边坡松动区研究现状

收稿日期：作者简介：毕昆(1989–)，男，硕士研究生，中国矿业大学（北京）2013级硕士研究生，研究方向:露天矿边坡。E-mail：[e-mail]边坡开挖松动区之研究现状毕昆1，王卫1，丁辉1(1.中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京100083)摘要：通过详细介绍边坡开挖松动区范围和松动区内岩体损伤程度的研究，论述了开挖松动区理论研究、现场试验和数值分析的研究现状，并指出了研究中存在的问题及研究发展方向。关键词：开挖松动区范围；岩体损伤；研究现状ResearchonstatusofcuttingslopedisturbedregionBiKun1,WangWei1,DingHui1(1FacultyofResourcesandSafetyEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing),Beijing,100083)Abstract:Throughintroducingresearchesaboutdisturbedregionofcuttingslopeandweaknessdegreeofmechanicalpropertiesforrockmassofcuttingzoneindetail.Theresearchstatusofdisturbedregionintheory,fieldtestingandnumericalsimulationisdiscussedemphatically.Finally,theexistingquestionsanddevelopingdirectioninstudyarepointedouttoo.Keywords:disturbedregionofcuttingslope;propertiesweakness;researchstatus1引言岩体开挖引起的松动现象早已为岩土界所熟悉，但是关于松动区的定义、范围和松动区内岩体物理力学性质等问题近年才逐步受到关注和重视。随着边坡工程开挖规模的逐渐增大，关于松动区范围和加固方法成为当前迫切需要解决的核心问题之一[1]。边坡开挖卸荷导致岩体松弛变形，且不同区域岩体松弛的特征和扰动范围不同，因此形成的开挖松动区是客观存在的。许多学者分别利用模型试验、数值计算和理论分析等多种方法对类似问题进行了大量的研究[1~14]。但由于对于开挖松动区的认识不同，确定松动区范围的方法也不尽相同，在实际工程实践中难以得到推广和应用。因此，对目前开挖松动区的研究现状进行总结，对今后的松动区的深入研究以及边坡加固具有重要意义。2开挖松动区研究的现状对于人工开挖边坡，受到开挖影响的那一部分岩体常称为开挖松动区、开挖扰动区、开挖松弛区和开挖卸荷带。国外关于边坡开挖松动区的研究相对较少，松动区的研究主要集中在隧道工程，其确定范围的目的是为了确定隧道的支护荷载和支护范围[15~16]。国内对于边坡松动区的研究相对比较深入。对于松动区的研究主要围绕以下两个方面展开：（1）开挖松动区的范围。坡体开挖必然导致应力的重新分布和节点位移的变化，把有限的应力分布和位移变化的影响区称为坡体失稳破坏范围（松动区范围）；（2）松动区内岩体力学性质损伤程度。2.1开挖松动区的范围研究2.1.1现场试验研究对于边坡而言，开挖松动区的概念是在三峡船闸高边坡开挖卸荷效应研究项目中提出。夏熙伦、邓建辉、盛谦、周火明和石安池等[1~5]人基于三峡工程船闸边坡对松动区进行了大量现场试验研究。夏熙伦[2]根据观测试验资料和有限元计算结果，研讨了三峡船闸高边坡岩体因开挖卸荷及应力重新分布而产生的松动区范围，得出了损伤松动区的范围一般在10m以内，卸荷变形影响范围一般可达到40m左右。邓建辉[1]等人使用CSD-60型滑动变形计对三峡船闸南北坡进行现场监测试验，通过成果分析得出了：（1）边坡岩体的变形具有明显的分区性，主要变形区即边坡岩体松动区；（2）松动区岩体的变形主要由结构面的“张开位移”构成；（3）岩体的变形量与开挖强度紧密相关。盛谦等[3]针对三峡工程永久船闸及中隔墩卸荷岩2体，采用钻孔录像裂隙张开度调查、单孔及跨孔岩体声波测试、室内岩块及现场岩体力学性质试验、钻孔岩体变形试验等多种手段和方法，进行综合测试和研究。研究结果表明：（1）跨孔地震波和声波测试岩体波速、裂隙张开频数及岩体变形模量、位移监测曲线分区明显；（2）开挖扰动区客观存在，分别为开挖损伤区、卸荷影响区和轻微扰动区。周火明等[4]采用岩体声波测试和岩层岩体变形试验等手段，研究了边坡卸荷扰动区范围及岩体力学性质弱化。根据研究结果把卸荷扰动区划分为3区：强卸荷区（靠近边坡表层）、轻微卸荷区（远离坡体表面，岩体力学参数基本保持不变）和弱卸荷区。对于斜坡段而言，强卸荷区下界坡距5~10m，弱卸荷区下界坡距15~20m，各级边坡坡顶影响区比坡中部和下部大。对于直立墙段，卸荷区范围近似三角形，强卸荷区下界深度7.5~20m，弱卸荷区下界深度17.5~30m，靠直立坡边坡卸荷区范围较大，往坡体内部逐渐减小。石安池等[5]通过分析监测资料，把边坡岩体划分为强、弱、微三个卸荷带，其中强卸荷带距离坡面0~6m，弱卸荷带距离坡面6~20m，微卸荷带距离坡面大于20m，把中隔墩岩体也分为强卸荷带、弱卸荷带、微卸荷带，各带的厚度在不同部位有所差别。