王緒冰　藺興旺　劉海政　韓劍波

土石坡體變形特征及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

王緒冰藺興旺劉海政韓劍波

本文通過對(duì)該高切坡的地層組合及變形破壞特征進(jìn)行分析，采用定性及定量評(píng)價(jià)方法對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，研究結(jié)果得出：（1）高切坡的地層主要由上部與坡向同向外傾的第四紀(jì)含碎石黏土及下部反向內(nèi)傾的侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組砂、泥巖互層組成；（2）坡體現(xiàn)存的變形破壞現(xiàn)象主要為地面拉裂、滑坡及垮塌，坡體變形主要位于巖土分界面之上，受滑動(dòng)帶控制；（3）多種穩(wěn)定性分析結(jié)果綜合表明坡體整體穩(wěn)定性差，在暴雨季節(jié)地表水和地下水的作用下可能會(huì)發(fā)生塌滑破壞。結(jié)合高切坡的地質(zhì)條件、穩(wěn)定性分析結(jié)果及人文環(huán)境等情況，最終選擇削坡減載、抗滑樁、掛網(wǎng)噴射砼護(hù)坡、格構(gòu)支護(hù)和排水工程作為主要治理措施。

隨著三峽庫區(qū)的蓄水，進(jìn)行了大量的移民遷建工作，新建移民居點(diǎn)主要位于地勢(shì)不平的丘陵地區(qū)，建（構(gòu)）筑物場(chǎng)地開挖過程中形成了較多危及居民和建筑物安全的高切坡。許多的工程實(shí)例表明邊坡的穩(wěn)定性對(duì)于工程整體安全、施工進(jìn)度等都有著極其重要的意義，而變形是坡體破壞的主要形式，因此對(duì)高切坡的坡體變形特征進(jìn)行研究，搞清高切坡的變形破壞因素及破壞特征顯得尤為重要。針對(duì)這一問題，學(xué)者們從理論、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)等不同角度對(duì)坡體的變形機(jī)制及影響因素展開研究。如王喚龍等人（2010）分析了4種土體類型的開挖變形破壞特征，并指出堆積體邊坡的具體變形特征與堆積體結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)，并且受到其下臥基巖面的形狀、傾角等因素影響。黃秋香（2011）結(jié)合開挖支護(hù)過程中坡體動(dòng)態(tài)的內(nèi)、外觀測(cè)成果，對(duì)具有軟弱夾層的反傾巖坡的變形特征和變形機(jī)制進(jìn)行分析，研究結(jié)果表明坡體整體變形模式為壓縮-蠕變、傾倒-拉裂復(fù)合模式。肖克強(qiáng)等人（2007）通過地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)對(duì)軟巖高邊坡在開挖及降雨時(shí)坡體的穩(wěn)定性及變形變化規(guī)律進(jìn)行研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，在開挖過程中及時(shí)地施加支擋結(jié)構(gòu)可以有效地抑制坡體的蠕變變形，特別對(duì)坡體中下部的蠕變變形抑制效果更顯著。以往的研究各有側(cè)重地分析了坡體的變形機(jī)制、變形類型及影響因素，但本文研究的高切坡下部巖層層面與坡向反向，而上部巖土界面與坡向同向，這種復(fù)合式的巖土體結(jié)構(gòu)具有一定的獨(dú)特性，值得我們深入的研究。

邊坡結(jié)構(gòu)及變形特征

邊坡因修建教學(xué)樓挖掘形成，走向342°，坡向70°，坡角45～70°，延伸長(zhǎng)260m。區(qū)域構(gòu)造位置屬川東褶皺束萬縣復(fù)向斜東南翼，地層產(chǎn)狀平緩，無次一級(jí)褶皺及斷裂構(gòu)造存在，屬于穩(wěn)定場(chǎng)地。坡體存在多段滑塌區(qū)，主要危及對(duì)象為擬建的中學(xué)圖書館、教學(xué)樓及人員等，危害程度嚴(yán)重。

地層組合及變形破壞現(xiàn)狀

地層組合特征

該高切坡地層自上而下可分為第四系土石混合堆積體與基巖兩套地層如圖1所示，細(xì)分為以下三層：第一層為第四系滑坡堆積土石混合體（Q4del）；第二層為滑帶碎石土及第四系坡殘積粉質(zhì)黏土（Q4dl+el）；第三層為侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組（J2s）紫紅色厚層狀粉砂質(zhì)泥巖夾中厚層狀紫灰色長(zhǎng)石石英砂巖、粉砂巖。其中第三層因風(fēng)化程度的差異，又分為兩個(gè)亞層，強(qiáng)分化層和中等分化層。

