岩体结构分析

岩体结构分析_边坡稳定性分析与

4.3　岩体结构分析

岩体结构分析是推断边坡岩体稳定性的基础和确定稳定边坡角的依据。在边坡不高，地质条件简单时，推断的边坡角可直接作为边坡设计的依据；在边坡较高，地质条件复杂时，推断的边坡角可以作为力学分析的基础。现就以下几种情况进行分析：

4.3.1　单一结构面且走向与边坡面走向一致、倾向也相同的边坡

当结构面走向与边坡面走向一致而倾向也相同的情况下，结构面倾角α可能大于、等于或小于边坡角β，如图4.10所示。显然当β＞α时，边坡不稳定，ABC为滑坡体；β＝α时，边坡稳定；当β＜a时，边坡最稳定，这时边坡角可以提高到AC的位置，使β等于或接近于α。从结构的观点上看，β＝α的边坡角称为稳定边坡角。

图4.10　边坡角与结构面产状的关系

岩体结构分析的中心内容就是推断稳定边坡角，以便为进一步分析计算提供依据。

4.3.2　单一结构面与坡面斜交的边坡

当单一结构面与坡面斜交时，按前述的直观方法不能推断稳定的边坡角，这时必须通过图解分析才能判定稳定的边坡角，一般用以下2种方法：

1）立体图解法

当岩体走向与坡面斜交时，在什么条件下才能出现较大的不稳定体，将这个问题弄清楚，就可以理解推断稳定边坡角的基本原理。在这种情况下，必须具备2种条件：

①边坡的破坏一定是沿着结构面发生。

②滑坡体中必须有一个抗剪力最小的剪切面DEK，如图4.11所示。

图4.11　结构面与坡面斜交立体图

最小剪切面是推断的，它在边坡处于正常状态下是不存在的。它是与结构面走向相垂直的铅垂面，而∠ADE＝90°，并且它本身是垂直于水平面。从库仑定理τ＝σtanφ＋C（φ为滑动面的内摩擦角，C为滑动面的内聚力）可知，当剪切面与水平面的夹角近于90°时，摩擦力趋于零，这时τ＝C，即岩石的抗剪强度最小，所以边坡如果发生破坏，破坏面一定出现在抗剪力最小的面上。这样就会出现不稳定体ADEK。当不稳定体ADEK滑落时，必将沿结构面与该最小抗剪力的剪断面滑落，其滑落方向为DK方向。

为使边坡处于稳定状态，就必须将不稳定体ADEK影响范围的岩体切除，即可求得稳定的边坡角。

式中　γ——剪切面方向与边坡走向之间的夹角；

　θ——结构面的倾角；

　δ——结构面走向与边坡走向的夹角。

例4.2　已知岩层走向N85°E，倾角θ＝50°，倾向SW，边坡高度H＝24m，边坡走向N50°W，倾向SW，试推断稳定的边坡角β。

解　根据已知条件得岩层走向与边坡走向之间的夹角δ＝85°－50°＝35°，岩层层面的垂直剪切面方向与边坡走向之间的夹角γ＝90－δ＝55°。将θ＝50°γ＝55°代入（4.1）式，得

所以　　　　β＝55°30′

按照上述原理，可以得出以下规律：

当结构面走向与边坡斜交时，以结构面倾角推断得出的稳定边坡角β总是大于结构面的倾角。从图4.11中明显看出，在相对稳定的结构类型中，推断的稳定边坡角和结构面、设计边坡面的产状要素之间的关系，可用简单的式（4.1）表示之。

2）赤平极射投影法

应用赤平极射投影法推断稳定的边坡角也非常方便，现举例说明如下：

例4.3　已知边坡角走向N50°W，倾向SW，结构面走向N80°W，倾向SW，倾角50°，试推断稳定的边坡角。

①根据已知结构面的产状要素，应用赤平极射投影原理，绘制结构面投影弧线，如图4.12所示。投影弧线与投影网水平刻度线的交点为M，当A₁A₂垂直水平刻度线时，M点所示的角度就是结构面的倾角θ＝50°。

