边坡岩体工程(共7篇)
边坡岩体工程 篇1
一、引言
瑞雷波勘探是近年来发展起来的一种新型物探测试技术, 由于瑞雷波速度与剪切波速度、岩土体动力学参数有着密切的关系, 因此在岩土工程等方面得到了广泛的应用。从方法上讲, 瑞雷波勘探有频率域观测的稳态法和时间域观测的瞬态法两种。比较而言, 瞬态法具有设备轻便、快捷、效率高等特点, 因此受到人们的普遍重视。
二、勘探基本原理与工作方法
瑞雷波勘探可根据激振方式不同, 分为瞬态瑞雷波法和稳态瑞雷波法, 两种方法基本原理相同, 仅在工作方法上有所区别。
(一) 基本原理
由弹性波理论可知, 瑞雷波存在于自由表面附近, 它是P波与SV波叠加的结果, 在其传播方向的平面内, 瑞雷波质点运动的轨迹为逆时针方向转动的椭圆, 椭圆长轴垂直于介质表面。瑞雷波传播具有以下主要特性:
1.在均匀介质中瑞雷波传播速度与振动频率无关, 即无频散现象;在非均匀介质中瑞雷波传播速度随振动频率变化, 即存在频散现象。
2.瑞雷波沿地面表层传播, 穿透深度约为一个波长, 同一波长的瑞雷波的传播特性反映了介质物理性质条件沿水平方向的变化, 不同波长的瑞雷波的传播特性反映了介质物性条件沿垂直方向的变化。
3.瑞雷波的波前面约为高度等于一个波长的圆柱体, 其能量密度衰减与传播距离r-1成正比, 振幅按r-1/2衰减, 而体波 (P波、S波) 按r-2规律的球面扩散衰减, 振幅按r-1衰减, 表明瑞雷波能量的衰减比体波慢得多。
4.瑞雷波传播速度VR比横波传播速度VS慢, 即:VP>VS>VR, 其关系式为:
式中:VR———瑞雷波传播速度;Vp———纵波传播速度;VS———横波传播速度;σ———泊松比。
瑞雷波传播的这些主要特性构成了瑞雷波勘探的理论基础, 利用这些特性可达到地质勘测的目的。
(二) 工作方法
瞬态瑞雷波法又称为频率测探, 它是在地面上人工施加一瞬间冲击力, 在地层表层产生一定频率范围的瑞雷波, 它是由多个简谐波组成, 这些简谐波叠加在一起, 并以脉冲的形式传播, 每一个谐波都以一定的相速度VR传播, VR是频率f的函数。在地面沿瑞雷波传播方向布置多道检波器进行观测, 然后对所采集数据进行频谱分析和处理, 把不同频率的瑞雷波分离出来, 得出各种频率面波相对应的速度VR和波长λR, 并绘制其频散分布曲线VR-λR (或VR-f) , 最终结合实际地质条件对频散曲线进行定性分析和定量解释。
目前, 瞬态瑞雷波勘探工作方法主要是采用单排列多道观测系统。根据振源的位置可分为单排列单边激发和单排列双边激发观测方式, 激发方式一般采用锤击、落重和炸药激振等。
为了满足勘探目的, 达到最佳勘探效果, 工作前应进行现场试验工作, 通过试验来确定观测点点距、排列检波器点距、偏移距、激发方式和仪器基本参数等, 选择最佳观测窗口, 以获得最佳观测效果。在资料分析时, 应遵循从已知到未知的原则, 要尽可能收集所需的工程地质资料, 并通过其他物探方法获取测区物性资料, 为后期资料解释和分析提供依据。
测线应根据勘探目的和要求及测区实际测试条件布置。为了使频散曲线不因观测面的条件而发生畸变, 测线应选择在观测面相对平坦的部位布置, 同一排列各检波器安置条件应基本一致。
三、工程应用实例
(一) 边坡简况与物理特性
某水电站工程两岸坝肩及边坡岩体为绢云母千枚岩, 呈层状分布, 岩体多表现为碎裂状结构。边坡岩体开挖坡度约70°, 形成新的面临空状态, 岩体有较明显的松动卸荷现象。为了确定边坡岩体卸荷深度, 为边坡锚固设计提供依据, 采用瞬态瑞雷波法探测卸荷岩体的范围。
由于边坡岩体受开挖的扰动和临空面卸荷回弹的影响, 导致临空面一定深度的岩体与其原有性状相比, 呈现为岩体破碎、卸荷裂隙发育、变形较明显, 横向各向异性突出、工程性质差别较大;在物理性质上表现为波速值和密度值的降低及泊松比的增大。
(二) 测试布置
根据物探工作目的和实际工作条件, 选择以瞬态瑞雷波勘探为主、地震法弹性波测试为辅的工作方法。沿两岸边坡不同高程的马道处布置多条瞬态瑞雷波勘探测线, 同时利用地震法进行岩体弹性波速测试。
瞬态瑞雷波勘探采用多道观测方式, 主要目的是对边坡岩体进行分层, 通过对各层波速变化情况的分析来确定岩体松动卸荷程度;地震法岩体弹性波测试采用相遇时距曲线观测系统, 其目的是建立VP-VS关系, 为确定边坡岩体松动卸荷程度评价VS指标提供参考依据。
(三) 边坡岩体结构分析
根据地质资料, 开挖后的边坡岩体多呈层状-碎裂状结构, 由于岩体中应力回弹作用, 导致岩体中风化裂隙进一步开裂, 并伴随有新的卸荷裂隙产生, 造成边坡一定深度范围岩体的二次卸荷现象, 从而形成了不稳定结构岩体。
分析认为, 松动卸荷岩体是风化作用和应力回弹作用的共同产物。根据这两种作用对边坡岩体影响程度的不同, 可将边坡岩体按深度划分为三层结构。靠近临空面的表层岩体中风化裂隙和卸荷裂隙发育, 裂隙有明显开裂现象, 岩体表现为风化、卸荷岩体;第二层随着风化作用逐渐减弱, 岩体中以应力回弹作用为主, 卸荷裂隙发育, 岩体表现为卸荷岩体或扰动卸荷岩体;第三层为原始结构岩体。这部分岩体基本上不受开挖扰动的影响, 保持着原始性状, 岩体中裂隙基本处于原始挤压状态, 无明显开裂现象, 岩体相对较完整, 为锚固的基础岩体。
由上述分析认为, 边坡岩体为风化卸荷岩体、卸荷岩体和原始结构岩体3种。各岩体中的裂隙发育程度和结构紧密程度的不同, 剪切波速度则可较明显反映出来。因此, 可采用剪切波速度来判定卸荷岩体的深度。
(四) 边坡卸荷岩体判定VS建议指标
根据边坡岩体弹性波测试资料提出完整性和风化程度评价VP建议指标, 通过对所采集的多组纵波速度VP与剪切波速度VS进行相关统计分析, 建立VP与VS相关关系, 进而换算出VS建议指标, 见表1和表2。由于两岸边坡岩体纵波速度VP和剪切速速度VS相关特性存在一定的差异, 其各岸VS建议指标略有不同。
(五) 边坡岩体剪切波速度分层与松动卸荷层厚度判定
由瞬态瑞雷波勘探资料表明, 两岸边坡岩体剪切波速度VS具较明显的波速差异, 存在较明显的分层特征, 多呈现三层结构。
根据岩体完整性和风化程度评价VS建议指标, 经测试分析, 第一层为风化、卸荷岩体, 左岸和右岸深度分别为1.1~3.5m和2.4~4.8m;第二层为卸荷岩体或扰动卸荷岩体, 左岸和右岸分别厚度为2.2~8.1m和2.9~10.3m;第三层为不受开挖扰动影响的原始状态岩体, 岩体多呈弱风化, 左岸岩体完整性较差, 右岸岩体较完整, 岩体强度有明显提高, 为边坡稳定岩体。
由上述分析可知, 第一层和第二层为受开挖扰动影响的卸荷岩体, 这部分岩体深度左岸和右岸分别为3.8~10.2m和6.3~14.7m, 是工程中稳定性较差的岩体, 需通过锚固措施来提高稳定性;第三层为不受开挖扰动影响的较稳定岩体, 可作为锚固的基础岩体。
经工程开挖揭示的地质信息, 由瞬态瑞雷波测试资料与实际工程地质情况较吻合, 为边坡岩体锚固深度技术方案的优化设计提供了依据。
四、结语
通过对该水电工程的实际应用表明, 瞬态瑞雷波勘探技术能较好地查明工程地质问题, 与孔内声波法相比具有工作方法简单、不需造孔、在开挖面上可直接进行测试、工作效率较高、资料分析较简便、成果直观等优点。
边坡岩体卸荷现象是水电工程建设中常见的工程地质问题之一, 采用瞬态瑞雷波测试方法查明边坡岩体松动、卸荷程度和厚度分布, 是便捷和行之有效的方法, 可为评价边坡岩体稳定性和边坡加固设计提供基本依据。
参考文献
[1]林尤元, 等.Kv法在判定岩体完整性中的应用[J].华南地震, 2006, 26 (2) .
