纹直到贯通整个岩层底面 节理岩体的破坏位置可按如下方法确定如图 所示当横向节理位于节理极限高度上方时(节理极限高度是指岩层在自重作用下沿横向节理位置发生破坏的极限高度)岩层在横向节理处不会发生破坏 若岩层法线上部高度小于极限高度则岩层也不会沿其法线位置发生破坏 此时需要比较岩层在横向节理和法线发生破坏时所需外力两者当中数值较小的对应的破坏位置即为岩层最可能发生破坏的位置 若岩层法线上部高度大于自重极限高度则岩层将在自重极限高度处发生破坏图 横向节理位于节理极限高度上方.如图 所示当横向节理位于节理极限高度下方、自重极限高度上方时岩层将在横向节理处发生破坏图 横向节理位于节理极限高度下方、自重极限高度上方.如图 所示当横向节理位于自重极限高度下方并且岩层法线上部高度大于极限高度时则岩层将在自重极限高度处发生破坏.岩层破坏所需的层间力当岩层位于潜在破坏面上部的高度大于自重极限高度时就有可能发生破坏 自重作用下岩层发生弯曲倾倒破坏的极限高度为 第 期 屈 新等:考虑随机横向节理的反倾层状边坡倾倒破坏分析图 横向节理位于自重极限高度下方.()()(/)()由公式()可以确定潜在破坏区域而该区域内所有岩层的破坏模式将通过如下分析确定如图 所示若岩层 沿岩桥(横向节理)发生剪切破坏则未贯通部分满足摩尔 库伦准则 即 ()式中:为切应力 为正应力 为岩层的内摩擦角为黏聚力图 岩层 发生剪切破坏的受力分析.岩层 的贯通部分(横向节理)满足库仑摩擦定律 联立式()并结合岩层 的受力分析图可得()()式中:为岩层 受到上部岩层的法向推力 为岩层 受到下部岩层的法向推力为位于破坏面上部的岩层 重力 式()中当即表示岩层 在非横向节理处发生剪切破坏时受到上部岩层的法向推力如图 所示若岩层 沿岩桥(横向节理)发生弯曲拉 裂 破 坏 则 未 贯 通 部 分 满 足 最 大 拉 应 力 理论 即()()式中:为岩层 的抗拉强度为岩层 底部未贯通部分的弯矩为岩层 的轴力图 岩层 发生弯曲拉裂破坏的受力分析.联立公式()和()并结合岩层 的受力分析图可得()()()()式中:为岩层 受到的上部岩层法向推力 为岩层 受到的下部岩层法向推力 为岩层 与岩层 的接触长度 为岩层 破坏面以上的等效重心高度 式中当 即表示岩层 在非横向节理处发生弯曲拉裂破坏时受到上部岩层的法向推力对于岩层 若 即岩层 发生剪切破坏所需的推力小于发生弯曲拉裂破坏所需要的推力这时岩层 更容易发生剪切破坏若 岩层 更容易发生弯曲拉裂破坏 算例分析选取皖南山区典型反倾向板岩边坡作为本文的工程实例研究随机横向节理对反倾向层状边坡倾倒破坏的影响 根据文献边坡的计算参数如表 所列从坡脚至坡顶对岩层进行编号并布置随机横向节理反倾向板岩边坡示意如图 所示.横向节理位置对反倾向边坡倾倒破坏的影响 横向节理长度保持不变不贯通率 取.通过计算机随机生成 组位置随机数 分别对应工况、如表 所列 种工况条件下岩层的横向节 人 民 长 江 年理高度、破坏位置(即破坏深度)、层间作用力和破坏模式如图 所示并可以得出以下结论:表 皖南板岩边坡计算参数./()/()/()/()/()/.注:为岩层总数 为岩层容重图 皖南反倾向板岩边坡示意(尺寸单位:).表 计算机随机生成的位置系数和长度系数.岩层编号工况(.)位置系数工况(.)位置系数工况(.)位置系数工况(.)位置系数工况(.)位置系数工况(.)位置系数工况工况工况位置系数不贯通率位置系数不贯通率位置系数不贯通率.注:“”表示当前的数据不参与计算()种工况条件下横向节理位置变化很大但是 号岩层的层间作用力总是先增大后减小变化趋势保持一致()对同一个岩层(号岩层)而言随着横向节理位置的变化层间作用力的大小也随之发生变化但是变化幅度较小 横向节理位置的变化对坡脚区岩层的破坏位置的影响显著但对中上部岩层的破图 工况、条件下 号岩层的横向节理高度.图 工况下、条件下 号岩层的破坏深度.图 工况、条件下 号岩层的层间力.坏位置的影响不大()种工况条件下 号岩层的破坏模式完全一致且破坏分区特性明显:坡脚区域的岩层发生剪切破坏中上部岩层发生弯曲拉裂破坏 进一步证明了岩层的破坏模式与长细比的密切相关性()种工况条件下岩层的破坏位置整体相差不大但是坡脚区岩层的破坏位置差别较大 此外当横向节理位置逐步向坡体深部移动时岩层发生破坏所需的层间力明显增大破坏位置也逐渐向坡体深部转移 第 期 屈 新等:考虑随机横向节理的反倾层状边坡倾倒破坏分析图 工况、条件下 号岩层的破坏模式及相应数量.横向节理长度对反倾向边坡倾倒破坏的影响 横向节理位置不变横向节理位置随机数 取.节工况 对应的数值 考虑 种工况横向节理不贯通率 分别为.