工程地质学报  2018, Vol. 26 Issue (5): 1196-1202   (#KB#)    
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  • 收稿日期:2018-04-30
  • 接受日期:2018-07-15
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    庞云铭
    钟华

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    胡巍, 柳景华, 庞云铭, 等. 2018. 基于H-B准则的各向异性边坡岩体强度参数修正研究[J]. 工程地质学报, 26(5): 1196-1202. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2018122.
    HU Wei, LIU Jinghua, PANG Yunming, et al. 2018. Correction of strength parameters for anisotropic slope rock mass based on h-b principles[J]. Journal of Engineering Geology, 26(5): 1196-1202. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2018122.

    基于H-B准则的各向异性边坡岩体强度参数修正研究
    胡巍①②, 柳景华, 庞云铭, 钟华    
    ① 长江勘测规划设计研究院有限责任公司 武汉 430010;
    ② 成都理工大学 成都 610059
    摘要:在岩质边坡的稳定性计算分析中,各向异性岩体抗剪强度参数的合理取值直接决定了分析成果的可靠性。为充分考虑岩体各向异性对边坡工程的影响,本文基于H-B强度准则,利用边坡岩体质量分类体系CSMR替代RMR,对参数mbs进行修正,并由此进一步计算得到各向异性边坡岩体的等效M-C强度参数。通过工程实例,计算比较了金沙江某水电站导流洞出口边坡在相同基岩条件、不同开挖设计方案下强度参数修正前后的边坡稳定安全系数。研究结果表明,岩体各向异性对边坡稳定性影响较大,未考虑岩体各向异性的岩体参数用于边坡稳定性计算时不能准确反映边坡的实际稳定性状态;而经过各向异性修正后,导流洞出口边坡两种设计方案下的整体稳定安全系数计算结果分别为1.11和1.70,与工程地质定性、半定量评价结果基本相符。通过本文提出的方法对边坡各向异性岩体参数进行修正,并在此基础上对边坡整体稳定性进行计算分析是可行的。
    关键词H-B强度准则    岩体各向异性    强度参数    边坡岩体质量分类    稳定性    
    CORRECTION OF STRENGTH PARAMETERS FOR ANISOTROPIC SLOPE ROCK MASS BASED ON H-B PRINCIPLES
    HU Wei①②, LIU Jinghua, PANG Yunming, ZHONG Hua    
    ① Changjiang Institute of Survey, Planning, Design and Research Co., Ltd., Wuhan 430010;
    ② Chengdu University of Technology, Chengdu 610059
    Abstract: The calculation result of stability of anisotropic rock slope is directly dependent on the value of shear strength parameters of the rock mass. In order to take the influence of rock anisotropy on slope stability into account, we use CSMR instead of RMR in the H-B strength criterion, and modify the parameters mb and s. Then, the equivalent M-C strength parameters of anisotropic rock mass can be obtained. They are combined with the calculation of the slope engineering at the exit of the diversion tunnel of a hydropower station in Jinsha River. The safety factors of the slope stability before and after the correction of the strength parameters under the same bedrock conditions and different excavation design schemes are calculated and compared. The results indicate that the stability of the slope is greatly affected by the anisotropy of rock mass. Without considering the anisotropy of rock mass, the stability of slope cannot be accurately reflected in the calculation result of slope stability. After anisotropy correction, the calculation results of slope safety factors of the two design schemes are 1.11 and 1.70 respectively, which are basically consistent with the qualitative and semi-quantitative evaluation. In summary, the method for correcting the parameters of anisotropic rock mass of slope is feasible.
    Key words: H-B strength criterion    Anisotropy of rock mass    Strength parameter    Slope mass rating    Stability    

    0 引言

    边坡稳定问题是各类工程建设中涉及的重要技术问题。边坡稳定性的准确评价不仅决定了边坡处理方案选择,更决定了边坡工程成败与安全。关于边坡稳定性的评价方法较多,实际应用中,除工程地质定性评价方法外,使用最为成熟和广泛的仍为极限平衡法,其次为数值模拟法,该两种方法也是各行业相关规程、规范等所推荐的方法(中华人民共和国电力行业标准编写组,2007中华人民共和国水利行业标准编写组,2007)。

