用赤平投影进行节理岩体稳定性分析的方法.pdf

西南交通大学学报年第期用赤 平投影进行节理岩体稳定性 分析的方 法蒋爵 光摘要作者在文 方法的基础 上,提出利用投影网,采用半球投影来代替全空间赤平投影的分析方法,可使作图和 岩体 稳定性分析更为简便。问题的提出全空间赤平投影灼提 出丁,对一由几组结构面如韦理、层理切割的岩体进行稳 定性分析,提供 了一种既严 格又较方便的方法。用该方法可 以确定岩体 中由于几组结构面切割,可能形成哪些形式的结构体这些结构体 中哪些是铅直坠落、沿单滑面或双滑面滑动的滑 塌形式在岩体开挖后,如在洞 室、边坡等岩体工程中,哪些滑塌形式是在洞壁或边 坡上 出露的滑塌体以及在该岩体中如何进行洞室轴线的选择或边 坡方向和坡度阴确定等等。从而可在此墓础上,迸行岩体的稳定性分析。设某岩 体儿必结 勺面一有关数据如表所 列,根 据结构面产状画出该岩沐勺全空间赤平投影图如 图所示,结合岩体工程的边界条件便可进行稳定性分析。图全空间赤平投影图本文年月日收到。西南交通大学学报年第期岩 体 结 构面有关数 据表结构面组编号结构 面 倾 向结 构面倾”结构面摩擦系数卜一一价 牛一一一四一一卜一些卜里竺杏兰卜一一竺匕卜一兰 巨竺一一一一二竺一一一一竺一卜一一华一一一一卫全二一一里 竺 二一尸里一卜一兰一一一一些竺一卜一一竺二一一一卫吧一 尸一一】”从全空间赤平投影图的绘制过程可知,各组结构面在赤平圆内和 圆外的投影,须 按赤平圆的大小和结构面的倾角计算出代表每组结构面投影大圆的圆心和半径,再用量角器、直尺和圆规加以绘制。当结构面倾角较陡时,所绘制的投影大 圆要用较大的半径,所 占图面也大。如赤平圆半径采用,倾角为“的结构面,其投影圆半径将大到。这对作图、使用,特别在野外应用,均感不便。为此,作者提出在用全空间赤平投影进行岩体稳定性分析中,利用常用的投影网吴氏网,采用半球投影的方法来代替全空间赤平投影的方法。这样,可省去画全空 间赤平投影图的一些麻烦,使作 图和岩体稳定性分析都更为简便并且由于采用下半球 投影,在分析中,更能表明有关岩体稳定问题的某些特征。二、不同滑塌形式在赤平投影中的表示按照赤平投影的原理,是把结构面置于球心进行投影。因而由结构面切割投影球形成的各种切割锥,对球心来说均是对称的。因此,所有结构面及其在投影球 中构成的切 割锥情况,可用任一半球中的结构面和切 割锥来表示,如图所示。当有的切 割锥一部分位于下半球赤平面以下,而另一部分位于上半球赤平面以上时,如图中所示的阴影部 分,可在下半球 中用,表示见图酌。因此,全空间赤平投影中结构面和切割锥的投影情况,可用上半球或下半球赤平投影表示。赤道平面图投影球和下半球中的切割锥示意图西南交通大学学报年第期由于在全空间赤平投影分析 中,不论切 割锥的可能滑塌形式是坠落、沿单滑面滑动或双滑面滑动,其滑 动方 向均指向赤平面即水平面以下,故采用下半球投影可使岩体稳定性分析更加直 观。任下半求设影,补,对于坠落 斗刁形 成,只有如 图川为情况,即切割锥灼重 力矢量 落在切割针知、,曲咬而 之 内。而 图台所 示门切 割锥,因典重 力矢业落在曲底面之外,不能 形成坠落仁,只立 翻少针合护一讨面 戈双滑面滑 动内滑塌 沐。月叮坠阵沐切割锥重 力矢觉习赤平投影即认呀全一也必然落压组戍坠落体各结构而所 形成切剖锥曲底面 赤平设影之内,并位一于各丫八勺 而之下见图。梦落体切剖推森平投影卜图坠落体切 割锥及其赤平投影表示单滑面切 割锥,必然 位于滑动面之上图、其它结构面之下或之上这视面之倾 向寸 旨 向共它而门下盘或上盘而定,但其滑 动方向 皆为 沿尸面之倾 向。