[2]陈仲侯, 王兴泰, 杜世汉.工程与环境物探教程[M].北京:地质出版社, 1993.
绿春坝隧道高边坡危岩体处理 篇2
渝利铁路绿春坝隧道进口端山顶存在大量危(悬)石,隧道施工过程中存在极大的安全风险,如果不彻底地清除,会给将来铁路的运营留下风险和安全隐患。经对当地村民的调查,该区域山顶经常塌落滚石,曾发生山顶滚石砸死在山间砍柴的村民和砸坏房屋的重大安全事故,已危及下方江马公路行人及行车安全。为避免今后滚石伤人毁物事件的发生,有必要讨论在复杂环境条件下边坡危石处理技术及安全防护措施。本文从控制危石处理过程中可能出现飞石、滚石等情况的角度出发,进行优选确定施工爆破方案,重点介绍露天台阶倾斜深孔爆破技术及安全防护措施。
1 工程概况
渝利铁路绿春坝隧道洞顶危岩体整治区位于山脊上,与地面相对高差达140 m~250 m,靠绿春坝村一侧边坡上部为陡立的岩壁,坡度70°~90°,中下部为岩块掉落形成的岩堆堆积区,坡度30°~60°,坡前平缓地带集中分布有大量民房及耕地,村民背靠陡崖而居,三建中学靠山侧围墙距陡崖约300 m,靠龙河一侧为倾斜向下的山脊,坡度约45°,龙河左岸局部有少量农房及耕地;危岩体山体背后为顺层缓坡,坡度约30°~60°。江马公路从坡脚通过,沿公路布设高压线、通信电缆,公路内侧分布民房、敬老院、预制厂。地理条件及施工环境造成绿春坝危岩体整治爆破开挖及边坡防护施工危险性较大。绿春坝危岩体非爆、爆破区段划分示意图见图1。
2 施工工艺介绍
总体施工方法:沿山脊顶部散落危石及部分倒悬体采用人工清撬+劈裂机或静态非爆施工。倒悬体部分若节理、卸荷裂隙发育,则采取从倒悬体后一次性潜孔爆破将倒悬体清除,以避免机械、人员在其上部施工存在整体滑塌风险。倒悬体后坡面间大部分岩体采取小爆破控爆施工。边坡面部位采取光爆施工,以增加坡面平整度及岩体整体性。
3 爆破方案选择
从现场地形环境来看,山脚下为村庄和江马公路,分布大量民房,均距爆破点在300 m范围内,这给爆破飞石安全防护带来极大的挑战,要有效地控制爆破飞石和坡面滚石是确保施工安全和工期要求的先决条件。
3.1 爆破方式对比
3.1.1 浅眼爆破
采用SY-28型风动凿岩机钻孔,孔径42 mm,孔深2 m~5 m。1)优点:使用较灵活,换孔方便(2人可完成)。2)缺点:卡钻耗材严重,钻孔效率不高,炮孔利用率低,补炮时间多,耗时长,爆料块度大挖机难挖掘。3)安全管理:爆破频率高(约2次/d~3次/d),安全警戒避炮时间长,工效低,村民意见大难管理,飞石较多难控制,安全风险极高不可控。
3.1.2 深孔爆破
采用履带式(风动)潜孔钻机,孔径90 mm,孔深5 m~15 m。1)优点:钻孔快、效率高、耗材小、炮孔利用率高,爆量大,松动效果好,爆粒块度适中,挖掘时省力,工作效率高,炸药单耗省0.35 kg/m3。2)缺点:钻机重,移位时较费力费时(5人可完成移动)。3)安全管理:爆破频率不高约1次/周,避炮安全警戒易管理、可有效控制飞石(飞石不远)、安全风险小可控。
3.2 深孔爆破优势
深孔爆破作业主要优越性表现在:深孔具有均匀装药,各炮孔炸药微差分段起爆,具有爆破的作用力均匀,震动小,爆破量大,爆破效果好,炮孔利用率高,爆破次数减少,飞石不远,对安全警戒管理较容易。爆堆相对集中,爆破后的边坡基本没有浮石等优点。因此,采用多孔微差爆破的深孔爆破技术,改变了传统爆破方式的弊端,从根本上提高了爆破安全系数,可以有效预防和控制爆破事故的发生。
本方案重点为解决爆破飞石和坡面滚石的安全问题并处理其与施工进度指标之间的关系。通过对现场实际可操作性和经济效益等对比分析,不断地优化调整施工方案。最终采用“露天台阶倾斜深孔爆破技术”来进行组织施工。
4 爆破技术控制
4.1 台阶倾斜深孔爆破技术要点
在露天深孔的孔向有垂直深孔与倾斜深孔两种。虽然垂直深孔打钻比较方便,而垂直深孔从爆破效果看问题比较多,如:
1)易产生根底,不利装碴且导致二次爆破,增加爆破费用;2)不易于爆堆高度的控制,不利于提高采装效率;3)台阶顶部易出现突悬部分,即所谓的倒坡,不但影响第一排孔抵抗线的量测,而且雨天有坍塌的危险,直接危及机械和施工人员的安全等;4)垂直深孔不便于设计边坡成型质量的控制,因此现场采用倾斜深孔的布孔方式进行施工。
4.2 台阶构成要素
台阶构成要素主要有:台阶高度H、前排钻孔的底盘抵抗线W1、孔边距B、钻孔超深h、排距b、孔距a、孔深L(H+h)、炮孔倾角A、堵塞长度L1等。
台阶深孔倾斜爆破构成要素及技术指标如图2,表1所示。
4.3 炮孔布置形式
4.3.1 布设原则
为减轻爆破震动的影响,要确定爆破方向,改变爆破地震波传播方向,尽量使爆破主地震波传播方向朝非保护对象的方向。
4.3.2 孔位的布设
1)孔位布设通常分为单排布孔和多排布孔两种形式。当开挖工作面较长或较多、台阶高度较大、单排孔爆破能确保有一定的方量且满足装运要求时,在安全允许的条件下可采用单排布孔。
2)在工作面少、台阶高度较低、单排孔爆破的爆落方量不能满足挖掘要求时,多采用多排布孔形式。多排布孔又分为矩形和三角形(或称梅花形)两种形式。从能量均匀分布的观点看,以等边三角形布孔最为理想。
为满足施工进度指标要求(爆破开挖量在800 m3/d),通过对现场多次爆破后,最终采用三角形(梅花形)多排布孔方式施工。