    对于(似)层状结构等各向异性岩质边坡的稳定性分析,通常需要根据结构面产状与坡面的组合关系确定边坡地质结构类型,判断其变形破坏模式,根据破坏模式及边界条件选取相应的稳定计算方法。但当边坡的控制结构面不贯通、不发育、不明确时,无法确定边坡确定性滑移边界,其整体稳定性计算需以岩体的综合强度参数为基础。因此,对于各向异性显著岩质边坡,强度参数取值合理与否至关重要。

    岩体强度参数通常可采用现场试验、室内试验、反演分析和工程地质类比等方法,综合分析确定抗剪强度指标。在项目建设的前期研究阶段,更多的是依靠室内试验结合工程经验并参考规范进行取值。

    同时,Hoek-Brown强度准则也越来越多地应用于岩体强度参数的评价分析中(郭维祥等,2017)。Hoek-Brown强度准则自1980年提出以来(Hoek et al., 1980a, 1980b, 1997),经过近40 a发展,已被广泛认可。但广义H-B岩体强度准则的应用具有一定局限性,即该准则一般用于均质岩体分析,而不适用于各向异性明显的岩体结构。

    如何在岩体强度准则中反映各向异性对工程的影响是岩体力学始终关注的重要课题。Jaeger(1960, 1971)提出单弱面理论,其主要思想是根据加载方向对岩体材料的黏聚力进行修正;徐卫亚等(2007)应用损伤力学、节理张量理论,将岩体抗剪强度参数表达为等效正交各向异性变化的抗剪强度参数;刘东燕等(1998)研究了断续节理的各向异性对Hoek-Brown强度准则参数的影响;尹晓萌等(2017)采用室内三轴压缩试验研究了片岩的各向异性特征;Halakatevakis et al. (2010)通过数值方法分析了岩石强度和节理率对岩体强度各向异性的影响。

    对于边坡分析中层状、似层状岩体的各向异性问题,本文基于H-B强度准则,引入边坡岩体质量分类CSMR对M-C强度参数进行修正,并以修正的抗剪强度参数对边坡稳定性进行极限平衡法分析。该方法为解决岩土工程分析中的强度各向异性问题提供了新的方法和思路。

    1 各向异性对边坡稳定性的影响

    受岩土体结构特征影响,一些岩土体物理力学性质存在明显的各向异性。工程作用力的方向不同,其岩土体材料表现出的强度、变形特征也不一致。就边坡工程而言,岩体自身的抗滑力主要受到岩体内优势结构面发育特征的影响。

    图 1a图 1b所示,某一地层岩性、岩体结构等基本地质条件相同,但边坡开挖方向相反。图 1a所示边坡潜在失稳破坏模式呈滑移式破坏,边坡稳定性较差;而图 1b所示边坡以倾倒破坏为主,且稳定性相对较好。在实际工程应用中,对某一范围岩体通常提出一套综合物理力学参数用于设计计算,而鲜有考虑岩体各向异性与多种工程作用力方向的相互关系。在对以下两种情况的边坡整体稳定性进行评价时,若采用同一套物理力学参数进行极限平衡、强度折减分析或进行应力、变形分析,必然得到相同的分析结果,但显然与实际情况不符。

    图 1 岩体各向异性对边坡稳定性的影响示意 Fig. 1 The influence of the anisotropy of rock mass on the stability of slope

    因此,对于各向异性明显的岩土体材料参数,应该具体工况具体分析,根据实际情况对参数进行必要修正。

    2 各向异性岩质边坡强度参数修正
    2.1 岩质边坡抗剪强度参数取值的一般方法

    对岩质边坡抗剪强度参数的取值,通常包括以下几种情况:

    (1) 对于有特定控制性结构面的边坡,可通过试验确定结构面参数;当试验资料不足时,则需根据边坡工程地质条件,通过工程地质类比、结合经验并参考规范建议值综合确定。

    (2) 对于成组的结构面,则需按其优势方向考虑其连通率,计入岩桥效应。此时边坡结构面的精细调查和统计至关重要,但对人工开挖边坡而言,裂隙统计等工作实施起来难度及成本较大。

