地质力学学报  2013, Vol. 19 Issue (1): 104-112
引用本文
郭彬彬, 赵卫华, 王红才, 李阿伟, 孙东生. 千灵山岩质边坡地质雷达探测及稳定性分析[J]. 地质力学学报, 2013, 19(1): 104-112.
GUO Bin-bin, ZHAO Wei-hua, WANG Hong-cai, LI A-wei, SUN Dong-sheng. GEOLOGICAL RADAR SURVEY AND STABILITY ANALYSIS OF ROCK SLOPE IN QIANLING MOUNTAIN[J]. Journal of Geomechanics, 2013, 19(1): 104-112.
千灵山岩质边坡地质雷达探测及稳定性分析
郭彬彬1,2 , 赵卫华1,2 , 王红才1,2 , 李阿伟1,2 , 孙东生1,2     
1. 国土资源部新构造运动与地质灾害重点实验室, 北京 100081;
2. 中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081
摘要:岩质高陡边坡容易产生边坡失稳、崩塌滑落等地质灾害,其稳定性分析尤为重要。以北京市丰台区千灵山岩质高陡边坡为例,根据地质雷达实测剖面分析得到的岩体内部结构及室内试验获得的岩石力学参数,建立了边坡的地质力学模型,并用有限元强度折减法对千灵山岩质高陡边坡进行稳定性分析,得到了高陡岩质边坡安全稳定系数和潜在滑动面,具有一定的实用价值。
关键词岩质高陡边坡    地质雷达探测    强度折减法    岩石力学    边坡稳定性    
GEOLOGICAL RADAR SURVEY AND STABILITY ANALYSIS OF ROCK SLOPE IN QIANLING MOUNTAIN
GUO Bin-bin1,2 , ZHAO Wei-hua1,2 , WANG Hong-cai1,2 , LI A-wei1,2 , SUN Dong-sheng1,2     
1. Key Laboratory of Neotectonic Movement and Geohazard, Ministry of Land and Resources, Beijing 100081, China;
2. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China
Abstract: Stability analysis of the high-steep rock slope focus in research and engineering sectors for a long time because it has been considered as the reason why geological disasters occurred such as slope instability and landslide. Taking the slope in Qianling Mountain in Fengtai District in Beijing as an example, parameters by rock mechanics experiment was obtained by combining with the real internal structure of rock mass which measured by geological radar. Geomechanical model of the slope has been established, and the safety factor was obtained through this model by the strength, and at the same time the whole evolutionary and the location of the critical failure surface can be found directly. Clearly, the applicability of this new method has practical value for the stability analysis of high-steep rock slopes.
Key words: high-steep rock slope    geological radar survey    strength reduction of FEM    rock mechanics    stability of slope    

如今边坡稳定已经同地震、火山并称为当今三大地质灾害源,我国在矿山开采、交通、水利水电和国防建设等重大工程中面临的边坡问题越来越多、越来越棘手。边坡失稳造成的危害更是不可小觑,如1989年云南漫湾水电站左岸坝肩流纹岩沿构造破裂面及断层发生坍塌,工程治理耗资1.2×108元,延误工期一年,损失超过10×108元。由于影响因素多且具有不确定性,很难从定量上完全掌握坡体变形的演化机理,但可以分析其稳定性,把危害降低到最低限度[1]。传统的用于土质边坡稳定性分析的滑动面搜索方法(圆弧滑动面法、条分法等)不能很好地直接应用于岩质边坡。如何评价高陡岩质边坡的稳定性,一直吸引着众多学者,他们提出了不同的数值分析方法,如块体理论、离散单元法、块体系统不连续变形分析法(DDA)、刚性元法等,来获取边坡危险滑动面和相应的安全系数[2]。本文结合地质雷达探测得到的北京市丰台区千灵山岩质高陡边坡内部结构,根据岩石试样的室内力学性质测试得到的力学参数,运用有限元强度折减法[3~5]对该岩质高陡边坡的稳定性进行了计算,得到了安全系数,同时给出了边坡的潜在滑动面。