4.4 钻孔机具和布孔的技术指标
1)现场采用3台简易支架式潜孔钻机和1台履带式液压潜孔钻机进行爆破眼孔的钻设。2)孔径90 mm,台阶高度按每茬炮15 m计算,爆破孔的设置孔距3 m~3.5 m,排距2.5 m;光面爆破孔距小于1.2 m,排距1.8 m。3)为了准确布孔,必须精确测出并定位两孔间的孔距、排距。确保单孔炸药量的准确性,现场采用全站仪测出精确的孔位坐标(X,Y)及孔位高差,以此计算倾斜角度和钻孔深度以及总爆破方量和炸药用量。具体是现场对每次钻孔都做到测量定位,对每个光面爆破孔放出所对应的发线方向点,在钻孔时按“四个确保”的技术要点进行严格控制,才能有效地控制坡面的成型和超欠挖,以保证爆破质量满足设计坡度(即:眼孔定位要准确、摆钻方向要正确、起钻角度(坡度)要精确、钻孔深度要明确)。
4.5 装药结构
4.5.1 连续装药结构
施工简单,但由于孔的上部不装药段(即堵塞段)较长,这一部分岩体爆破后容易出现大块,特别是台阶较高、坡面较陡、上部岩石坚硬时,大块率较高。这种装药结构适用于台阶较低、孔深小、表面岩石比较破碎或风化严重、上部抵抗线较小的深孔爆破。
4.5.2 间隔装药结构
采用间隔装药可以改善爆破质量,提高装药高度,减少孔口不装药部分的长度,降低大块率。采用间隔装药时,应该把大部分炸药装在台阶爆破阻力最大处,孔中不装药部分要选择在距台阶坡面最近之处(即抵抗线小的地方),或爆炸气体可能沿裂隙逸出的地方。
在间隔装药中,上部药包顶至孔口的垂直距离不能小于孔边距。间隔装药段不宜过多,在台阶高度小于15 m时可分2段~3段,中间不装药部分的长度为1 m~2 m,一般情况下,为了提高装药高度,进行间隔装药时分两段间隔即可,下部装药量要大于上部装药量。
在多孔爆破中,还可采用孔间交错间隔装药,即每孔间隔装药的不装药部分位置互相交错。间隔装药的中间不装药部分一般用砂、岩粉等堵塞,不用捣固,只要倒入即可,但要注意控制好堵塞段的长度。上下装药段可以用导爆索串联起来,也可以分别用两个雷管同时起爆。间隔装药的中间不装药部分也可以不堵塞,也就是空气间隔装药。
4.6 多排孔微差爆破
过去普遍使用单排孔齐发爆破,效果较差。可改成微差爆破又称毫秒爆破。它是在深孔内以毫秒级的时间间隔,按一定顺序起爆的一种起爆方法。这种方法具有降低爆破地震效应、改善破碎质量、降低炸药单耗、减小后冲、爆堆比较集中等明显优点。
若排数适宜,可有效地为后爆孔增加新的自由面、应力波的相互迭加作用和岩块之间的碰撞作用,使被爆岩体获得良好的破碎,并相应提高了炸药能量的利用率。本工程排数取3排~5排,通常取4排。排数过多,一是震动大,二是爆破效果差;排数过小,重复作业多,不经济且爆破效果相对较差。
4.7 微差时间的选取
确定合理的微差爆破间隔时间,对改善爆破效果与降低地震效应具有重要作用。在确定间隔时间时主要考虑岩石性质、布孔参数、岩体破碎和运动的特征等因素。微差间隔时间过长则可能造成先爆孔破坏后爆孔的起爆网络,微差间隔时间过短则后爆孔可能因先爆孔未形成新的自由面影响爆破质量。
根据工程中的施工经验,本工程选择毫秒非电雷管段差延时取25 ms~75 ms,最佳值为50 ms。段数有1段~17段,延期时间达2 300 ms。根据工程不同作业条件从中选取。本工程应警戒范围300 m附近有居民建(构)筑物,通过现场试验对比,为减小爆破飞石的危害,只能逐排孔起爆,且为保证足够的爆破效果,段数均控制在1段~17段。
4.8 网络设计及连接
随着开挖工程规模的不断扩大,大区多排孔微差爆破愈加显示其优越性,为保证达到良好的爆破质量,必须正确选择起爆方案。起爆方案是与深孔布置方式和起爆顺序紧密结合的,根据岩石性质、裂隙发育程度、构造特点、对爆堆要求和破碎程度等因素进行选择。现场起爆方案为梅花形布孔,排间微差起爆,见图3。
5 安全防护措施
为保证施工安全,项目部制定有严格的安全防护措施。每次爆破前均设立安全警戒,张贴“施工公告”,提示周边村民、车辆、行人配合警戒工作,同时发出警戒信号。通过对施爆区域进行划分,在施爆区域设置6个警戒点。在起爆前30 min,各警戒点均安排一名工作人员上岗执勤,警戒人员必须手持红旗和喊话筒(或口笛),以便显示标志和传达信号。设置在公路上的警戒人员要放置移动式安全警示牌,封闭警戒区域,及时疏导过往行人、车辆远离警戒区,并随时与爆破人员进行联系,报告警戒情况。在未接到解除警戒指令前,警戒人员应坚守岗位,不准非检查人员进入爆破警戒范围。每次起爆前10 min,指挥人员应与起爆点、各警戒点使用对讲机保持通讯联络,随时协调指挥施工现场人员、机械撤离危险区域外。
6 结语
通过现场对爆破技术方案的不断优化和完善,台阶倾斜深孔爆破对该工点危岩整治工程的爆破质量有了很大改善和有效控制、提高了机械设备装运效率,并取得了良好的经济和社会效益。
摘要:为消除隧道洞口上方高大边坡危岩体对隧道施工的影响,从控制危石处理过程中可能出现飞石、滚石等情况的角度出发,对施工爆破方案进行了比选,重点介绍了露天台阶倾斜深孔爆破技术及安全防护措施,以确保处理后的边坡满足铁路运营期间的稳定与安全。
关键词:高边坡,危岩体,爆破,安全防护
参考文献
[1]张新洲.高阳寨隧道高陡边坡处理[J].隧道建设,2012,32(1):115-120.