    (3) 对于处于极限状态的变形边坡或已失稳破坏的边坡,可以根据边坡变形、破坏程度,按临界安全系数(0.95~1.05)反算综合强度参数,以此作为设计采用值。

    (4) 对于无特定控制性结构面的各向同性节理岩体的抗剪强度,可以采用H-B岩体破坏准则和GSI或RMR系统结合岩体质量分级和试验成果确定。

    但对于无特定控制性结构面的各向异性节理岩体,H-B准则适用性较差,但可以考虑对其进行优化,本文拟采用边坡岩体质量分类CSMR对其进行修正研究。

    2.2 H-B强度准则

    广义H-B岩体强度准则表达式如公示(1)所示(Hoek et al, 1992):

    $ {\sigma _1} = {\sigma _3} + {\sigma _c}{\left({{m_b}\frac{{{\sigma _3}}}{{{\sigma _c}}} + s} \right)^a} $ (1)

    式中,mbsa为反映岩体特征的经验参数。

    E.Hoek和E. T. Brown结合岩体地质力学分类(RMR)提出了岩体参数mbsa取值方法:

    (1) 扰动岩体

    $ \left\{ \begin{array}{l} {m_b} = \exp \left({\frac{{RMR - 100}}{{14}}} \right){m_i}\\ s = \exp \left({\frac{{RMR - 100}}{6}} \right)\\ a = 0.5 \end{array} \right. $ (2)

    (2) 未扰动岩体

    $ \left\{ \begin{array}{l} {m_b} = \exp \left({\frac{{RMR - 100}}{{28}}} \right){m_i}\\ s = \exp \left({\frac{{RMR - 100}}{9}} \right)\\ a = 0.5 \end{array} \right. $ (3)

    式中,mi为完整岩石的H-B常数。

    在实际应用中,根据RMR对H-B强度准则的参数进行取值具有一定局限性,因此,Hoek等又发展了基于地质强度指标(GSI)的岩体参数mbsa的取值方法。

    无论是基于RMR分类还是GSI系统的H-B准则均主要适用于各向同性的均质岩体。水电水利工程边坡设计规范(DLT5353-2006)附录H提供了基于RMR与GSI系统确定各向同性节理岩体抗剪强度的方法,而对于各向异性岩体抗剪强度的确定方法也未做过多的阐述。

    2.3 边坡岩体质量分级

    在边坡工程中,M.Romana综合考虑结构面、坡面相互关系以及边坡开挖方式等因素,在RMR岩体质量评价方法的基础上,发展提出了边坡岩体质量分级方法SMR(Slope Mass Rating):

    $ SMR = RMR - {F_1}{F_2}{F_3} + {F_4} $ (4)

    式中,F1F2F3为岩体不连续面与坡面间产状组合关系调整值,具体如表 1所示;F4为边坡开挖方式调整值,考虑了开挖方式对岩体质量的扰动。

    表 1 结构面方向修正 Table 1 Correction of structural plane direction

    SMR分级综合考虑了影响边坡稳定的多种因素,应用方便、直观,在国际上获得了广泛应用。我国技术人员在SMR基础上增加了对边坡高度和结构面条件因素的修正,形成CSMR(Chinese Slope Mass Rating)体系(冯树荣等,2013)。

    $ CSMR = \xi RMR - \lambda {F_1}{F_2}{F_3} + {F_4} $ (5)

    式中,ξ为坡高修正系数,ξ=0.57+34.4/H;λ为结构面条件系数,取值如表 2所示。

    表 2 结构面条件系数 Table 2 Structural surface condition coefficient

    2.4 边坡各向异性岩体强度参数的修正

    在H-B强度准则中,各向同性的岩体参数mbsa可通过式(2)、式(3)求得。在进行边坡稳定性分析时,对于各向异性的边坡岩体参数,本文拟采用CSMR代替式(2)、式(3)中的RMR,由此将各向异性对边坡的影响反映于强度参数中。具体如下

    (1) 扰动岩体

    $ \left\{ \begin{array}{l} {m_b} = \exp \left({\frac{{CSMR - 100}}{{14}}} \right){m_i}\\ \;\;\;\;s = \exp \left({\frac{{CSMR - 100}}{6}} \right)\\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;a = 0.5 \end{array} \right. $ (6)

    (2) 未扰动岩体

    $ \left\{ \begin{array}{l} {m_b} = \exp \left({\frac{{CSMR - 100}}{{28}}} \right){m_i}\\ \;\;\;\;s = \exp \left({\frac{{CSMR - 100}}{9}} \right)\\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;a = 0.5 \end{array} \right. $ (7)

