岩体锚固位置的估算及应用

[摘要]在岩体锚固工程中，岩体潜在破坏面位置的确定是锚固深度设计的重要依据。在实际工程中，对于岩体的倾倒式破坏，由于后缘裂隙出露面有限，难以确定其潜在破坏面的位置。结合广西凤山县石灰岩边坡治理工程，通过现场勘查发现节理裂隙具有成组的特性，对数据做赤平投影，判定控制岩体破坏的结构面发育情况及破坏方式；通过分析潜在破坏面的发育位置与安全系数的关联性，按规范已知设计安全标准，反推出锚固深度的下限值，对岩体边坡锚固位置的估算有一定的参考价值。

[关键词]锚固深度 潜在破坏面 倾倒破坏

[中图分类号] U213.1+3 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2014）-4-196-3

1引言

岩质边坡是岩溶发育地区常见的边坡形式，这类边坡具有高、陡、险等特点，常见于贵州、广西等喀斯特地貌发育地区。近年来，由于交通建设、矿石开采等社会发展的需要，出于对经济成本和地质环境等因素的考虑，常常需要对岩质山体进行高切坡，从而产生了一系列与岩质边坡相关的工程地质问题。

在对岩质边坡进行治理时，锚固支护是常用的方法。其具有支护成本较低、作用效果明显等优点。在锚固深度的确定中，潜在滑移面位置是一个关键的影响因素。目前滑移面多是参照均质土坡按圆弧形滑面确定发育位置[1]，其结果往往与实际情况差别较大，导致设计方案不合理，进而导致边坡支护达不到设计要求或造成设计浪费。

按《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2002）岩质边坡的破坏形式分滑移型和崩塌型，其中滑移型又分为外倾结构面控制的滑移以及不受或无外倾结构面控制的岩体滑移破坏。对于外倾结构面发育位置的确定规范没有明确。

鉴于此，常用的方法一般是假设滑移面发育位置，求得相应安全系数，再通过数学拟合得到位置与安全系数的关系。本文依据规范所提供的公式，联系滑移面发育位置与安全系数的关系，进而确定安全锚固深度。

2外倾结构面特性

岩体结构面包含原生结构面、构造结构面、次生结构面三类。其中，岩体在构造应力的作用下所形成的结构面具有成组特性（第六章）。因此，对于任一岩质边坡，除表面可见的结构面外，在其内部也应发育有产状近似的结构面，这些成组的结构面一起控制着岩体的变形。对于外倾式边坡，只需要对控制其外倾的结构面展开研究即可。可假设外倾式破坏的边坡内部发育有一系列与控制结构面相平行的结构面。

由于岩体内的结构面总是交错发育的，岩石都具有一定的吸水和透水性，雨季来临时，岩体内部靠近表层的结构面可以通过其它与之相贯通的、非控制性的结构面进行水流传递，使自身处于充水（或者赋水）状态，在水压力作用下，也可以导致边坡沿这类非出露的结构面产生破坏。

3后缘裂隙深度与稳定性的关联性

稳定性系数是判定岩体是否稳定的常用的计算方法。通过对各种地质灾害稳定性计算公式的，判定地质体稳定的一般思路是：

F=■ （1）

―F为稳定性系数。

对于倾倒式破坏，规范《重庆地质灾害防治工程勘察规范》（DB50143-2003）根据后缘和底部岩体抗拉强度控制岩体破坏的形式将计算方式分为a、b两类。本文只讨论由底部岩体抗拉强度控制的破坏（即b类）。

V―裂隙水压力（kN/m）

flk―危岩体抗拉强度标准值（kPB）（根据岩石抗拉强度乘以0.4的折减系数确定）

当危岩体由底部岩体抗拉强度控制破坏时，其重心点与倾覆点的作用矩a与b成正比，设a=k1b，其中0

对F（b）求导，有：

由于b>0，其余因子均为正数，故倾倒块体安全系数随裂隙发育深度的深入而递增，这与经验常识相同。因此，对于特定的坡面，在后缘裂隙未出露或出露不明显的情况下，可根据b与F的相关性，求取规范所要求的F值对应的b值大小，进而确定锚固段锚固深度的下限值。