边坡岩体工程 篇3
在道路工程施工中,常需要进行路基的整体稳定性分析。影响路基边坡稳定性因素主要是边坡体自身材料的物力力学性质、边坡的形状和尺寸、边坡的工作条件和边坡的边坡的加固措施。
岩石路堑边坡的失稳,实质上是岩体受力后产生的压缩变形、剪切变形和刚性破坏的结果。构造不同的岩体,其力学特性各有差异,在岩石路堑边坡的稳定性分析中,要根据具体工程的岩体构造特性与力学性质,判别其可能的变形与破坏形式。对于均质碎裂结构岩石边坡和土质路堑边坡可能产生圆弧滑动面;存在软弱结构面的边坡可能形成直线形平面滑动面;对于层状结构岩石,且断层节理发育的边坡可能形成折线形滑动面。在进行边坡稳定性评价时,必须根据工程地质条件、已经出现的变形破坏迹象对边坡破坏形态做出准备的判断,以选定合适的评价计算方法。
2 计算模型
当边坡上的变形岩体为单一层状结构时,可按直线滑动面法分析,如图1所示。
岩体在重力产生的侧向滑动分力T等于或小于滑动面的抗滑阻力F时处于平衡,即T燮f,其稳定系数K为:
式中:G为变形岩体重力,kN;h为变形岩体在滑动面上的高度,m;ω为滑动面的倾角,(°);l为滑动面的长度,m;γ为岩体的容量,kN/m3。
由式1可以得出单一倾斜结构面所构成的直立平顶边坡,如图2所示。
岩体的极限变形体高度hv为:
当确定边坡角为β或坡率为m(m=cosβ)时,可用下式来求极限边坡高度Hmax。
当坡高为H时,则边坡保持极限稳定状态的最大边坡的坡角为:
3 工程应用
某工程线路中有一稳定边坡,边坡面同向的一组层状岩石软弱面的抗剪强φ=30°,c=50kpa,软弱面倾角ω=45°,岩石容量γ=23KN/m3,边坡率为m=0.2,验算其边坡稳定性。
(1)按极限状态计算。
在极限状态下,稳定系数。则其变体高度为
按m=0.2(即βv=78.69)求边坡高度:
(2)按稳定系数计算。
取K=1.25,则
按m=0.2计算:
若H=25.71m,则
按1:0.2坡率施工边坡,其坡高为16.16m,变形体高12.93m时,稳定系数达到1.25。当坡率为1:0.2,坡高为25.71m,变形体高为20.57m时,稳定系数只达到1(极限状态)。
4 结语
上述计算模型及工程应用实例说明,在同一结构层条件下,为了保证同一坡角,就要降低坡高以求稳定。为了减少工程量,当变形体高度一定时,必须改变坡角方向才可稳定。给定边坡高度时,求得极限变形体高度,即可获得稳定坡角。进行削坡减荷,将变形体高度减小,有利于提高变形体的抗滑稳定性。验算的边坡坡度是否稳定,取决于最小稳定系数。当时,边坡处于极限平衡状态。由于计算中存在假定条件,计算参数的取值都与实际情况存在一定的差异。为了保证边坡有足够的稳定性,通常按边坡所处的工况条件满足工程规定的安全系数要求,否则应对边坡进行支护。
摘要:本文对岩石路堑边坡的失稳做了简要分析,给出了单一结构层状结构变形岩体的计算模型和工程实例计算。
关键词:边坡,稳定性,单一层状结构,极限状态
参考文献
[1]胡毅夫,王昌衡.筑路工程学,长沙:湖南大学出版社,2005
[2]张雨化.道路勘测设计.北京:人民交通出版社,1997
边坡岩体工程 篇4
1 注浆试验现场的工程地质及水文概况
K129段岩石边坡为顺向坡, 从岩性上看基本由灰岩和部分砂岩组成, 岩层呈单斜构造, 岩层产状为:走向为40°~60°, 倾向为310°~330°, 倾角在38°~46°之间, 其走向与路线方向, 倾向与坡向基本一致。岩层厚度为0.5 m~1.5 m, 层间隙面光滑, 有少量黏土质或岩屑充填, 隙宽1 mm~2 mm。边坡表层发育着的节理主要有两组, 其产状分别为:走向75°, 倾向SE, 倾角60°~70°;走向350°、倾向SW, 倾角70°~75°, 呈X形组合, 前者隙面粗糙, 隙宽1 mm~2 mm, 无充填物, 具微张特征;后者隙面光滑, 隙宽2 mm~4 mm, 黏土充填, 延伸距离大于前者, 延伸长在几米到几十米之间, 但经坡面开挖揭露发现, 局部由于爆破或削坡作用出现大裂隙。
2 锚管注浆试验研究
2.1 主要的仪器设备
主要的设备有:YT-24型钻机1台;BWT-8Y液压注浆泵1台, 其最大输出压力为8 MPa;压力表两个, 其最大量程为0 MPa~4 MPa;立式水泥搅拌机1台, 其搅浆能力为167 L/min~250 L/min;水泥浆输送和回浆管各一根;自制钢接头一个;JMDL-2110A智能数码位移计一个。
2.2 注浆试验工艺
首先搭好施工平台, 然后采用YT-24凿岩机进行钻进, 开孔直径为40 mm, 孔深为4 m~6 m, 水平角为20°, 孔隙偏差按规定不超过1%, 其孔位布置图如图1所示。
2.3 试验流程
试验流程见图2。
2.4 注浆中注浆压力的控制方法
在进浆管、回浆管及注浆锚管之间有一自制钢接头连接, 上面附有压力表和两个流量控制开关, 一个控制进浆管的流量, 一个控制回浆管的流量。通过控制开关来调节流量的大小达到调节压力的目的。
2.5 注浆中地表位移监测及注入率的确定方法
事先将观察孔打入地层8 m深 (比注浆孔要深) , 在孔中插入长铁管 (10 m) , 将铁管下半部固紧以作为不动点, 然后在铁管露出坡面部分安一根横向钢管, 横向钢管升到注浆孔位置附近, 再安装JMDL2110智能数码位移计进行监测, 防止岩层发生过大的抬动。注入率的确定方法:每1 min测量浆液搅拌机 (双层:上层搅浆, 下层可以储浆) 中液面下降的高度1次, 再由液面下降的高度乘以圆形搅拌机截面积得到每分钟的注入量即注入率。
2.6 注浆实验结果分析
图3~图5是注浆中得出的一系列关系:
1) 从图3和图4可以看到, 图5中由于其裂隙和其中存在黏土质或其他充填物形成了封闭空间, 随着注入量的不断增加, 其浆液在有限空间中的填满, 其注入难度会不断增大, 而其可提供的最大注入压力不能超越临界扩散压力, 所以造成注入率同注浆压力呈下降趋势, 而图中看出恰好有明显的反比关系;同样在图4中可以看到同一注浆压力下, 其注入率随时间呈明显的线性减小。在图5中可以看到在注浆压力达到1.7 MPa时, 注入率和压力突然发生变化 (智能位移计没有大的变化) , 注入率增大, 而注浆压力减小, 这主要是由于较高的注浆压力劈开裂隙形成新的渗流通道所致[3]。
2) 注浆扩散范围具有不规则性:由于岩石层理间裂隙中存在不同的充填情况, 而造成水泥浆在扩散过程中各个方向遇到不同阻力从而出现扩散的不规则性。在实验一区I4孔注浆中, 中间检查孔没有出现冒浆, 而在与I4孔相隔4 m的地方一表面裂隙中出现大的冒浆。从表面裂隙渗出的水泥浆进行封堵情况中发现, 水泥浆并没有沿着其孔周围的所有裂隙进行渗透, 还有部分裂隙中没有水泥浆进入, 因此在没有考虑岩体裂隙充填情况下, 根据孔周围的裂隙分布采用蒙特卡洛法而获得岩体裂隙注浆过程模拟还是具有较大的不准确性。
I5, I6, I7由于其孔周围可能遇上大的裂隙带而出现开始时注浆压力为0, 水泥浆液直往注浆锚管中进浆, 回浆管中没有流出, 其注入率一直保持在40 L/min左右, 经采取减小水灰比的办法没有获得效果, 最后采取让其间歇一段时间再用水泥灌注水泥砂浆的办法获得解决。
3 结语
1) 在注浆中, 虽然注浆压力的增大其注入率在不断下降, 但其注入量一直在不断增加;同时注浆压力的提高, 可以为消除扩散空间的封闭性进一步增大扩散范围和相应的提高注入量, 从而达到更好的注浆效果作准备。2) 介质充填物的存在对浆液在岩体中的渗流规律有很大的影响, 因此在模拟岩体裂隙注浆时, 不仅要调查岩体中的节理裂隙规律, 还要对其中的充填情况作进一步的调查。3) 由于注浆中, 水泥浆从表面裂隙中渗出, 影响注浆压力的进一步提高, 因此需要在注浆前, 在表面上喷射一层混凝土进行处理, 以获得更好的扩散效果。
参考文献
[1]廖树钟, 郑志钟.注浆技术在隧道围岩中的应用[J].重庆交通学院学报, 2001, 20 (2) :103-105.
