第二十九章：岩质边坡—楔形滑动

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　　本章分析某挖方形成的一个受地质构造面控制的中风化岩至微风化岩的岩质边坡稳定性。

　　在开挖露头上可以观察到一系列地质构造面和节理（结构面），这些结构面形成了一个 3D 楔形破坏。

29.1  任务描述

　　建设沃季采（Votice）的一条双轨铁路隧道时，对隧道所穿越地层的古生代 火成岩进行了爆破处理，从而形成了本案例中的露头。露头上的结构面由微花岗岩、细晶岩和部分方角闪黑云母花岗岩填充（最常见的岩体类型）。

　　该露头没有明显的可行剪切面方向，这些剪切面将影响岩坡的稳定性并形成楔体滑动（图29.1）。

图 29.1  开挖区域西面的岩坡 

　　现场勘查发现，岩坡的稳定性受三至四组构造面或节理控制。岩体由大量的岩石、岩块，以及尺寸达数米的巨石组成。

　　岩体结构面倾向和坡面倾向的夹角小于 45°，坡面倾角介于 65°至 80°之 间，倾向东面（图 29.2）。

图 29.2  主要结构面的赤平投影，其中 Z70/70（倾向/倾角）为坡面投影

　　大量的不连续结构面形成了很多潜在滑体（图 29.3），对开挖工作具有显著的影响。这些不利结构面在开挖之前是没有预料到的。

图 29.3  开挖剖面上的主要剪切面和节理面

　　由上面的分析可以看到，挖方边坡存在滑动的可能，因此，需要计算边坡稳定性安全系数并设计相应的支护结构。本工程手册主要对潜在的楔形滑动进行分析。 

注：每个天然岩体通常至少包含两组影响岩质边坡稳定性的不连续结构面。当岩 体包含少量的不连续结构面组时，这些结构面组就控制着岩质边坡的破坏模式和 安全程度。对于包含大量结构面组的岩体或强风化岩体，则认为由于岩体较破碎，可以按照和土质边坡类似的圆弧滑动考虑。

29.2  设置

　　下面我们通过分析隧道入口开挖处选定的某剖面为例，详细说明岩质边坡楔 形滑动分析的过程。本例中岩质边坡设计年限为 100 年，要求达到的安全系数为 1.5。

　　根据地质调查结果，组成岩坡的花岗岩和细晶岩的力学性质如下：单轴抗压强度，重度 ，有效内摩擦角，有效黏聚力，泊松比，变形模量。在一个小尺寸 岩石样品上测量得到岩体具有高变形特征，由于剪切破坏面造成的岩石破裂，岩 体的总抗剪强度实际更低（尺寸效应），甚至有些剪切面上的抗剪强度趋近于零。

　　此处水文地质条件简单，坡面上没有渗水点，雨量充沛或积雪融化的季节会偶尔出现泉水点。整个岩质边坡内没有地下水。岩体结构面的倾向和倾角由设计单位的构造地质学家测量得到。本例中分析的边坡剖面坡顶面（原始坡面）的方向为 Z 180/15（倾向/倾角），勘察得到的主要破坏结构面方向分别为 20/80 和 225/70。测量得到的结构面抗剪强度为，粘聚力。

图 29.4  岩坡前视图

29.3  解决方案

　　所选剖面的边坡楔形滑动稳定性采用安全系数（相对于极限状态法）来进行评估。下面详细说明如何采用 GEO5「岩质边坡稳定分析」模块对该例中的楔形

29.4  任务设置

　　验算方法选择「安全系数法」，分析类型选择「楔形滑动」 在「分析设置」界面中点击「选择分析设置」按钮，选择「标准 -  安全系数法」，并点击「确定」按钮。

图 29.5 选择分析设置窗口“分析设置列表”

注：1. 这里也可以选择「中国 – 国家标准」。因为中国规范也采用安全系数法 验算岩质边坡的稳定性，因此，「中国 – 国家标准」和「标准 - 安全系数法」 两者实质上是一样的。同时，在「分析设置」界面中选择分析类型为「楔形滑动」。

2. GEO5「岩质边坡稳定分析」模块可以分析岩质边坡沿某一滑面滑动的稳 定性，滑面形状可以是直线、折线或楔形。

输入坡面和坡顶面的几何尺寸 

　　在「尺寸」界面中输入坡面（开挖面）和坡顶面（原始坡面）的三维几何尺寸。坡面或者坡顶面的几何尺寸通过倾向/倾角来输入，这些数据可以在构造地 质调查中测得。坡顶面高度为 13m。输入的平面（坡面和坡顶面）在绘图窗口中 显示在赤平投影图上，其中每条大圆弧均代表相应平面在 Lambert 下半参考球上 的投影。 

　　注：如果没有进行构造地质调查，那么边坡坡面方向可在坡面上取三个点（例如坡底 2 个点+坡顶 1 个点）并由大地测量得到。同时，也可以通过使用卷尺或摄影测量方法得到坡面方向。当不具备合适的测量条件时，可以通过人的身高和边 坡高度的比例来估算边坡高度。