因而乌滑 面切割锥。勺赤 平投影由包括单滑 面尸之倾向在内,位于单 滑面之上的赤平投影曲边 多边 形组成见图。单滑面切瓤封主亦平毅影图单滑面切 割锥及其赤平投影表示沿双滑面滑动灼切 割锥图滑动切割锥必然 位于交线、之上,其滑 动方向为,即尸、尸二面的交 线方向。、二面 之上图下图的。当滑 动切 割谁 位于两滑面之上时,其滑 动方 向。或其 中一面 之上、另一面之位于两滑动面倾 向之间图。、而 当滑动切割锥工于一滑面 之上 另 一 面之下时,其滑动方向位 于两滑面倾西南交通大学学报年第期向之同侧盘或下盘。图、万。此外,当、指向除,、双滑面滑动的切 割锥还位于除、面外的其它面的上面外的其它面的上盘时,位于其它面的上盘如 图中指向面的上盘,故位于面的上盘,反之为其它面的下盘如图中,指 向、的下盘,图中指向,面的下盘,故位于这些面的下盘。当某一上述滑塌形式的切割锥坠落、单滑面或双滑面的一部分位于赤平面之下,而另一部分位于赤平面之上时,如图、所示的切割锥,在半球 中的报影不能构成由结构面不考虑赤平面圆周围成的封图双滑面切割锥及其赤平投影表示闭曲边多边形图中阴影了,但根据前述的投影原理,该切割锥在下半球投影中所缺部分即切割锥位于上半球那部分的投影为赤平圆内与投影区域了相对一侧的投影区域芝。因而赤平投影中投影区犷与鉴之和,为该切割 锥,十的全部投影区域。图部分位于上半球,部分位于下半球的切割锥及其赤平投影三、用赤平投影分析滑塌体稳定性的方法和步骤仍 以表所列岩体结构面的产状 为例,说明用赤平投影图进行节理岩体中滑塌体稳定性分析的方法和步骤。作下半球赤平投影,标出和如图所示,作结构面 组,、尸、。、和双滑面的滑动 方 向、丈、和的投影,标出单滑面的滑动 方向、。以及 坠落方 向。西南交通大学学报年第期。标出坠落、单滑面、双滑面滑塌体的投影如 图所 示,按前面所述滑塌形式赤平投影的表示方法,标出所有滑塌 形式直接坠落、单滑面和双滑 面的投影直接坠落投影区为单滑面投影区为、双滑面投影区为、。刚好把赤平 圆内投影区全部标完,且互不重复。确定构成滑塌体的结 构面和棱边可从投影图图中分析构成各类滑塌体结构面和相应的棱边。如直接坠落滑塌体由 结 构 面、尸。、的下盘构成,其相应的棱边为、工、又如单滑面滑塌体由结构面、的下盘和的上盘构成,其相应的棱边为,、和一因单滑面切割锥的一部分在下半球,一部分在上半球。故在图岩体结构面赤平投影上半球的棱边的投影位于切 割锥投影区相对一侧的投影区内,即,表示棱边方 向是 由 投影球心指向上。全部分析结果均列入表中。滑塌体的构 成 及稳定系数并要变为负号,以表构成滑塌 体一、。,。滑塌品落 石一裔构成滑塌体的棱边稳定系数一沉均习件、,一止竺二 竺二一兰一方同。一一下干一典井斗 牛牛伴洲当竺华竺肄 斗一一一卫姿 色竺阵二一州川引引一卜 竺竺阵 一卜生一誉阵 卜竺一目一上阵一竺斗一一鱼星一薰详一兰兰州创月州州一巴 竺一竺卜一兰些一鸯 呈一全一当咨户一巴 竺一 竺卜 一些 巨一“卜】、上一,一,“一 一”拱州一上尝一粤州一州一困一少弊一轰一二兰生生一咨牛上一竺竺一一些塑不些一一翼里卜些匕土洲咨 仓全一竺沙 一迎一三些一幕卜兰产兰一洲主目上一一一竺竺州少竺一一,动卜竺一竺三一牛土件目全洲一卜竺典 卫卫上一“卜上上一一“注“上”、“下”表示面的上盘或下盘,指向赤平面以上为一,以下为。西南文通大学学报年第期。