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边坡岩体工程 篇5
关键词:卸荷裂隙,岩质边坡,数值模拟
岩质边坡在人工开挖和风化侵蚀下其侧向应力减弱,发生卸荷回弹,导致卸荷裂隙在岩质边坡中普遍发育[1]。这些卸荷裂隙一般是平行与坡面分布,与软弱面或岩层面相交切割边坡后往往形成危岩体,这些危岩体在地震力、重力及水压力的共同作用下有可能形成崩塌、滑坡等地质灾害,严重威胁人民群众的生命财产安全。
本文展开了卸荷裂隙对岩体边坡地震动影响的二维数值模拟研究。鉴于离散元软件UDEC可以很好地解决离散岩体的非线性动力分析问题,并已经在边坡工程、地下结构工程和采矿工程等领域上广泛的应用了[5],本文的数值模拟采用了UDEC软件。为便于边坡内不同位置地震动强度的比较,研究中定义边坡岩体中一点地震动峰值加速度aP与坡脚处地震动峰值加速度aP0之比为边坡的地震动加速度放大系数ξ(ξ=aP/aP0)。本文研究内容涉及卸荷裂隙间距及卸荷深度对岩体边坡地震动加速度放大系数空间展布的影响。
1 含卸荷裂隙边坡动力响应模拟方案
1.1 基本假定
岩质边坡动力响应所受结构面的影响,以下就是本文的研究,且遵循如下假定。
(1)应力应变关系:平面是应变状态。(2)岩石材料:各向同性材料是均匀的。(3)结构面本构关系:莫尔一库伦滑动模型。(4)入射地震波:剪切波从模型底面垂直入射。
1.2 模型工况选择
岩体中结构面的分布具有不确定性,而且其发育的规模和特征也有很大的不同,考虑现实中所有情况下岩质边坡动力响应所受结构面的影响存在着很大的困难。为了突出主要矛盾,考虑岩体边坡中卸荷裂隙发育的一般情况,本文主要采用平行于坡面的结构面来模拟卸荷裂隙。主要工况为如下。
坡面向内一定范围内,在垂直于这个坡面,我们可以布置几条平行于坡面的结构面,上部切穿坡顶面,下部截止于一条水平贯穿性结构面。我们设定,结构面刚度值为较低值,结构面抗拉强度为零。,在这种情况下,工况主要模拟岩质边坡动力响应所受卸荷带的影响。模拟中主要考虑卸荷裂隙发育密度和卸荷带深度的变化。
工况示意图如图1所示。图中:D为边坡水平长度;H为边坡高度;h为结构面与坡面交点位置高度;β为坡角;γ为结构面倾度;d为卸荷裂隙间距,1为卸荷裂隙带的高度;s为卸荷带深度,f为入射地震波频率。
模拟中主要关注结构面附近加速度放大系数等值线的分布与坡肩放大系数的量值。
1.3 模型边界条件与参数选取
为了消除截断边界对于应力波的反射效应,模型底面边界采用粘滞边界,模型两侧采用自由场边界[2]。为便于边坡内不同位置地震动强度的比较,引入本文开始定义的无量纲参数,边坡地震动加速度放大系数ξ。为了全面了解边坡各个部位的动力响应,利用程序自带的FISH语言编制了自动布置监测点的函数,记录计算过程中监测点上地震动加速度的变化过程,并自动计算每个监测点上地震动加速度的最大值。计算持续时间应该保证入射地震波传播到坡顶并发生反射叠加作用,待波场稳定后再进行加速度最大值的提取。各种工况模型参数按表1选取。
1.4 地震荷载
地面地震动过程一般以水平方向振动为主,频率成分复杂,地震动加速度主频一般在2~10Hz[3]。为了进行一般规律性研究,本次数值模拟地震动力荷载输入采用水平向简谐振动剪切波,从模型底部边界垂直入射。首先确定输入地震动加速度时程,然后对其进行积分转化成速度时程,再将其转化成应力时程从边界输入。选择加速度振幅为1m/S2、频率为5Hz的简谐水平地震动作为输入地震荷载,进行边坡地震动响应的数值模拟研究。
同一测点上地震动的位移、速度或加速度均随输入地震荷载的强度的增加而增加,三者的强弱变化一致,在边坡中的强弱分布形式相同。所以,在边坡地震响应数值模拟中可选用地震动加速度放大系数来表示边坡地震动响应强度的分布[6]。
2 卸荷裂隙对岩质边坡动力响应的影响
2.1 卸荷裂隙间距d
为了研究卸荷裂隙密度对边坡动力响应的影响,在高度为60m、坡角为60°的岩质边坡肩部设置深度s=20m、高度为1的卸荷带。在卸荷深度范围内分别按照裂隙间隔d分别为5m,10m,20m设置与坡面平行的卸荷裂隙,卸荷裂隙上端与坡顶面相交,下端截止于一条长度与卸荷深度相同的水平结构面,此水平结构面至坡顶的距离即为卸荷裂隙带高度1,1设为10m,20m,30m三种情况,从而构成在边坡肩部一定范围内卸荷节理的长度和密度变化的边坡模型。考虑到卸荷裂隙强度较低的特点,取较低的卸荷裂隙刚度值(0.01 GPa/m),我们设抗拉强度为0,与之相交的水平结构面刚度值定成(0.1 GPa/m)。
加速度放大系数等值线分布受卸荷裂隙的控制,加速度放大系数等值线分布密集;加速度放大系数等值线分布也受卸荷裂隙密度影响[4]。增大裂隙间距d,下部高上部低的现象就会在加速度放大系数出现,那么,沿着坡肩沿坡面,加速度放大系数的最大值位置也向下移动,高值圈闭在卸荷块体的下部形成。加速度放大系数与间距坡肩和加速度放大系数呈现良好的负相关性,间距越大,坡肩加速度放大系数和卸荷区内加速度放大系数越小,而且极值随裂隙间距降低的速率随间距的增加而变小。所以,裂隙越密集就决定了边坡在卸荷区的动力响应就越强烈,随之,稳定性就越差,这就印证了较完整块状结构边坡的稳定性必须比碎裂结构边坡好的这一事实。由卸荷节理越密集上部地震动加速度放大系数越大的情况可以推论,肩部发育有密集的卸荷节理带的岩体边坡更加容易发生地震崩塌灾害。
2.2 卸荷深度s的影响
在高度为60m、坡角为30°的边坡肩部设置高度为1、深度为s的卸荷节理。卸荷节理高度固定为1=10m,卸荷节理深度s设三个值,分别为10m,20m,30m,模拟研究边坡地震响应的受卸荷深度影响。
s对加速度放大系数等值线的分布也受卸荷深度的影响。加速度等值线的分布随着卸荷深度的加深而逐渐呈现与卸荷密度变化时相同的变化规律,即高值圈闭回形成,当卸荷块体下部靠近坡面的部位时。当低值圈闭在卸荷块体上部出现时,整个块体的加速度放大系数就呈现下高上低。随着卸荷深度的增加,卸荷块体内极值加速度放大系数和坡肩加速放大系数而逐渐减小,二者呈现良好的相关性。因此,卸荷深度越大,所形成的卸荷体的体积就越大,相应的响应加速度放大系数越小,卸荷体内地震动加速度放大系数上小下大的分布现象越明显,从而坡肩发生崩塌的可能性就越小。