、.、.、.分别对应工况、如表 所列 种工况条件下岩层的破坏位置、层间作用力和岩层破坏模式如图 所示可以得出以下结论图 工况、条件下 号岩层的破坏深度.()种工况条件下横向节理长度变化较大但是 号岩层的层间作用力总是先增大后减小变化趋势保持一致()对同一个岩层(号岩层)而言横向节理位置不变时随着横向节理长度的减小(不贯通率增加)破坏时需要的层间作用力也随之增大这与工程实际相吻合 并且层间力的大小随着横向节理长度不同的变化幅度较大说明横向节理长度对岩层倾倒破坏的影响较为明显()种工况条件下 号岩层的破坏模式基本上完全一致且破坏分区特性明显:发生剪切破坏的岩层集中在坡脚区发生弯曲拉裂破坏的岩层集中在图 工况、条件下 号岩层的层间力.图 工况、条件下 号岩层的破坏模式及相应数量.中上部()随着不贯通率的增大岩层的破坏位置逐步向坡体更深的位置发展岩层孕育破坏时间变长说明边坡变得愈发稳定 但是岩层发生破坏时所需的层间力变小、岩层孕育破坏深度增加说明一旦边坡形成贯通的破坏面将发生更大规模的滑坡.横向节理位置和长度对反倾向边坡倾倒破坏的影响 实际边坡工程中横向节理的位置分布随机长度也各不相同二者共同决定着反倾向层状边坡的倾倒破坏 本节研究横向节理位置和节理长度同时改变对边坡倾倒破坏的影响 通过计算机随机生成 组位置系数 和节理不贯通率 分别对应工况、如表 所列 种工况条件下岩层的破坏位置、层间作用力和岩层破坏模式如图 所示并可以得出以下结论()种工况条件下横向节理位置和节理长度变化较大但是 号岩层的层间作用力总是先增大后减小变化趋势基本保持一致 但是层间力的曲线形状发生了较大变化 个别岩层(号岩层)在 人 民 长 江 年图 工况、条件下 号岩层的破坏深度.图 工况、条件下 号岩层的层间力.图 工况、条件下 号岩层的破坏模式及相应数量.种工况条件下发生破坏所需的层间作用力差值较大()种工况条件下破坏岩层总数一致且破坏分区特性明显:发生剪切破坏的岩层集中在坡脚区中上部岩层发生弯曲拉裂破坏 但是不同破坏区的覆盖范围发生了变化:当坡脚区域的岩层的横向节理位置逐步向边坡表层上移时发生剪切破坏的岩层数目增加发生弯曲拉裂破坏的岩层数目减少即剪切破坏区扩大弯曲拉裂破坏区缩小()种工况条件下岩层的破坏位置在坡体中上部比较一致但是在坡脚区域变化较大 结 论本文通过计算机随机生成横向节理的位置系数和长度系数来表征横向节理的随机特性建立随机横向节理反倾向层状边坡模型探讨反倾向层状节理边坡的破坏启动条件和破坏机理弥补了现有研究的缺失以皖南山区的典型反倾向板岩边坡为工程实例研究了横向节理位置和横向节理长度单独变化以及两者同时变化对边坡倾倒破坏的影响得到以下结论()不管横向节理位置和横向节理长度如何变化潜在破坏岩层的层间力总是先增大后减小且破坏分区特性明显:坡脚区岩层发生剪切破坏中上部岩层发生弯曲拉裂破坏()当横向节理位置或者节理长度发生变化时层间力的大小也随之发生变化并且层间力对横向节理长度的变化更为敏感()当横向节理位置和节理长度同时改变时层间力的曲线形状发生了较大变化个别岩层发生破坏所需的层间作用力差值较大参考文献:黄润秋.世纪以来中国的大型滑坡及其发生机制.岩石力学与工程学报():.:.:.黄润秋李渝生严明.斜坡倾倒变形的工程地质分析.工程地质学报():.陆文博晏鄂川邹浩等.我国倾倒变形体发育规律研究.长江科学院院报():.邱俊任光明王云南.层状反倾 顺倾边坡倾倒变形形成条件及发育规模特征.岩土力学(增):.邹浩.西部水电工程倾倒变形体岩体质量评价体系与应用研究.武汉:中国地质大学(武汉).():.:.():.庞波.反倾薄层板岩边坡倾倒变形力学机理及演化特征研究.成都:成都理工大学.():.第 期 屈 新等:考虑随机横向节理的反倾层状边坡倾倒破坏分析 ():.():.():.杨磊.考虑节理影响的某岩质边坡稳定性分析.西安:西安建筑科技大学.唐晖钟万波姜杰.节理裂隙分布产状对高陡边坡稳定性分析的影响.工程技术研究():.张宜杰任光明常文娟等.节理岩质边坡稳定性概率分析.成都理工大学学报(自然科学版)():.():.屈新苏立君张崇磊等.基于潘家铮原理的反倾向层状边坡弯曲倾倒破坏基准面搜索算法.工程科学与技术():.:.:.安晓凡.岩质边坡多层弯曲倾倒分析方法研究.西安:西安理工大学.谢良甫.反倾层状岩质斜坡倾倒变形特征及演化机理研究.武汉:中国地质大学(武汉).():.蔡俊超.反倾岩质边坡柔性弯曲型倾倒变形全过程力学行为及稳定性研究.成都:成都理工大学.刘海军.皖南山区反倾板岩边坡倾倒变形机理研究.成都:成都理工大学.(编辑:郑 毅)(.):.().: