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平面剪切岩质边坡滑裂面的确定及稳定性分析

周珂 黄小城 雷德阳 陈秋南 江飞飞

周珂, 黄小城, 雷德阳, 陈秋南, 江飞飞. 平面剪切岩质边坡滑裂面的确定及稳定性分析[J]. 地质科技通报, 2022, 41(2): 325-334. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2022.0062
引用本文: 周珂, 黄小城, 雷德阳, 陈秋南, 江飞飞. 平面剪切岩质边坡滑裂面的确定及稳定性分析[J]. 地质科技通报, 2022, 41(2): 325-334. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2022.0062
Zhou Ke, Huang Xiaocheng, Lei Deyang, Chen Qiunan, Jiang Feifei. Determinations of the critical sliding surface of planar sliding rock slopes and their stability analysis[J]. Bulletin of Geological Science and Technology, 2022, 41(2): 325-334. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2022.0062
Citation: Zhou Ke, Huang Xiaocheng, Lei Deyang, Chen Qiunan, Jiang Feifei. Determinations of the critical sliding surface of planar sliding rock slopes and their stability analysis[J]. Bulletin of Geological Science and Technology, 2022, 41(2): 325-334. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2022.0062

平面剪切岩质边坡滑裂面的确定及稳定性分析

doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2022.0062
基金项目: 

国家自然科学基金项目 51909087

国家自然科学基金项目 52078211

湖南省自然科学基金项目 2021JJ40201

2020湖南省交通运输厅科技进步与创新项目 202009

湖南省教育厅科研项目 21B0463

详细信息
    作者简介:

    周珂(2000-), 男, 现正攻读土木水利工程专业硕士学位, 主要从事边坡稳定性分析、边坡支挡设计等岩土工程方面的研究工作。E-mail: kzhouhn2000@163.com

    通讯作者:

    黄小城(1988-), 男, 副教授, 主要从事边坡稳定性分析、边坡支挡设计等岩土工程方面的研究工作。E-mail: xchuang@cqu.edu.cn

  • 中图分类号: TU457

Determinations of the critical sliding surface of planar sliding rock slopes and their stability analysis

  • 摘要: 由于传统搜索方法对岩质边坡滑裂面的确定无法兼顾效率与精度, 如何迅速准确确定潜在滑裂面仍然是个难题。极限平衡法在岩质边坡稳定性分析中备受认可, 采用岩质边坡平面剪切滑动模型, 以滑裂面的倾角来表征潜在滑裂面的位置; 基于极值法, 推导了极限平衡条件下平面剪切破坏型岩质边坡潜在滑裂面的解析解, 并结合香港秀茂坪路边坡对其准确性进行了验证, 进一步对四川宜宾打营盘山公路多级边坡进行了整体稳定性分析。结果表明: 香港秀茂坪边坡采用本文方法确定的边坡潜在滑裂面倾角与实际滑坡倾角基本一致。实际工程应用中, 采用Slide软件中布谷鸟搜索法和模拟退火法两种搜索方法得到的滑裂面倾角分别为38.0°和37.0°, 本解析法所得倾角为34.8°; 选用Janbu法、Morgenstern-Price法和Sarma法分别计算对应的稳定系数, 结果均为1.04左右, 本文所得稳定系数为1.15, 可见本文方法所得结果基本准确。通过参数敏感性分析发现, 随着黏聚力的增加, 边坡滑裂面倾角越来越小, 稳定系数也随之增加; 而当内摩擦角增大时, 边坡滑裂面倾角和稳定系数也随之增大。

     

  • 图 1  边坡力学模型

    Figure 1.  Mechanical model of the slope

    图 2  多级岩质边坡整体稳定性分析流程图

    Figure 2.  Flow chart of general stability analysis of multistage rock slopes

    图 3  香港九龙陡峭的岩质边坡下的秀茂坪路[25]

    Figure 3.  A view down Sau Mau Ping Road in Kowloon from the steep rock slopes[25]