3 结论及展望
通过数值模拟实验,得出以下结论。
(1)卸荷节理密度。
边坡肩部的地震动加速度放大系数随间距的增大而逐渐变小,卸荷块体内加速度放大系数下部高上部低的现象愈加显著。
(2)卸荷带水平深度。
卸荷带水平深度越大,所形成的危岩体体积那么也就越大,卸荷岩体的动力响应的加速度放大系数就越小,并且卸荷块体也会逐渐显现上小下大的加速度分布,边坡发生崩塌的可能性会逐渐降低。
卸荷裂隙的发育随着岩石类型、地应力作用及所处地质环境的不同呈现出不同的特性,本文仅是对平行坡面且等间距的卸荷裂隙进行了研究,不能包括所有的工况,今后还应该考虑更多影响因素的情况下开展更多的模拟研究,进一步掌握卸荷裂隙对边坡地震动响应的影响规律。
参考文献
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[3]袁从华,吴振君.平缓反倾红砂岩高陡切坡的稳定性分析[J].岩土力学,2012,33(3):79-80.
边坡岩体工程 篇6
1 关联规则的算法选择
关联规则发现的实质就是寻找数据事例集中的频繁模式, 有时这种频繁模式就是某种有潜在价值的规律或知识。根据关联规则的定义, 关联规则挖掘可以分为两步实现, 即关联规则可以分解为两个主要的子任务: 产生频繁项集和产生规则。通常, 产生频繁项集所需的计算开销远大于产生规则所需计算开销, 因此, 识别或发现所有频繁项集是关联规则发现算法的核心, 关联规则算法的区别主要在于如何找出频繁项集。
由于Apriori关联规则挖掘所处理的数据关系表中的属性皆为布尔型属性, 而边坡多点位移计监测资料都是连续的数值型属性数据, 必须对数值型数据进行处理, 转化为布尔型数据, 其方法是在不破坏数据本身分布特征的情况下将数值型属性的值域划分成若干区间, 按划分的区间将一个数值型属性分解为若干个布尔型属性。
通过K均值[8]聚类分析[9,10], 某水电站重大工程高边坡工程中位于1 720 ~1 885 m边坡范围内的测点孔口累计位移相对较大, 多点位移计统计结果如表1。
根据聚类分析的结果, 将多点位移计孔口位移, 监测时间, 监测深度和高程等数值型属性转化为布尔型属性, 最终形成如表2 所示的数据事例集, 表2 为其中前20 条记录。
2 外观变形影响因素关联挖掘
2. 1 数据准备
关联规则产生于商业中的购物篮事务分析, 关联规则是用于发现隐藏在大型数据集中令人感兴趣的联系, 所发现的联系可用关联规则的形式表示。 令I = { i1, i2, …, id} 作为购物篮数据中所有项的集合, 把T = { t1, t2, …, tN} 作为所有事务的集合。每个事务ti包含的项集都是I的子集, 0 个或多个项的集合被称为项集 ( itemset) 。项集X的支持度计数 σ ( X) 是指包含特定项集的事务个数, 可以表示为:
式 ( 1) 中, 符号|·|表示集合中元素的个数。
关联规则是形如X→Y的蕴涵表达式, 其中X、 Y是不相交的项集, X ∩ Y = Φ 。关联规则的强度可以用支持度 ( support) 和置信度 ( confidence) 来度量。支持度确定规则可以用于给定数据集的频繁程度, 而置信度确定Y在包含X的事物中出现的频繁程度。支持度 ( s) 和置信度 ( c) 定义如下:
关联规则发现就是要在给定事务集合中, 找出满足支持度大于等于minsup且置信度大于等于minconf的所有规则, 其中minsup和minconf是支持度和置信度阈值。
为建立可供关联挖掘的数据集, 可将每一次外观变形测点监测的水平位移增量作为响应量, 将对应时段内边坡的开挖、降雨和支护等作为影响因素集, 构造事例数据库。关联挖掘事例数据库中的字段有: 水平位移增量 ( mm) 、坡表开挖强度 ( m3/ d) 、 硐室开挖强度 ( m3/ d) 、降雨强度 ( mm / d) 、锚索支护强度 ( 束/d) 、锚杆支护强度 ( 根/d) 、时间 ( d) 。由于以上各字段均为连续的数值型属性, 而关联挖掘只能对布尔型数据进行挖掘, 因此需对各属性字段进行数据离散化划分, 将连续型数据转换为布尔型属性数据, 再进行关联挖掘。划分时需要考虑各数据本身的分布特征。通过对各字段连续属性数据进行统计分析, 并结合工程实际情况综合考虑后, 可拟定以下划分标准, 如表3 所示。划分后, 对应的连续型事例数据库就转换成为布尔型事例数据库, 可对布尔型事例数据库进行关联挖掘。
2. 2 关联挖掘结果
对转化为布尔型属性的事例数据集采用数据挖掘软件进行关联挖掘, 其建模和数据挖掘流程如图1 所示, 挖掘结果可采用网络节点输出, 其结果如图2 所示。图2 为各字段属性的关联网络模型, 要关注的是外观测点水平位移与其他影响因素之间的关系, 可采用单向网络输出, 其结果如图3 所示。
各影响因素与水平位移关联程度的大小可用它们之间的链接强度来衡量, 如图3 ( a) ~ ( f) , 关联强度由大到小排序依次为监测时间 ( 链接强度79) 、坡表开挖强度 ( 链接强度61) 、硐室开挖强度 ( 链接强度48) 、降雨强度 ( 链接强度39) 、锚杆支护强度 ( 链接强度38) 、锚索支护强度 ( 链接强度26) 。关联强度的大小表示了各因素对水平位移影响程度的大小, 因此对外观测点水平位移影响程度大小排序依次为监测时间、坡表开挖强度、硐室开挖强度、降雨强度、锚杆支护强度和锚索支护强度。
3 结论
岩体边坡的位移受制于诸多因素, 如何在这些关联信息中抓住主要矛盾是岩体边坡控制的重要研究内容。本文基于某水电站岩质边坡水平位移监测资料, 进行了测点孔口位移聚类分析及外观变形测点水平位移与各影响因素的关联挖掘, 得到结论如下:
