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[論赤平投影在巖質邊坡穩定性分析中的應用]赤平投影分析邊坡穩定性

來源:花樣生活 時間:2019-04-29 點擊: 推薦訪問: 分析 分析儀 分析儀器

  【摘要】赤平投影是一種先進的科學發展產物,形象、直觀,是研究地質構造的一種有效手段。本文從赤平投影的發展狀況開始,著重總結介紹了赤平投影在巖質邊坡穩定性分析中的各種應用。
  【關鍵詞】赤平投影;原理;巖質邊坡;穩定性;分析應用。
  中圖分類號:TU457 文獻標識碼:A 文章編號:
  引言
  赤平投影是一種先進的科學產物,是一種直觀、形象、簡便的科學分析方法,也是化立體為平面求解的一種綜合定量圖解方法,它是研究地質構造的一種有效手段。利用它能夠有效地解決地質構造中的幾何形態和應力分析等許多復雜的問題,特別是在許多大型工程項目中,對巖質邊坡的穩定性分析簡化起到了至關重要的作用。因此,作者根據多年的工作經驗及總結,撰寫此文,推波助瀾、拋磚引玉,以期引起更多學者對赤平投影的關注,進一步促進工程地質和巖體力學的發展。
  1 赤平投影發展概況
  極射赤平投影簡稱赤平投影,它主要用來表示線和面的方向、相互間的角距關系及其運動軌跡。利用一個球體作為投影工具,把物體置于球體中,將物體在三維空間的幾何要素(點、線、面)反映在投影平面上進行研究處理的一種科學分析方法。其特點是所用工具簡單、操作方便、綜合性強。主要應用于天文、航海、測量、地理及地質科學的生產、科研實踐中。赤平投影的發展可追溯到公元前二世紀,希臘天文學家希巴斯用赤平投影研究天文;1920年美國科學家布克利用它進行節理構造的分析;1953年我國地質學家張濤用它求解褶皺樞紐的產狀,并著有《赤平投影在地質科學中的應用》一書;李學湯等學者利用其方法進行邊坡穩定性分析;孫玉科等在《赤平投影在巖體工程力學中的應用》一書中,詳細地研究了赤平投影在工程地質測繪、邊坡巖體結構與穩定性評價、洞室圍巖穩定性評價、空間共點力系的求解和塊體滑移穩定分析中的應用。二十世紀以來,赤平投影在工程地質中主要是應用在邊坡穩定性分析、求解巖層的真厚度、地下巖層結構面的產狀以及楔形巖體穩定性計算等??傮w來看,赤平投影發展較緩慢,研究深度空間存在較大潛力。
  2 赤平投影在巖質邊坡穩定性分析中的應用
  眾所周知,在巖質邊坡穩定性分析中,巖體結構面(即存在于巖體中的各種地質界面,如層面、節理裂隙面、斷層面、夾泥面、不整合面等)是研究重點。利用赤平投影可以直觀地反映巖體中結構面的分布情況。正確把握結構面的幾何特征,是判斷邊坡可能失穩模式的關鍵。由于結構面強度低,且與巖體本身的強度差異極大,故巖體在發生破壞時,往往是沿結構面產生剪切滑移、整體變形或破裂,導致邊坡局部或整體發生失穩。因此,分析邊坡的穩定性時,應對結構面進行仔細研究,找準邊界條件,確定有關參數,選擇有效合理的方法進行綜合分析、論證。
  分析邊坡穩定性的方法很多,根據不同巖土介質、結構組合等宜采用不同的分析方法。對于接近整體結構的巖質邊坡,宜使用分析應力應變特征的有限元和其他非連續介質的方法;對于風化、破碎的巖體,則可采用土質邊坡穩定性分的極限平衡方法;對受結構面影響較大的順層、斜交等邊坡穩定性可采用赤平投影方法進行分析。
 ?。?)赤平投影在單組結構面中的應用
 ?、佼攷r體結構面的走向與邊坡的走向一致時,邊坡巖體穩定性可直接用赤平投影判斷,分三種情:穩定、基本穩定和不穩定。詳見下圖:弧AMC為邊坡的投影,J1、J2、J3為三個與邊坡走向一致而傾向相反的結構面,在圖①中,J1與坡面AC傾向相反,屬穩定結構;圖②中,J2與坡面AC傾向相同,傾角大于邊坡傾坡,屬基本穩定結構;圖③中,J3與坡面AC傾向相同,傾角小于邊坡傾坡,一般屬不穩定結構??梢?,在赤平投影圖上,結構面投影弧形與邊坡投影弧形方向相反,屬穩定邊坡;方向相同,而結構面投影弧形位于坡面投影弧形之內者,屬基本穩定邊坡;在外者,屬不穩定邊坡。對于反向邊坡,結構面對邊坡的穩定沒有直接影響,就巖體結構而言,即使坡角達到90o也是比較穩定的。對于順向坡,結構面的坡角可作為穩定坡角。②當單一結構面與邊坡走向斜交時,邊坡的穩定性發生破壞有兩個條件:一是邊坡穩定性的破壞一定是沿著結構面發生的;二是必須有一個直立的并垂直于結構面的最小抗切面(τ=0)。③當結構面走向與邊坡走向呈直交時,穩定坡角大,可達90o。④當結構面走向與邊坡走向平行時,穩定坡角最小,即等于結構面的傾角。
  