　　方向设置

表 29.1 坡面和坡顶面

图 29.6  岩坡坡面和坡顶面的赤平投影

注：关于赤平投影的详细说明，请按 F1，查阅软件自带帮助。

输入结构面的几何尺寸 

　　在「滑动面」界面中输入结构面的三维几何尺寸。结构面的几何尺寸通过倾向/倾角来输入，这些数据可以在构造地质调查中测得。输入的平面（结构面） 在绘图窗口中显示在赤平投影图上，其中每条大圆弧均代表相应平面在 Lambert 下半参考球上的投影。

表 29.2  结构面几何尺寸信息

　　可以通过软件界面左侧视图控制栏的「3D 视图切换」按钮来显示 3D 楔形 体，并通过界面左侧的「旋转视图」按钮来随意旋转 3D 楔形体。3D 视图提供 了一种更直观的显示楔形滑动的途径。 

图 29.7 楔形体 3D 显示

注：3D 结构面的方向与其地理坐标有关。这些坐标的基准为水平正北方向和垂直重力方向。可以借助地质罗盘测量结构面方向，主要结构面可以通过地球物理 方法进一步测量。

输入岩石和结构面参数 

　　在「参数」界面中输入岩石和结构面的力学参数。这里，结构面采用摩尔-库仑模型，因此，需要输入岩石的重度和结构面的摩尔-库仑抗剪强度。花岗岩重度取 ，前面输入的两组结构面由抗剪试验得到其抗剪强度为，。 

注：最简单的测量结构面抗剪强度的方法是从岩体中取出由结构面分割的两块岩 石，并测量其产生相对运动时的抗剪强度。

地下水

　　地下水在「地下水」界面中输入。根据水文地质勘察结果，岩坡中没有地下水。

工况阶段设置

　　在「工况阶段设置」界面中选择当前工况阶段的设计状况。本例中，隧道入 口处岩坡的设计年限为 100 年，因此，选择设计状况为「持久设计状况」。

分析

　　点击右侧模式栏的「分析」按钮，进入「分析」界面，软件自动完成稳定性计算。「分析」界面右侧是基本计算结果，左侧是一些功能选项。点击「详细结 果」按钮或打印计算书可以得到更详细的计算结果。本例中，计算得到的安全系 数为 1.32，小于设计安全系数 1.5。随着时间的推移，局部的不稳定将会对岩体 的整体稳定造成影响，因此，需要采取一定的支护措施，以提高边坡的安全系数。

图 29.8  分析–工况阶段 1

29.5  提高边坡稳定性的设计方案

　　可以通过降低边坡坡率或开挖多个台阶降低边坡整体坡率的方法来提高边 坡稳定性。该解决方案需要大量的挖方工作和较大的占地面积需求，因此，基于 这些原因，采用该解决方案比较昂贵。另外一种解决方案是维持现有边坡形状不 变，采用锚索、锚杆或者土钉来提高边坡稳定性。我们采用第二种解决方案作为 提高边坡稳定性的设计方案，计算分析过程如下。

　　在软件界面上侧的「工况阶段」栏中点击“+”按钮，添加工况阶段 2。我 们在工况阶段 2 中对锚杆进行设计。

图 29.9  添加工况阶段 2

　　在「分析」界面中勾选「计算需要的锚固力」，并设置锚杆的倾向和倾角： 倾向设置为，倾角设置为。设置完所需参数后，软件会自动计算达到设计安全系 数时所需的锚固力。本例中，当锚固力为 428kN 时，计算得到的安全系数达到 设计安全系数 1.5。

图 29.10「分析」界面中的计算结果

　　边坡的几何形状允许所有锚杆都采用同样的倾向和倾角，所以下一步需要评 估采用何种锚杆施工技术，及其能提供的承载力，然后计算需要的锚杆数量（锚 杆密度）。本例中，我们采用无预应力的岩石锚杆（钻孔的同时对锚杆注浆）， 该锚杆在安装后即可以产生 50kN 的承载力，24 小时后承载力达到 150kN。简单 的计算表明，为了使边坡达到设计安全系数，需要至少 5 根锚杆；锚杆设计密度 为 2.5*2.5m。考虑到岩体的破坏情况，建议对岩坡表面施加防护网，防止崩塌落 石。 

注：理论上讲，锚杆的方向应当垂直岩体的主要结构面（控制岩体稳定性的结构 面），结构面和锚杆之间最小夹角宜为 45°。

29.6  总结

　　对于所要分析的岩体楔体滑动，初步得到的边坡安全系数 F=1.32，并不满 足设计要求（F≥1.5）。因此，必须通过一定的措施来提高边坡的安全系数。从 经济可行的角度，我们决定选择岩石锚杆。在第二个工况阶段中，根据设计锚固 倾向/倾角，得到了设计锚固力。考虑整个岩体中锚杆的倾角都是相同的，根据 锚杆密度、设计锚固力，选择合适的锚杆类型。