1 边坡概况

千灵山岩质高陡边坡位于北京市丰台区王佐镇,北与门头沟相邻,西接房山区,紧靠西六环公路及京原铁路。该地区多年平均降水550 mm,集中在6—8月份。边坡位于后甫营路北侧,坡面走向近东西,倾向接近正南(见图 1)。东西长约70 m,最高处高出路面15 m,总面积约600 m2,高度自西向东逐步增高。工区属于华北平原向蒙古高原过渡的山地地带,是太行山脉与军都山脉的交汇处。从大的地质环境来看,千灵山岩质高陡边坡属于西山凹陷,主要构造形迹为褶皱[6]。边坡岩性主要为厚层灰岩,在坡顶后侧见有粉砂质泥页岩。

图 1 千灵山边坡位置图 Figure 1 The site of the slope

边坡坡面较陡,斜面角度最大处约为90°直立状,坡角最缓处大于60°;表面岩石中度风化,西部表面比较破碎而东部相对完整,在顶部可见一层碎石带,顶部及边坡后上方有较多植被;岩石的主要岩性为厚层灰岩,层理较明显。本文在边坡的东部、西部和顶部采集未风化岩样多块,进行室内岩石力学参数测试。

2 地质雷达探测

本文利用地质雷达反射法进行边坡内部结构探测。在千灵山岩质高陡边坡上共布置3条测线(见图 2),实测结果见图 3图 5。可以看出:① 在深度为40~50 cm附近反射信号比较杂乱(见图 3),说明A-A′剖面的表层岩石破碎风化比较严重;② B-B′剖面的反射信号比较“干净”,基本没有其他干扰(见图 4),说明该处岩体完整且较均质;③ C-C′剖面在1.2~1.5 m深处存在碎石层与完整岩体的分界面(见图 5),与探坑勘察基本一致。

图 2 地质雷达探测测线 Figure 2 The detection site with geological radar

图 3 A-A′剖面资料解译(250 MHz天线) Figure 3 The interpretation of the A-A′ profile

图 4 B-B′剖面资料解译(250 MHz天线) Figure 4 The interpretation of the B-B′ profile

(500 MHz天线,AB为碎石层与完整岩体的分界面) 图 5 C-C′剖面资料解译 Figure 5 The interpretation of the C-C′ profile

地质雷达探测结果显示,边坡内部无软弱面和大的裂隙,边坡岩体比较完整。根据探测结果初步推断该边坡是比较稳定的。但是为了定量研究该边坡的稳定性,还需要进行安全系数计算。

3 边坡岩体力学性质测试

为了取得边坡稳定性分析[7]所需的力学参数,笔者从现场采集新鲜岩块,参照岩石力学试验规范,进行室内岩石力学性质测试。试样为圆柱形,高径比2:1,直径50 mm,高度100 mm。端面与试样轴线的垂直度小于0.25°,两端面磨平,不平整度小于0.5%。测试在中国地质科学院地质力学研究所TAW2000岩石试验机上完成,测试结果见表 1

表 1 试验所测得的力学参数 Table 1 The mechanical tests results
4 边坡稳定性分析 4.1 强度折减法及屈服准则

本文采用有限元强度系数折减法计算边坡的安全系数。有限元强度系数折减法是将边坡介质的强度参数cΦ值同时除以一个折减系数f得到一组新的系数,输入计算机进行反复计算;当达到临界状态,发生剪切破坏滑动面时,计算将不收敛,此时的折减系数f就为边坡稳定安全系数[8~10]。计算公式如下:

$ c\prime =\frac{c}{f} $ (1)
$ \phi \prime =\text{arctan}(\frac{1}{f}\text{tan}\phi ) $ (2)

边坡安全系数计算值的大小与所用的屈服准则[11]有密切关系,即不同的屈服准则将获得不同的安全系数。折减法用ANSYS软件进行分析,而ANSYS软件采用的为外接圆D-P准则,其通用表达式为:

$ F=a{{I}_{1}}+\sqrt{{{J}_{2}}}=k $ (3)

上式中I1J2分别为应力张量的第一不变量和应力偏量的第二不变量;ak是与材料强度(即cΦ值)有关的常数,常用表达式为:

$ a=\frac{2\text{sin}\phi }{\sqrt{3}(3-\text{sin}\phi )} $ (4)
$ k=\frac{6c\text{cos}\phi }{\sqrt{3}(3-\text{sin}\phi )} $ (5)

通过变换ak的表达式可以得到不同的准则[12]

如果考虑岩石塑性变形的发展对岩石强度的影响,采用强化/软化模型和屈服准则[13],就能够对边坡稳定性进行更详细的定量评价[14~19]

4.2 边坡模型

边坡的尺寸如图 6所示,AB长为60 m,BC高度为25 m(其中坡高CG为15 m),坡角为∠DEG=85°

图 6 边坡几何模型 Figure 6 Geometric model

根据地质雷达实测剖面得到的岩体内部结构可知边坡岩体为较完整灰岩,基本没有明显的软弱面(节理或隐伏断层、溶隙孔洞等),因此边坡岩体采用均质弹塑性材料假设。模型框架进行网格划分如图 7,其中对岩体临空面附近进行网格加密[20]

图 7 边坡模型框架网格划分 Figure 7 Grid meshing division of the slope model frame

边界条件:AB底边位移约束(水平位移Ux=0,铅直位移Uy=0),AFBC边界仅约束水平位移Ux=0。

4.3 计算参数

考虑到野外岩石的节理、裂隙及风化等因素的影响,将室内岩石力学参数测试结果折减使用,具体数值见表 2

表 2 模型计算所用参数 Table 2 The parameters in model calculation
4.4 结果与讨论

本文采用强度折减法进行计算,通过不断加大强度折减系数f,可以得到一系列的位移场、应力场、塑性应变区。当折减系数f=16时,塑性应变分布如图 8所示,潜在的危险滑动面已经很明显地存在,但尚未贯通,边坡仍然稳定。

(折减系数f=16) (f=16) 图 8 岩石边坡塑性应变区 Figure 8 Plastic strain region of the slope

继续增大折减系数至f=17时,可以看到边坡塑性区贯通(见图 9),边坡失稳。在水平位移云图(见图 10)及岩石边坡的位移矢量图(见图 11)上可看到边坡的滑动方向和滑动量的分布,边坡脚处滑动量最大。图 9给出的塑性应变显示出岩质边坡在失稳时的贯通区。

(折减系数f=17) (f=17) 图 9 岩石边坡塑性应变 Figure 9 Plastic strain of the slope

(折减系数f=17) (f=17) 图 10 岩石边坡水平位移云图 Figure 10 The diagram of the horizontal displacement of the slope

(折减系数f=17) (f=17) 图 11 岩石边坡位移矢量图 Figure 11 The diagram of the displacement vector of the slope

计算表明本边坡的安全系数为17,有足够的安全储备。

5 结论

研究实践表明,地质雷达探测可以探明岩质边坡的内部结构,认识隐伏断裂、节理的数量和空间展布特点,初步评价边坡的稳定性。这是边坡进行稳定性评价的一种新技术。同时,也为边坡稳定性评价的地质建模提供了依据。

本文直接结合边坡岩样的室内试验所获取的参数进行计算,能准确反映出边坡所处的真实稳定状态,比以往算例中利用假定参数进行计算更具说服力。

用ANSYS软件和强度折减法进行边坡稳定性评价分析,可以给出安全系数、滑动面位置、应力和塑性区的分布,而且还可给出边坡的发展过程。

总体上,边坡首先在坡脚处发生塑性变形破坏,随着折减系数的加大(即降低岩石强度),塑性区向坡顶发展,直至最后贯通,形成塑性失稳,边坡即破坏失稳。因此,对边坡坡脚(部位)的加固,可以有效提高边坡的稳定性,实践意义重大。

致谢 特别感谢王连捷研究员的指导。

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