( 1) 通过对影响因素集各属性字段进行数据离散化, 可将连续型数据转换为布尔型属性数据, 在此基础上可实现非布尔数据的关联挖掘。
( 2) 对岩体水平位移影响程度进行数据挖掘结果表明, 该边坡变形影响大小排序依次为监测时间、 坡表开挖强度、硐室开挖强度、降雨强度、锚杆支护强度和锚索支护强度, 该结论与现场地质判断基本一致。
( 3) 本文采用方法可反映复杂因素影响规律, 在岩土工程的监测数据深入挖掘方面有较好的应用前景。
摘要:影响高边坡岩体安全稳定性的因素较多。为了更好地研究影响边坡稳定因素的敏感性, 从边坡安全监控分析的角度对岩体边坡外观测点水平位移, 进行了影响因素聚类分析。应用Clementine软件对岩体边坡外观测点水平位移进行了影响因素关联挖掘。以开挖、降雨、时效和支护作为边坡岩体的荷载集, 以边坡岩体外观测点水平位移作为响应集, 得出对岩体水平位移影响程度大小排序依次为监测时间、坡表开挖强度、硐室开挖强度、降雨强度、锚杆支护强度和锚索支护强度的结论。根据分析结果可以在控制边坡岩体变形时抓住主要矛盾, 为监测分析和工程决策提供依据。
关键词:高边坡,安全监控,数据挖掘,关联分析
参考文献
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边坡岩体工程 篇7
岩土工程中的锚固技术是应用锚杆或锚索对岩土体进行加固, 它充分发挥岩土体自身的稳定能力, 是一种对原岩扰动小、施工速度快、安全可靠、经济有效的加固技术, 在水利水电、铁路交通、城市建设、地下工程、国防建设、采矿工程等行业中得到广泛的应用, 具有良好的经济效益和社会效益。锚固技术的发展和应用是现代岩土工程的一个重要标志。锚固技术自从产生之日起, 在应用领域就得到不断的发展和扩大, 特别是从上世纪中叶以来, 人们对锚固的力学机理、理论的认识和研究不断深入, 锚固技术的新工艺、新方法不断出现, 使得这一重要的技术得以飞速发展。目前, 锚固技术的发展正处于方兴未艾的时期, 对锚固理论的深入探讨和研究, 对推动岩土工程领域的发展有着极其重要的意义。本文利用边坡锚固技术的应用来为现有的工程服务, 研究了风化岩体边坡锚索 (杆) 的加固机理及其应力分布特征, 以期能在边坡防护中得到合理的应用[1]。
2 风化岩体边坡的特点
⑴风化残积层
该层厚度不大, 大多数地段基岩裸露, 出露覆盖层主要为第四系土层, 岩性上部主要是 (含砾) 低液限粘 (粉) 土, 褐黄色、土黄色、灰黄色等, 可塑~硬塑状, 砾质成份主要为硅化页岩角砾, 粒径0.5~2cm, 次棱角~次圆状, 含量约占25%~35%左右, 层厚0~5.85m, 分布于山坡坡脚地段。
小块石土, 灰黄绿色、紫红色, 稍湿, 稍密~中密, 成份主要为页岩, 棱角~次棱角状, 含量约占75%以上, 层厚0~13.20m, 主要分布在山坡上。卵夹石土, 灰黄绿色、紫红色, 湿, 中密, 成份主要为长石石英砂岩、页岩等, 粒径一般5~15cm, 次棱角~次圆状, 分选一般, 含漂石, 层厚0~5.7m, 分布于河流阶地下部。
⑵页岩
灰黄绿色、青灰色、灰黑色, 泥钙质胶结, 中厚层薄层状, 具硅化现象, 岩质较软, 易风化。
全风化层:岩性已全风化成碎石土组成, 层厚0~2.5m。
强风化层:节理裂隙发育, 岩芯破碎, 呈碎块状, 层厚0~2.5m。
弱风化层:节理裂隙发育, 岩石相对较硬, 钻孔岩芯较完整, 多呈柱状。
3 风化岩体的强度特性
强度很高的边坡岩石由于风化作用对其造成影响, 使其强度大大降低, 其强度特征可从以下几方面来表述。
⑴风化程度不同及风化不完全的中、粗颗粒含量是影响风化岩石抗剪强度大小的重要因素。
由上述岩性特征来看, 在风化残积土、全风化页岩中, 普遍含有小块石土和风化不完全的长石石英砂岩、页岩等, 粒径一般5~15cm。这些颗粒本身的强度变化很大, 有的可以用手捏碎, 有的用锤击才碎。
一般情况下, 粗粒含量增加时, 其抗剪强度会不同程度地增大。其原因一方面是粗粒含量增加时, 在相同的击实功能下容重增加, 颗粒之间挤得更加紧密, 要发生剪切破坏更加困难一些。另一方面, 粗粒之间的啮合作用比较强, 妨碍了试样的剪切破坏。特别是处在剪切面上的粗颗粒, 本身强度大小对试样的抗剪强度有很大影响。一些软弱的粗颗粒在剪切过程中比较容易产生剪切破坏, 甚至在固结过程中已被压碎, 对提高试样强度的作用较小。相反, 自身强度较高的粗颗粒很难产生剪切破坏, 而是沿着粗颗粒和细料的接合面剪开, 使剪切面变得起伏不平。剪力在克服这样的阻力时要消耗很大的功, 抗剪强度往往因此而增加较多。因此, 无论是容重的提高, 还是啮合作用的增强, 都是由于粗颗粒含量的增加。
⑵水饱和对风化岩体抗剪强度的影响。
在风化岩体边坡中, 风化残积土和全风化页岩中的粉粒含量一般较大, 正是由于粉粒的存在, 使得粗颗粒得以胶结。也正是其胶结作用, 浸水饱和前在粗颗粒内部还有一定联结力, 可以在某种程度上提高试样的抗剪强度, 在浸水饱和之后, 试样发生了较大的物理变化, 某些胶结物质被溶解。粗粒因软化而强度降低, 甚至在地表水的渗透作用下也能瓦解, 试样的抗剪强度也因起骨架作用的粗颗粒的消失而降低, 这对边坡的稳定性是极为不利的[4]。
4 有限元分析
本文所选取来进行分析的边坡坡面所在长条形山丘走向SN40°左右, 走向长大于1Km, 宽度230m, 山顶高程196.2m, 山脚最低标高120m左右, 高差76.2m, 自然山坡坡比1:1.16。该山丘两侧均为与山丘走向一致的冲沟低谷, 冲沟最低标高117m。路面中线高程131.2m左右, 坡面长120m, 坡面最高处高58.5m。该边坡面与岩层倾向为逆向坡, 风化岩层上厚下薄, 属于强风化的页岩边坡。
本文利用ANSYS有限元软件对开挖后的边坡的坡面进行稳定性验算, 通过验算结果了解开挖后边坡的稳定性情况。图1为边坡开挖前和开挖后的整体模型和网格划分。