图4.12　赤平极射投影法推断稳定的边坡角

②按N50°W，在投影网上标注边坡面的走向线控制点D₁D₂，旋转透明纸使D₁D₂的2点分别与投影网的上下2个极点重合。

③因边坡面倾向SW，其投影线D₁D₂必然落在投影网的右侧。通过D₁MD₂3点画弧，该弧与投影网水平刻度线相交于M₁点，则就是稳定边坡的投影线。它的倾角可由投影网水平刻度线上的M₁点表示，M₁点所示的角度为54°。

从以上分析可以证明：在边坡岩体稳定性分析中，与边坡面走向斜交的单一结构面较与边坡平行的单一结构面有利。

4.3.3　2组结构面与边坡面斜交的情况

当有2组结构面与边坡面斜交时，首先分析2组结构面的组合交线与边坡面的关系，当有2组结构面组合交线的倾向与坡面倾向相反时，则这2组结构面一般不会对边坡稳定性带来威胁；但当结构面组合交线的倾向接近于边坡倾向时，则有可能影响边坡的稳定性。

从边坡岩体结构状态来看，边坡岩体结构类型有不稳定结构、基本稳定结构和稳定结构3种。在各个岩体结构类型中，其结构面的组合交线与边坡面的相互关系可用赤平极射投影和实体比例投影进行分析判断。

如果已知边坡坡面和2组结构面的产状要素、两结构面在坡顶缘上实测间距N、边坡高度H和底宽m时，那么采用赤平极射投影和实体比例投影对其进行图解分析，即可确定出各类边坡岩体属于哪一种结构类型，从而可定性地评价边坡岩体的稳定程度。为了说明问题，现对以上所属3种结构类型一一进行分析。

1）不稳定结构

不稳定结构系指边坡岩体结构组合交线的倾向与边坡面倾向一致，且结构面组合交线的倾角α小于边坡角β，形成的滑坡体有可能向下滑动，于是边坡面不稳定结构如图4.9所示。其图解分析方法见4.2节有关实体比例投影的作图步骤的方法。

应当指出：图4.9（c）中结构面组合交线的倾角α是它在边坡横断面上的投影倾角，并不是它的真实倾角，结构面组合交线的倾斜方向也不一定与边坡的走向相垂直。结构面组合交线的真实倾角的倾向可根据图4.9（a）中该交线的赤平投影线OM利用投影网格（吴氏网）直接求得。

另外从图4.9（a）中可以看出：两结构面赤平投影线的交点M落在边坡赤平投影圆弧之外，必须考虑结构面对边坡稳定性的影响。

2）基本稳定结构

当边坡岩体中结构面组合交线的倾向与坡面倾向一致，而结构面组合交线的倾角α大于或等于边坡角β时，边坡基本上是稳定的。

图4.13（a）是2组结构面和边坡坡面的赤平极射投影图；图4.13（b）是边坡坡顶面水平的实体比例平面投射；图4.13（c）是边坡横断面图，其投影原理的方法与前者相同。

图4.13　基本稳定结构

（a）赤平极射投影；（b）实体比例水平投影；（c）边坡横断面；

从实体比例水平投影图4.13（b）中可看出，两结构面在坡顶面上的交点为M₁，但两结构面与边坡面的交线R₁J和S₁K在坡面的水平投影图上没有交会点。为此，将R₁J和S₁K反向延长得交点O₁，再由O₁向边坡坡面pq的延长线作投影线得交点O₂，连接O₂和M₁在边坡横断面上的垂直投影点M₂，则O₂M₂的延长线O₂′M₂即为结构面交线在边坡横断面上的投影。从图4.13（c）中看出，结构面组合交线的倾角α大于边坡角β，故边坡岩体基本上是稳定的。

3）稳定结构

在边坡岩体中，结构面组合交线的倾向与边坡坡面的倾向相反，岩体不易向下滑动，则属稳定结构，见图4.14。

从图4.14（b）中可以看出，两结构面的组合交线在边坡坡面上的交点为O₁，它在边坡横断面上的垂直投影为O₂，走向线R₁J和S₁K在坡顶平面上没有交会点，将R₁J和S₁K反向延长得交点M₁，由M₁向边坡横断面图4.14（c）中坡顶平面延长线作投影线，得交点M₂，连接O₂M₂，则其延长线O₂M₂即是结构面交线在边坡横断面上的投射。可以看出，结构面组合交线的倾向与边坡的倾向相反，则属稳定边坡。

对比图4.9，图4.13和图4.14的赤平极射投影及边坡横断面投影图可以看出：

①结构面组合交线OM与边坡面的赤平投影位于同一投影半圆内，且M点在坡面的赤平投影圆弧以外时，则结构面组合交线的倾角α小于边坡倾角β，边坡属不稳定结构，如图4.9所示。

②结构面组合交线OM与边坡面的赤平投影位于同一投影半圆内，M点在坡面赤平投影圆弧内时，则结构面组合交线的倾角α大于边坡倾角β，边坡岩体属基本稳定结构，如图4.13所示。

③结构面组合交线OM不在坡面赤平投影的同一投影半圆内时，则结构面组合交线的倾向与边坡坡面倾向相反，边坡岩体属稳定结构，如图4.14所示。

图4.14　稳定结构

（a）赤平极射投影；（b）实体比例水平投影；（c）边坡横断面

为了消除边坡不稳定的岩体结构，避免产生边坡滑落，则需选取适宜的边坡角，其稳定边坡角仍可用赤平极射投影法求出。

例4.4　已知2组结构面的产状要素如表4.3，试推断边坡走向N50°W倾向SW时的稳定边坡角。

表4.3　结构面产状要素表

图4.15　两组结构面稳定边坡角的求法

4.3.4　在边坡岩体中有3组或3组以上结构面与坡面斜交

当边坡岩体中有3组或3组以上结构面与边坡面斜交时，虽然组合的形式复杂，但仍可按前述的分析方法根据各结构面的产状和在边坡顶缘处的相互距离，利用赤平极射投影和实体比例投影找出各组合交线与边坡的相互关系。

1）3组结构面与边坡面斜交

图4.16　3组结构面稳定边坡角的推断

图4.16是边坡岩体中有3组结构面（1—1′、2—2′和3—3′）各结构面的赤平极射投影图。边坡走向D—D的方向为NW，倾向NE。该3组结构面共有3条组合交线，各组合交线的倾向和倾角都可用吴氏投影网格直接从赤平投影图中求得。在3条组合交线中1—1′和2—2′两结构面组合交线AO与边坡倾向相反，不会对边坡的稳定性带来威胁。但另2条组合交线，1—1′和3—3′两结构交线BO与2—2′和3—3′两结构面组合交线MO倾向都与边坡倾向相近，都可导致被结构面割裂的岩体沿组合交线向下滑落。可以看出，如以D—D为极轴，以通过M点的经线的经度作边坡角（即作为边坡的赤平投影），则可消除不稳定体保持边坡稳定，故该经线的经度就是推断的稳定边坡角度数。

图4.17　4组结构面稳定边坡角的推断

2）4组结构面与坡面斜交

图4.17所示的是边坡岩体中有4组结构面的赤平极射投射，D—D是边坡的走向线，其方向为NW，边坡的倾向为SW。4组结构面共有6条组合交线，即1与2结构面的组合交线OM，1与3结构面的组合交线为OC，1与4结构面的组合交线为OA，2—3结构面组合交线为OE，2与4结构面的组合交线为OF，3与4结构面的组合交线为OB。

从图中可以看出：除OE交线外，其余各交线都指向邻空，于是都有可能导致岩体滑落。如果各组结构面的性质、延展性、连续性和充填物基本相同，为了稳妥起见，就以倾角最小的顺坡组合交线为准，来推断稳定性的边坡角。因此，若以D—D为极轴，通过M点的经线的经度即是此种岩体结构情况下所推断的稳定边坡角的大小。当各组结构面的性质不同时，就需要进一步分析研究，判断出对边坡稳定性有直接影响的两组结构面，以此为依据来确定稳定的边坡角。

岩体结构分析法，比较简单，直观性强，一般工程技术人员易于掌握，因此，广泛应用在边坡稳定性分析的研究中。