计算各类滑塌体的稳 定系数不计凝聚力,各类滑塌体的稳定系数按下式确定直接坠落单滑面双 滑 面功。夕功下功下式中单滑面倾角双滑面交线 的倾角丫、双滑面交线 的 法线分别与、面法线的夹角。、下、均可从赤平投影图中求得,其方法和所求 得的数值见表。而 按上列各式所求得各类滑塌体的稳定系数己列入表。双 滑 面 滑塌体的、下、表涪双滑面 滑动二,二”一卫退亘应止犯己日上上一些至迷 塑资 竖竖一卜卫兰一毯逆一兰丁下、一少一坐一一卜兰六刽衍吓入一一二一一里生一厂一土一义足力一竺一业一卜里二丫洽半瓶卜一竺盛少卜上上义之止“一一一四、岩体工程稳定分析的应用按照上述分析方法和步骤,结合具体的岩体工程如边坡、洞室,便可进行节理岩体的边坡和洞室的稳定性分析以及诸如边坡方 向、坡度和洞轴方向的选择等。边坡工程如在前述的岩体中开挖铁路边坡,线路方 向的方位角为“,边坡面向北西方向,边坡坡度为即坡角“,现分析该边坡的稳定性。如图所示,虚线为边坡方位和坡度的赤平投影。从投影图中可以看出坠落体,单滑面、,双滑面、切割锥的投影均与边坡岩体的投影区相 交,故不致在边坡面上形成滑塌体,而只有单滑面、和双滑面的滑塌形式是在边坡临空面出露的滑 塌体。但从各切割锥的稳定分析得知,双滑面滑塌体的稳定 系数值为,处于稳定状态单滑面滑塌体的值为,属基本稳定仅单滑面滑塌体的值为,将会产生滑动,需要采取相应 的工程措施。西南交通大学学报年第期若将边坡坡度放缓至即坡角“,如图中虚线所示。由于边坡岩体的投影区与单滑面切割锥的投影区相交,故单滑面切割锥不会在边坡面上形成滑塌体,因而整个边坡基本上是稳定的。从 图中还可以看出,边坡走向约在北东。和北西。范 围内即结构面交点和之间,即使边坡坡度陡至“,边坡也是稳定的。图边坡岩体的稳定性分析地下 洞室如在上述岩体 中开挖隧道,当隧道轴线走 向为北西方 向图,隧道边墙岩体的投影区与单滑面切割锥、阴投影区相交,因而稳定系数远小于日刁单滑面切 割锥、不致在边墙上 出露,隧道 边墙是稳定的。如在上述岩体 中开挖的是一洞室,长轴的方向仍为北西方向,边墙虽不 会产生滑塌体,但端墙则会 出现单滑面切割锥、的滑塌体,因而端墙将是不稳定的。若视隧道或洞室顶部为一近似的水平面,用赤平投影分析洞顶的岩体稳定性则更为直观。如 图所 示赤平圆的圆周则视为水平面的洞顶投影。由于采用下半球投影,在洞顶 出露的滑塌体的投影,必然位于赤平圆之内,且不与赤平圆周相交。如图中所示的直接坠落体、单滑面和双 滑面的切割锥均为在洞顶出露的滑塌体。而其它切割锥的投影由于均与赤平圆周相交,故不致在洞顶形成滑塌体。因为直接坠落体、单滑面滑塌体的稳定系数值均远小 于,故需锚固或采用其它支护措施。而双滑面滑塌体的稳定系数为,则不需加固。在洞室稳定分析中,有所谓“冠石”的观点,即认为围岩丧失稳定 总是从某一块“冠石”开始的。由于这块“冠石”周边的抗剪强度不足 以支持其本身的重量而产生坠落、旋转或滑动,引起整个围岩逐渐丧失稳定。从图赤平投影图中可 见坠落体、单滑面和双滑面滑塌体均可形 成洞顶的“冠石”,应加 以注意。如在上述岩体 中不存在这一组结构面,即图变为图,便无直接坠落体,也不存在双滑面的滑塌体,仅单滑面这一类型的滑坦体构成该洞室洞顶的“冠石”。同理,也可对边墙、端 墙上是否出露“冠石”进行分析。云袖方询线方询图地下洞室岩体稳定性分析图地下洞室岩体稳定性分析西南交通大学学报年第期参考文献 石根华,岩体稳定分析的赤平 投影方法,中国科学,第期幻王建宇,喷锚支护原理和设计,北京,中国铁道 出版社,第一页,。