 ?。?)赤平投影在兩組結構面中的應用
 ?、僭趫DⅠ中,兩結構面J1、J2的交點M,在赤平投影圖上位于邊坡面投影弧的對側,其組合交線的傾向與邊坡傾向相反,即傾向坡里,沒有發生順層滑動的可能性,屬穩定結構。
 ?、谠趫DⅡ中,結構面的交點M雖與邊坡處于同側,但是位于開挖坡面投影弧形的內部,結構面的交線傾向與坡面傾向一致,但傾角大于坡角,故仍屬穩定結構。
 ?、墼趫DⅢ中,結構面的交點M雖與邊坡處于同側,但是位于天然邊坡投影弧形的外部,結構面的交線傾向與坡面傾向一致,且傾角小于坡角,但在坡頂尚未出露,因而也比較穩定,應屬較穩定結構。
 ?、茉趫DⅣ中,結構面的交點M雖與邊坡處于同側,但是位于兩邊坡投影弧形的之間,結構面的交線傾向與坡面傾向一致,傾角小于開挖坡角而大于天然坡角,而且在坡頂上有出露點,該種情況一般屬不穩定的。
 ?、菰趫DⅤ中,與圖Ⅳ一樣,結構面組合交線在兩部分都有出露,屬不穩定結構。
  
  
 ?。?)赤平投影在多組結構面的分析
  由多組結構面組成的邊坡,其分析基本原理和方法與兩組結構面一樣,不同的是組合交線的交點增多了。但是,無論多少交點,經分析,其中有不影響邊坡穩定性的(如位于邊坡投影對側的點),影響不大和有明顯影響的(如位于邊坡投影同側,傾角又小于坡角的點)等幾種不同情況。分析時,若是各組結構面的物質組成、延展性、張開度、充填膠結情況、平整光滑程度等特征基本相同的情況之下,可選擇其中最不利的交點進行分析。如果它們各不相同,則應根據各組結構面的不同特征進行綜合分析,先判斷出對邊坡穩定性有直接影響的兩組結構面,然后以此兩組結構面為依據來判斷邊坡穩定性和計算其穩定坡角。
 ?。?)赤平投影在結構體滑移方向的應用
  當邊坡受兩組結構面J1和J2切割,其穩定性受結構面控制時,為分析不穩定結構體的滑動方向,按結構面產狀作出赤平投影圖,找出傾向線AO和BO及結構面組合交線CO,則滑動方向必為下述a、b、c三種情況之一。
 ?、僖妶Da,結構面交線CO在兩傾向線AO、BO之間,則組合交線CO為滑動方向,兩組結構面都是滑動面。
 ?、谝妶Db,結構面交線CO在兩傾向線AO、BO之外,則其中一條傾向線為滑動方向,AO是滑動線,即沿結構面J1的傾向線滑動,結構面J2僅起切割作用。
 ?、垡妶Dc,若結構面的交線CO和一條傾向線重合,CO與AO重合,則傾向線AO就是滑動時的滑動方向,此時,結構面J1是主要滑動面,而結構面J2則為不穩定結構體滑動時摩阻力較小的依附面。
  
  3 結語
   赤平投影方法是一種先進的、有效的、科學的、簡便的分析方法,應用較廣泛。在地質構造科學中,它能將復雜的巖體結構組合用平面圖形展示出來,形象、直觀,值得進一步推廣和應用。
  作者簡介:
  宋旭(1975-),男,巖土工程師,主要從事巖土工程與水文地質等工作。
  參考文獻
  [1] 陳祖煜,等,巖質邊坡穩定性分析——原理·方法·程序,北京,中國水利水電出版社出版,2005年。
  [2] 常士驃,等,《工程地質手冊》(第四版),中國建筑工業出版社出版,2006年。
  [3] 董學晟,巖石力學與環境和生態平衡[D],中國科技大學,2000年。

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