    在大多数极限平衡计算及数值模拟中,均以莫尔-库仑强度准则为计算基础。因此,在采用非线性的H-B强度准则进行边坡稳定性分析时,需将式(1)中的主应力转换成正应力和剪应力的形式,从而确定等效抗剪强度参数cφ值。H-B强度参数与M-C强度参数的转换如式(8)、式(9)所示。

    $ c = \frac{{{\sigma _c}\left[ {\left({1 + 2a} \right)s + \left({1 - a} \right){m_b}{\sigma _{3n}}} \right]{{\left({s + {m_b}{\sigma _{3n}}} \right)}^{a - 1}}}}{{\left({1 + a} \right)\left({2 + a} \right)\sqrt {1 + 6a{{\left({s + {m_b}{\sigma _{3n}}} \right)}^{a - 1}}/} }} $ (8)

    $ \varphi = {\sin ^{ - 1}}\left[ {\frac{{6a{m_b}{{\left({s + {m_b}{\sigma _{3n}}} \right)}^{a - 1}}}}{{2\left({1 + a} \right)\left({2 + a} \right) + 6a{m_b}{{\left({s + {m_b}{\sigma _{3n}}} \right)}^{a - 1}}}}} \right] $ (9)

    3 工程算例
    3.1 基本地质条件

    金沙江某水电站导流洞出口人工边坡由洞脸边坡及左、右侧坡组成,侧面坡边坡走向与导流洞出口轴线方向一致。

    其中,左侧坡靠近山内,规模较大。设计过程中,先后对两种导流出口方案进行了比选。方案一侧面坡走向354°,方案二侧面坡走向8°。人工边坡每15 m设置一马道,马道宽2 m,单级开挖坡比1: 0.3~1: 0.5。最大坡高达90 m左右。人工边坡代表性剖面如图 2所示。

    图 2 导流洞出口人工边坡代表性剖面 Fig. 2 There presentative section of left slope at the diversion tunnel outlet 1.崩坡积物;2.雄松群;3.碎块石土;4.斜长角闪(片)岩;5.弱卸荷下限;6.边坡开挖线

    边坡基岩为斜长角闪(片)岩,岩质坚硬,单轴饱和抗压强度60~80 MPa。局部片理较发育,新鲜岩体片理面一般胶结紧密,片理产状260°∠70°,多呈层状-次块状结构。基岩发育两组优势裂隙,第一组产状260°∠50°~70°,沿片理面发育,裂隙闭合,局部微张,裂面起伏稍粗;第二组产状115°∠75°,裂隙闭合,局部微张,裂面起伏稍粗。导流洞出口所处自然边坡弱风化深度一般为20 m左右,局部最深约70 m。弱卸荷带水平深度15~25 m。在边坡开挖范围内,钻孔及平硐未揭露地下水。

    3.2 边坡稳定性定性评价
    3.2.1 图解法

    左侧坡结构面赤平投影如图 3所示。方案一边坡开挖后呈顺向坡结构,人工边坡坡面倾角63°,而第一组优势裂隙倾角50°~70°,部分范围倾角小于坡面倾角,边坡可能滑移破坏,稳定性差;方案二边坡开挖后呈斜向坡(视顺向坡)结构,第一组优势裂隙与坡面小角度相交,交角18°左右,边坡存在潜在稳定性问题,但稳定性相对方案一较好。

    图 3 导流洞出口左侧坡赤平投影图 Fig. 3 The stereogram of left slope at the diversion tunnel outlet

    3.2.2 SMR与CSMR法

    导流洞出口人工边坡以微风化、新鲜岩体为主,根据钻孔、平硐勘探及相关试验资料,参照《RMR系统分类及其评分值表》(中华人民共和国电力行业标准编写组,2007),对边坡基岩的完整岩石强度、岩芯质量指标、节理间距、节理条件及地下水条件进行赋分,得到基岩RMR=75,具体如表 3所示。

    表 3 人工边坡基岩RMR评分表 Table 3 RMR evaluation on the rock mass of artificialslope

    在不同人工边坡方案条件下,根据坡面与结构面产状相互关系及坡高、结构面性状等边坡稳定影响因素,分别对边坡岩体质量按SMR和CSMR分级方法进行修正,如表 4所示。

    表 4 不同方案人工边坡SMR和CSMR评分 Table 4 SMR evaluation on the different artificial slope schemes