如遇图示节理发育情况，即结构面反倾下的破坏形式，一旦底部出现贯通，则块体极易产生变形，发育至绕支点产生旋转的倾倒破坏初步形式。规范未明确提出，故需对公式加以推导。

4锚固深度估算的分析过程

x为后缘裂隙充水部分某处深度。分母部分不利力矩为：

当T0的对稳定性不利的情况。

将上式代入（3）式中，得

5工程案例

国内某矿山治理工程为一高边坡治理项目。经现场勘察，某一治理分区内普遍发育2～3组构造节理，坡面：337°∠85°，主要节理产状：

J1：132°∠82°；

J2：205°∠83°；

J3：295°∠85°；

区内各组结构面的组合不会构成滑移型崩塌体。J1节理和坡面反倾，走向小角度相交，具备发生倾倒或拉裂式破坏的可能性。根据规范要求，治理后安全系数需达到1.25。

在AUTOCAD辅助设计软件中将块体1构造为一个面域，使用massprop命令求出该面域质心，质心距倾倒点距离为0.8m，倾倒点距坡顶高为26.08m。

参数选取：

岩体重度γ=27 kN/m3

水重度γw=10kN/m3

抗拉强度：flk= 2.25×1000×0.4 kN/m2

倾倒体高度：h=26.08m

节理视倾角：β=72°

重心位置：a=0.8m，b=3.31m

顶部坡脚较缓，按水平角计算，坡面按直角处理。建立如图直角坐标系，故：

其中：

建立b-F关系方程：

其中hw充水高度按h取值，使计算结果偏安全。将上式导入Excel软件，采用单变量求解功能，目标单元格为安全系数F，目标值为1.25，可变单元格为b，解得b为10.6m，故倾倒点处最低锚固深度为11.58m。

6结论与分析

本文提出了一种当由底部岩体抗拉强度控制的岩体破坏时，确定锚固深度的一种估算方法，以广西凤山县矿山高边坡治理项目为例，对锚固深度进行了估算，得出以下结论：

（1）通过假设岩体内部裂隙发育位置，确定安全锚固深度符合实际工程需求。

（2）推导裂隙倾向与坡向相反情况下的安全系数计算公式，符合现实情况。

（3）本文工程案例在计算时，依据边坡形状对其进行了一定的简化以便于计算，与实际情况存在一定偏差。对于复杂的边坡掌子面及坡顶，应根据实际情况确定w、a与b之间的关系式。

Estimation and Application of Rock Anchoring Position：

Two Limestone Slope Treatment at the west of Fengshan Country

LUO Xing-huan1， LUO Chao2， YANG Yue2， WANG Han-cheng2， CHEN Ren-quan3

1. Guangdong Provincial Geological Bureau Fourth Geological Brigade， Zhanjiang， Guangdong，524000， China；2. College of Engineering， China University of Geosciences， Wuhan 430071， China；3. Institute of Geological Survey， China University of Geosciences， Wuhan 430071， China

Abstract： In the anchorage of rock mass engineering rock mass， determine the position of the potential failure surface is an important basis for the design of the anchorage depth. In practical engineering， the rock mass toppling failure， because the trailing edge crack appearance is limited， it is difficult to determine its potential failure surface position. Combined with the Guangxi Fengshan County limestone slope engineering， through field investigation discovery jointed with group character， do the stereographic projection data， determine the structure control of rock failure surface growth and failure mode； by analyzing the relevance of potential failure surface development position and safety factor， according to the standard of known design safety standards， the lower limit anchorage depth value， estimation of the anchor position of rock slope has a certain reference value.

Key words： The potential failure surface of anchorage depth of toppling failure