对于一些不重要或者工程前期缺乏试验资料的边坡,可通过经验法和工程地质类比法,初步确定岩土体的物理力学参数,以此估算边坡的稳定性和支护工程量。对于一些已经失稳或正在变形的边坡,采用反演分析法来获取岩土体的物理力学参数是一种最有效的办法,但由于此时的抗剪强度已不是常规物理意义上的抗剪强度,而是岩土体抗剪强度参数、边界条件、地下水条件等因素的综合反映,因此,在应用时应严格注意条件的相似性。同时,应考虑在工程有效期内工作条件的可能变化趋势对强度参数的影响,并适当进行调整。对于一些重要的工程边坡,尤其是在施工详图阶段,岩土体物理力学参数的选择应以试验成果,尤其是现场试验成果为基本依据,由有经验的试验、地质、设计工程师共同分析研究影响岩土体物理力学参数的主要内在因素、外部条件后综合确定。
保施高速边坡高、陡、规模巨大,边坡稳定对工程安全运行至关重要。因此,有针对性地开展了大量现场和室内试验工作(见表8-3),采用多种方法进行校验,并对一些变形失稳边坡采用反演分析法进行复核,在此基础上综合确定岩土体的物理力学参数。
采用常规方法获得岩土体的物理力学参数后,通常是试验工程师根据试验的条件和自身经验提出试验建议值,地质工程师根据试验的代表性及其经验,并考虑一定的边界条件、环境条件,在试验建议值基础上提出地质建议值,设计工程师根据工程设计和运行等情况及其经验,在地质建议值基础上确定采用值。这种做法常常会造成参数与实际形成较大的偏差,其结果可能偏于保守,也可能偏于不安全。对于复杂的岩土体边坡工程,应由有经验的试验工程师、地质工程师和设计工程师在试验成果的基础上,共同对影响岩土体物理力学参数的主导因素(如试验条件、代表性边坡失稳机制、分析方法、工作环境条件和治理手段等)进行分析,综合选择,以便使采用的参数更接近实际。
表8-3 保施高速岩石力学试验工作量一览表
1.试验条件及代表性
试验代表性是考查现场试验点和取样点的结构面、岩土体特征,以及代表潜在滑移面上结构面、岩土体性状的程度。土质类材料主要考查的是细颗粒、粗颗粒含量及其分布特征的相似程度。结构面主要考查其起伏、粗糙度、张开度、充填物性状以及泥的分布、含量等的相似程度。岩体则主要考查结构类型、风化、卸荷程度等的相似性。
试验条件是考查试验条件与边坡在正常运行期内工作环境条件的相似程度,如正应力、饱水程度、变形速率、剪切方向等,特别是正应力。根据莫尔-库仑定律,σ有效是指有效正应力,一般试验中,正应力σ 包括σ有效和σ水压力两部分,二者有一定的差异,目前只有在刚性伺服机上进行的试验可以确定有效正应力σ有效。此外,由于边坡在一般情况下,作用在潜在滑移面上的正应力比较低,尤其是边坡的浅表层稳定问题和浅层滑坡,稳定系数对c值非常敏感。大量试验表明,只是在一定正应力范围内适用。当σ有效很低时,φ值较大、c值很小(尤其是对一些软弱夹层);当σ有效很大时,τ的增加主要是由于c值的增加,而φ值略有减小。保施高速曾在σmax=13MPa时进行岩体抗剪试验,此时的c′值较σ=5~8MPa时明显增加,而φ值略有减小。
2.变形失稳模式及分析方法
不论何种变形模式,在进行定量分析时,都必须对复杂岩土体做一定程度的概化和简化模拟,依靠参数综合取值等方式进行补偿,使之形成相对接近的强度等效或变形等效计算模型进行求解,因而参数的选择与变形失稳模式、分析方法相配套便显得尤为重要。(www.daowen.com)
对有后缘拉裂面的岩质类和土质类边坡,后缘拉裂面附近位置对边坡稳定起作用的主要是岩土体结构面的抗拉强度,中部和前缘的稳定主要是摩擦强度起作用。滑移型崩塌破坏采用滑移模式进行计算时,后缘陡坡段主要是结构面或岩体的抗拉(抗剪)强度起稳定作用,而中下部主要是结构面和岩桥的摩擦强度对稳定起作用。倾倒型崩塌破坏通常有两种计算模式:①抗倾覆稳定,底面强度主要是抗压强度;②简化分析法,最终考虑沿折断面的阶梯状滑动,这种方法将破坏面简化为一般平面,分析计算时常考虑将“下阶梯”“滑梯”之间的效应,简化成爬坡角效应,对于平面型滑移模式中的阶梯滑面的简化计算也是如此。具“二元结构特征”的压缩蠕变倾倒变形破坏边坡,当简化为滑移模式进行验算时,后缘部位也是岩体(结构面)抗拉强度起作用,下部是摩擦强度起作用。因此,在进行稳定计算时,应根据变形失稳模式、分析方法及破坏面上不同部位的破坏机理,分别选择不同的强度参数。对由节理和岩体共同对边坡稳定起控制作用的节理化岩质类边坡以及存在各向异性的土质类边坡进行有限单元法分析时,岩土体的物理力学参数应根据对边坡稳定起控制作用方向的参数进行选择。数理统计分析方法在目前条件下,可根据试验成果和经验确定基本值(代替值),并分析各种影响岩土体物理力学参数的影响程度,确定最可能的变化范围(代替标准差)。
3.治理措施
治理措施宏观上可以分为排水、削坡减载、回填反压、主动支护、被动支护及固结灌浆等。削坡减载一方面因卸荷使岩土体结构变得松弛,土体饱水度增加,另一方面因正应力减小,使岩土体结构面强度降低。回填反压主要是增加荷载,对岩土体有压密固结作用,且正应力有所增加,经过一段时期后,岩土体强度有所增加。排水主要是减小土体软弱夹层的饱水度,对提高抗剪强度有利。主动支护(预应力锚索、锚杆)主动施加正应力,限制岩土体的变形。被动支护(锚洞、锚桩)由于开挖爆破影响,扰动岩土体结构,使之变得松弛,会降低岩土体的抗剪强度。固结灌浆对提高岩土体参数有利。
4.边坡环境
边坡环境主要包括区域构造稳定条件(如地震、活动断裂)、地质条件(风化、卸荷、水文地质特征)、边界条件、水文气象,施工过程中的开挖爆破、加载、卸载、开挖顺序、支护时期及运行过程中的水文地质特征、泡水(饱水)、泄洪雨雾等,均对岩土体的物理力学参数有影响。
5.流变的影响
在长期荷载作用下,岩土体(尤其是软弱夹层等)有可能产生流变效应,岩土体抗剪强度较峰值强度明显降低。
6.变形阶段
对于正在变形和已经失稳的边坡,岩土体的力学参数应取残余强度进行支护设计,对于未产生变形的边坡,可以取峰值强度进行计算。
由于边坡岩土体结构特征的复杂性,影响边坡岩土体物理力学参数的因素众多,且这些因素均处于动态变化中,因而只有在充分分析这些因素的动态变化及其对岩土体物理力学参数的影响程度下,才能使边坡岩土体物理力学参数接近实际,达到边坡稳定评价符合客观实际,治理安全可靠、经济合理的目的。
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