模型采用D-P屈服准则。建立模型时, 先生成加固锚索所在位置的关键点和节点, 然后再根据节点建立锚索单元, 采用Beam3二维梁单元来模拟锚索, 这样可以得到锚索所受到的轴力和剪力, 整个支护结构共有12根锚索。然后再建立台阶处的关键点, 生成台阶处的网格梁单元, 根据加固设计的情况整个模型共建立了7个台阶 (如图1所示) , 因为网格梁可以看作是柔性支护结构, 所以也可以采用Beam3二维梁单元来进行模拟, 如图2所示。接下来, 再建立边坡的坡面曲线和坡体的面, 在此过程中生成开挖时需要杀死的单元的面, 这样就可以方便的通过生死单元来模拟边坡的逐级开挖的过程了[5]。
计算模型经过分台阶开挖荷载逐步释放的计算后, 可以看到在未进行任何有效的支护的情况下边坡开挖后的位移和受力情况, 图3为边坡在分台阶开挖完成之后的竖向位移图。从图中可以看出, 在开挖之后边坡有明显的向下滑动趋势, 边坡的竖向位移最大值达到7.13cm。从图中还可以清楚地看出, 如果不对开挖的边坡进行相应地支护措施, 则由于边坡的滑移还会引起了左侧路面的向上隆起, 隆起量可以达到将近20cm。
图4为边坡开挖完成之后的水平位移云图。从图中可以看出, 边坡在没有任何支护措施的情况下分台阶开挖完整个边坡会产生很大的水平位移, 最大值为21.7cm。而且由于边坡的向外滑移, 也引起了左侧边路堤的水平向位移, 最大值为10.5cm。
从图5边坡的总的位移矢量图中我们也能很清楚的看出, 边坡在没有有效的支护的情况下, 即便是分多台阶进行开挖也会对整个边坡造成很大的扰动, 使边坡产生明显的滑移。另外还可以从位移的云图中看出边坡单元的运动趋势呈圆弧状破坏。
5 边坡加固设计与稳定性分析
坡面每10m高设一台阶, 台阶宽2m, 上设截水沟。在边坡稳定性系数不足1.2的断面之间沿路线以3.5~5m间距, 沿坡面布置规格400×400mm的地梁, 每根地梁安装3根预应力锚索。第一级坡面的地梁之间浆砌片石窗式护坡, 窗内浆砌片石造景。从第二级至第三级坡面的地梁之间浆砌片石窗式护坡, 岩层内安装泄水管, 窗内坡面栽植灌木和植草。第四级至第七级坡面 (标高150m以上) 强风化层较厚, 为了防止地表水渗入岩层, 造成岩层软化, 采取先在岩层内注浆封闭透水层, 再在坡面栽植灌木和植草。其布置如表1所示[6]。
锚索材料采用高强度、低松驰钢绞线, 其技术标准为270级, 直径φ15.24mm, 极限强度为1860MPa, 每根锚索的设计张拉吨位为500KN;注浆材料为水泥浆, 水灰比为0.4~0.5, 浆体强度≥30Mpa, 注浆压力为0.5~1.0~2.0MPa[7,8]。
图6和图7分别为边坡加固后的竖向位移和水平位移云图, 在对边坡进行的相应的加固措施之后, 边坡的竖向位移有显著的减小, 边坡的竖向滑移最大值减小到了2.92cm, 左侧路面的向上隆起位移最大值也减小到了8.57cm。对边坡的水平位移而言, 加固后与加固前相比, 也可以清楚的看出, 加固后的边坡水平向位移也有很明显的减小。边坡水平位移的最大值由加固前的21.7cm减小到了6.90cm, 而且边坡左侧的路堤的水平位移最大值也由边坡加固前的10.5cm减小到了加固后的4.35cm。由这两个数据的对比我们可以清楚的看出, 边坡的滑动在加固后得到了明显的控制。
图8为加固后的边坡的总的位移矢量图, 从图中我们也能很清楚的看出, 边坡在进行了有效的支护的情况下, 整个边坡的变形得到了很好的控制。综合边坡的竖向位移和水平位移以及总的位移, 可以说这次加固就本边坡而言还是比较成功的。
对于锚索 (杆) 的具体受力情况, 我们同样在进行每步的开挖运算之后, 给出锚索在工作状态时的轴力和剪力的分布图, 如图9a和图9b所示。对于网格梁的具体受力情况, 我们同样在进行每步的开挖运算之后, 给出网格梁在工作状态时的轴力和剪力的分布图, 在本文的分析中是选用ANSYS的二维梁单元Beam3来对网格梁进行模拟分析的, 网格梁的受力情况如图9c所示。
从上图的边坡支护系统的受力情况可以清楚地看出, 锚杆对边坡的滑动起到了很好的抑制作用, 锚索 (杆) 的应力最大值为0.55MPa, 位于第9根锚杆的后端位置。从锚索 (杆) 的受力特点看, 锚索 (杆) 的受力集中在锚杆的中部, 呈现中部大, 两端小的情况。另外, 在下部的几根锚索 (杆) 的顶端, 出现了受拉的情况, 受拉的拉应力值不大。对整个边坡的稳定性没有影响。从图中还可以看出, 锚索的轴力和剪力沿锚索全长呈非线性分布, 但由于它随着岩体变形而变化, 所以要给出它的轴力和剪力的简单计算公式或实测值是很困难的[9]。文献[10]中也给出了锚杆在工作时和拉拔试验时受力的分布情况, 与本次模拟的结果比较一致, 也说明了本边坡的分析是比较符合实际的。
6 结论
本章通过对边坡的地质情况调查, 参考相关的资料, 对其边坡的情况进行了描述, 同时选取了相关的一些参数。然后通过ANSYS有限元程序对其边坡的稳定性情况进行了模拟分析, 分析边坡在开挖后的位移情况, 说明边坡处于不稳定状态。根据边坡稳定性的分析结果, 确定了预应力锚索加地格梁的加固方案, 并通过有限元方法验证了此加固方案是合理和有效的。随后又对影响边坡锚固效应和锚固支护效果的因素进行了分析研究, 并对支护系统的受力进行了分析。提出理论一些对工程有指导意义的方法和措施, 但是岩土锚固问题对于不同的工程还需要因地制宜进行合理有效的分析和评价。
摘要:本文通过对全强风化岩体高速公路高边坡的地质情况调查研究, 运用ANSYS有限元软件对边坡的稳定性情况、破坏模式进行了模拟分析, 根据分析结果和边坡具体情况, 设计采用预应力锚索加网格梁加固方案, 并对加固效果和锚索的受力情况进行了模拟分析, 分析结果证明加固效果良好。
关键词:锚杆 (索) ,破坏模式,锚固系统,影响因素,加固效果
参考文献
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