孙书伟、冯君等[6~7]采用统计分析和地质力学模型试验方法分别探讨了开挖松动区的范围。孙书伟等[6]把开挖松动区分为4个区域：原岩应力区（不受开挖影响的区域）、开挖影响区（坡体变形局限在弹性范围内）、开挖松动区（出现塑形破坏的区域）、开挖滑动区（出现贯通的塑形流动区）。并对多处顺层高边坡破坏变形工点进行分析，得出了岩层倾角在15~30°的砂泥质顺层高边坡最易产生开挖失稳，且松动长度与开挖深度有关，二者比值集中分布在2~5之间。冯君等[7]利用地质力学模型试验方法，分析路堑边坡走向与岩层走向夹角大小对顺层岩质边坡稳定性的影响以及确定开挖松弛区范围的方法，研究结果表明：（1）对于缓倾角和中等倾角且路堑把岩层切断的顺层边坡极限夹角为30°；（2）采用位移拐点来判断坡体松弛区的范围更加直观，对于没有明显软弱结构面的坡体，可采用应力的方法判断坡体松弛区。2.1.2理论研究岩层走向和倾向同边坡走向和倾向一致的边坡常称为顺层边坡，如图1所示。在工程实践中，一般将走向与岩层走向夹角小于20°、倾向接近于边坡倾向视为顺层边坡，对于岩质边坡而言，顺层边坡是经常遇到并且极易发生滑坡的一类边坡。β1αβ第1层第i层xyE0开挖边坡自然边坡图1顺层岩质边坡计算模型Fig.1Thecomputationmodelofconsequentrockslopeαβ第i层E0AiBiCxxyαβ第i层E0AiBiCxxy(a)开挖坡段(b)自然坡段图2自然边坡角等于岩层倾角模型Fig.2Thefirstmodeofthebedrockslopeαβ第i层E0AiBiCxxyβ第i层E0AiBiCxxyβ1(a)开挖坡段(b)自然坡段图3自然边坡角大于岩层倾角模型Fig.3Thesecondmodeofthebedrockslopeαβ第i层E0AiBiCxxyβ第i层E0AiBiCxxyβ1(a)开挖坡段(b)自然坡段图4自然边坡角小于岩层倾角模型Fig.3Thethirdmodeofthebedrockslope邓荣贵等[8]分别对自然坡脚等于岩层倾角、自然坡脚大于岩层倾角和自然倾角小于岩层倾角的顺层岩质边坡(如图2、3、4所示)不稳定岩层临界长度进行分析，得到了以下的研究成果：（1）自然边坡角等于岩层倾角开挖边坡段岩层失稳极限长度cil：1202=663/4ciiclAAfaA(1)式中：11sinsincoscos2=cosaA221sincossin2=cosfaAa自然边坡段岩层失稳极限长度cil：214412333=22ciiaaaaalxxaaa(2)式中：11=sinijjaha0211=sintan2iijjjjxahh311=sintan2ifjcjaahaa401=costaniijjafha（2）自然边坡角大于岩层倾角开挖边坡段（01tannijjixxxh），其不稳定长度由上式（1）计算可得。自然边坡段（01tannjjixxh），若坡缘不在岩层层面处，而在某层内，则以坡缘为界，分为上坡段和下坡段，具体结果如下：上坡段岩层失稳长度5061066634ccifafaalxxaa（3）式中：151sincossin22cosaa2161sincos2sin2cosaa下坡段失稳长度（ciilxx）为下式（4）的解，可采用迭代法求解。321230imimimxxbxxbxxb（4）式中：132/mmmbAA242/mmmbAA352/mmmbAA2012cos3mfmAaaaA30210111cossin22mfmcAaaaAaa11tan1tantanfa4021sin/tanmmAaaA503sinmAa（3）自然边坡角小于岩层倾角开挖边坡段（01tannijjixxxh），其不稳定长度由上式（1）计算可得。自然边坡段（01tannjjixxh），失稳长度（ciilxx）为下式（5）的解，可用迭代法求解。321230iiixxbxxbxxb（5）式中：0111tan1tantanijjAhxl11tan1tantanBl012costan3fBBaBal2111tancot2BBl2111tancotijBBjBhll1tan2cotABll31011tancot2iijAjjjhBlhx222111cottan22iAjAjlhl11211costan3sin2cfABBaaBlaBla1110/bBB4220sin/AblaBB330/bBaB以上各式中：岩层倾角为；开挖边坡坡角为；开挖边坡之上自然边坡坡角为1；整个边坡岩体的容重为；a、fa为边坡岩体强度等效系数；ih为第i层岩层厚度。冯君等[9]也对顺层岩质边坡滑动岩体范围进行了分析，得出了不同岩层倾角下边坡失稳长度。（1）自然边坡角等于岩层倾角开挖边坡坡段（00xx）顺层岩质边坡岩层失稳极限长度HiL：2121211130112222221230214()2=4()2HiHiHiAAAAHLALAAAAHLA（6）式中：111tancos4fiAk1211tan2cossin22siriciAkfk13tanririASc211tancossin2piAf2201tan4cos4piripipiASffLc23012ripiAccL以上各式中：0x、0y分别为开挖坡顶0E的坐标值；0L为开挖影响深度；为第i层层面以上各岩层的加权平均重度；、分别为岩层倾角和开挖边坡坡角；pif、pic、piS分别为天然状态下未收扰动的第i层层面摩擦系数、粘聚力和