    图 4  秀茂坪边坡计算模型

    G.滑块重量;U.孔隙水压力;hw.破坏面上的水位高度;h.边坡高度;x.潜在滑裂面位置;α.岩石的坡角;θ.破坏面倾角

    Figure 4.  Calculation model of the Sau Mau Ping slope

    图 5  打营盘山边坡

    Figure 5.  Dayingpanshan slope

    图 6  打营盘山边坡地质剖面图

    Figure 6.  Geological section of the Dayingpanshan slope

    图 7  本文方法稳定性分析结果

    F1F2F3为稳定系数

    Figure 7.  Stability analysis results by the proposed method

    图 8  布谷鸟搜索和Janbu法搜索结果

    Figure 8.  Search result of Cuckoo & Janbu Method

    图 9  布谷鸟搜索和Morgenstern-Price法搜索结果

    Figure 9.  Search result of Cuckoo & Morgenstern-Price Method

    图 10  布谷鸟搜索和Sarma法搜索结果

    Figure 10.  Search sesult of Cuckoo & Sarma Method

    图 11  模拟退火法和Janbu法搜索结果

    Figure 11.  Search result of simulated annealing & Janbu Method

    图 12  模拟退火法和Morgenstern-Price法搜索结果

    Figure 12.  Search result of simulated annealing & Morgenstern-Price Method

    图 13  模拟退火法和Sarma法搜索结果

    Figure 13.  Search result of simulated annealing & Sarma Method

    图 14  黏聚力与滑裂面倾角、稳定系数的关系(内摩擦角φ=20°)

    Figure 14.  Relationship between the cohesion and sliding angle, stability coefficient (φ=20°)

    图 15  内摩擦角与滑裂面倾角、稳定系数的关系(黏聚力c=45 kPa)

    Figure 15.  Relationship between the friction angle and sliding angle, stability coefficient (c=45 kPa)

    表  1  秀茂坪路岩质边坡参数

    Table  1.   Parameters of the rock slope at Sau Mau Ping Road

    参数 注释 大小
    h 边坡高度 60 m
    hw 破坏面上水位高度 h/2=30 m
    γw 水的重度 9.8 kN/m3
    γr 岩石的重度 27 kN/m3
    c 岩石的黏聚力 100 kPa
    φ 岩石的内摩擦角 35°
    α 岩石的坡脚 50°
    θ 破坏面倾角 35°
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    表  2  岩土物理力学性质指标建议值

    Table  2.   Recommended values of the physical mechanics parameters of rock and soil

    岩土名称 状态 天然重度
    γ/(kN·m-3)
    直接快剪 饱和极限抗压强度
    frk/MPa
    地基承载力基本容许值
    fa0/kPa
    挖方边坡永久坡率 岩质边坡类别
    凝聚力标准值
    ck/kPa
    内摩擦角标准
    φk/(°)
    泥岩 W3 22 / 35 / 250 1∶1.25
    泥岩 W2 24 / 45 5 450 1∶1
    砂岩 W3 22 / 35 / 350 1∶1.25
    砂岩 W2 25 / 55 12 800 1∶0.75
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    表  3  岩石各级物理力学参数

    Table  3.   Physical and mechanical parameters of graded rocks

    级别 重度γ/(kN·m-3) 内摩擦角
    φ/(°)
    黏聚力
    c/MPa
    变形模量
    E/MPa
    泊松比
    >26.5 >60 >2.1 >33 0.2
    >26.5 [60, 50) [2.1, 1.5) [33, 20) [0.2, 0.25)
    [26.5, 24.5) [50, 39) [1.5, 0.7) [20, 6) [0.25, 0.3)
    [24.5, 22.5] [39, 27] [0.7, 0.2] [6, 1.3] [0.3, 0.35]
    < 22.5 < 27 < 0.2 < 1.3 < 0.35
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    表  4  打营盘山岩土参数

    Table  4.   The parameters of rock and soil of Mount Dayingpan

    岩土名称 重度γ/(kN·m-3) 内摩擦角φ/(°) 黏聚力c/kPa
    中风化砂岩 25 28 50
    强风化砂岩 22 25 40
    中风化泥岩 24 23 10
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    表  5  不同方法计算所得稳定系数

    Table  5.   Factor of safety of slopes using different methods

    稳定系数 布谷鸟搜索 模拟退火法
    Janbu法 1.050 1.050
    Morgenstern-Price法 1.041 1.040
    Sarma法 1.038 1.039
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  • 收稿日期:  2021-01-08

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