    方案一人工边坡SMR=25,CSMR=28.75,边坡岩体质量属Ⅳ类,边坡不稳定;方案二人工边坡SMR=40,CSMR=41.5,边坡岩体质量属Ⅲ~Ⅳ类,边坡基本稳定-不稳定。

    3.3 边坡岩体参数修正及稳定性定量评价
    3.3.1 参数修正前

    (1) 基于H-B准则的参数取值:不考虑边坡岩体质量修正,根据H-B准则,利用RMR求解岩体等效M-C抗剪强度参数。其中,RMR=75,斜长角闪(片)岩完整岩石常数mi=12,岩块饱和单轴抗压强度σci=70 MPa,边坡高度H=90 m。计算得到边坡岩体c=1.57 MPa,f=1.12。

    (2) 原位试验:对该工程坝址区斜长角闪(片)岩进行了多组原位剪切试验,试验过程中未考虑片理方向性的影响。试验得到抗剪强度参数算术平均值c=1.27 MPa,f=1.01。

    使用Sarma法,采用以上两种参数计算导流洞出口左侧边坡整体稳定性,如表 5所示。计算结果表明,方案一、方案二边坡稳定安全系数相同,且边坡整体稳定性好。但该计算结果与边坡稳定工程地质定性评价结果存在偏差。

    表 5 边坡参数及稳定性计算成果 Table 5 The result of slope parameters and calculation of slope stability

    3.3.2 参数修正后

    传统的H-B准则未考虑工程作用力与岩体各向异性的方向关系。因此,本文将SMR或CSMR引入H-B强度准则,代替式(2)中的RMR,由此对边坡岩体参数进行各向异性修正,并进一步计算得到其等效M-C强度参数。CSMR体系中考虑了结构面性状及坡高对岩体质量的影响,对引起岩体各向异性的因素考虑更为全面,因此本文选用CSMR进行修正。但由于H-B准则中已考虑了扰动因素对岩体质量的影响,所以此处CSMR中F4不给予赋值。

    以M-C强度参数为基础,采用Sarma法计算不同方案修正参数持久工况下的边坡整体稳定性。计算结果如表 6所示。

    表 6 边坡参数修正及稳定性计算成果 Table 6 The result of correction of slope parameters and calculation of slope stability

    边坡岩体抗剪强度参数经各向异性修正后减小,边坡整体稳定性计算结果随之降低。根据计算结果,方案一边坡整体稳定安全系数1.11,整体稳定性不满足该类边坡设计安全系数要求;方案二边坡整体基本稳定。

    3.4 边坡岩体参数修正及稳定性对比分析

    设计方案一中,导流洞出口左侧边坡发育一组顺坡向优势裂隙,对边坡整体稳定构成较大影响,通过图解法、SMR或CSMR法判断,边坡整体稳定性较差。方案二呈视顺向坡结构,优势裂隙与坡面小角度相交,边坡稳定性相对较好。

    考虑岩体各向异性对参数的影响,根据边坡岩体质量分级,按结构面发育产状与坡面产状相互关系等对参数进行修正,由此计算得到两种方案的边坡整体稳定性系数分别为1.11与1.70,与工程地质定性、半定量判断结果相符。而直接由RMR计算得到的强度参数以及未考虑各向异性进行的原位试验的强度参数均明显偏大,边坡稳定计算结果不符合实际情况。

    4 结论

    (1) 边坡稳定性分析评价时,岩体强度参数的各向异性对边坡稳定性影响较大。需考虑结构面发育产状与边坡坡面的相互关系等因素对边坡岩体质量、岩体强度参数等进行修正优化。

    (2) 未考虑各向异性条件的岩体参数用于边坡稳定性计算时,安全系数为4.81、4.04,计算结果与定性、半定量评价存在偏差;而经过边坡岩体质量分级修正后的等效M-C参数用于边坡稳定性计算时,两种设计方案的边坡安全系数分别为1.11和1.70,计算结果与定性、半定量评价结果相符。

    (3) 边坡工程中,考虑岩体各向异性对边坡稳定性的作用影响,在H-B强度准则中采用CSMR替代RMR对各向异性边坡岩体强度参数进行修正,并用于边坡稳定性分析是可行的。

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