圖1　坡體巖層結(jié)構(gòu)組合特征

表1　邊坡結(jié)構(gòu)面特征及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

表2　高切坡穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)表

圖2　校區(qū)教學(xué)樓內(nèi)側(cè)高切坡平面及地質(zhì)現(xiàn)象圖

變形破壞現(xiàn)狀

坡體由南往北分為三段滑塌區(qū)。南段：切坡內(nèi)橫向分布長(zhǎng)度約105m。該段局部土體前緣連同下部破碎基巖產(chǎn)生滑塌，滑帶寬約15m。中段：橫向分布長(zhǎng)度約85m，縱向在公路以下未見基巖出露。該段土體前緣沿基巖頂面產(chǎn)生滑動(dòng)，為階梯狀坐滑形式，已危及坡頂高壓電桿安全。北段：長(zhǎng)約70m，坡體上部土體沿中風(fēng)化基巖頂面產(chǎn)生滑動(dòng)，坡頂土體內(nèi)已見3條拉裂形成的裂縫和小土坎，后緣新建公路因土體滑移路面產(chǎn)生下沉和基底被掏空如圖2所示。

坡體變形一般可以分為卸荷回彈和斜坡蠕變兩種方式。該坡體的破壞形式主要表現(xiàn)為地面拉裂、滑坡及垮塌。

（1）地面拉裂

拉裂破壞主要發(fā)生在該高切坡的坡頂面，拉裂縫上寬下窄，頂部巖土體的完整性遭到破壞。由于坡體開挖，坡體內(nèi)拉張力集中部位移動(dòng)量不均衡，從而使坡體內(nèi)部產(chǎn)生了變形，當(dāng)其拉伸變形達(dá)到或超過土體的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，地表便產(chǎn)生垂向拉裂縫。

（2）坡體滑塌

主要位于坡體的中段上部?；麦w主要為土石混合堆積體，黏性土呈可塑狀，由于人工挖掘坡體產(chǎn)生側(cè)向臨空面，從而引起應(yīng)力的重分布及應(yīng)力集中等效應(yīng)，加上風(fēng)化和雨水淋濾作用，致使滑移面上剪應(yīng)力超過了該面的抗剪強(qiáng)度，淺部土體沿滑移面產(chǎn)生蠕變滑移，由于各部分滑速不同而在滑坡頂部形成不同高程的臺(tái)面和陡坎，順坡向發(fā)育，滑坡形態(tài)保持相對(duì)完整性。

綜合分析高切坡各處的裂縫、滑坡及垮塌現(xiàn)象，雖然變形破壞現(xiàn)象分布的比較零散，但坡體變形主要位于巖土分界面之上，受滑動(dòng)帶控制。

邊坡變形破壞模式

該邊坡為二元結(jié)構(gòu)邊坡，由基巖和上覆的松散堆積層構(gòu)成。邊坡的變形破壞機(jī)制演化如圖3所示。圖3（a）為邊坡的初始狀態(tài)（即未進(jìn)行開挖），松散的堆積層發(fā)育較多的裂隙，基巖和上覆松散堆積層中間存在著軟弱結(jié)構(gòu)面；當(dāng)邊坡巖體進(jìn)行開挖后（圖3（b）），巖體的靜力平衡遭到破壞，開挖引起的附加張應(yīng)力使得軟弱結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度大大的降低。當(dāng)由重力產(chǎn)生的切向應(yīng)力大于軟弱結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度時(shí)，軟弱結(jié)構(gòu)面附近巖體就會(huì)發(fā)生不連續(xù)變形，邊坡巖體整體向臨空面移動(dòng)，同時(shí)發(fā)育在松散堆積層的裂隙在附加張應(yīng)力的作用下，也會(huì)發(fā)生不連續(xù)變形，裂隙會(huì)張開并形成陡坎，在其他地方也會(huì)產(chǎn)生新的裂隙。當(dāng)有其他誘因存在時(shí)，例如降雨或地震，會(huì)進(jìn)一步加快邊坡的移動(dòng)和變形，上述現(xiàn)象會(huì)更加明顯。邊坡的移動(dòng)和變形并不是無止境的，由于邊坡移動(dòng)變形使得附加張應(yīng)力逐漸減小，軟弱結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度會(huì)逐漸增大，當(dāng)由重力產(chǎn)生的切向應(yīng)力小于軟弱結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度時(shí)，邊坡的移動(dòng)和變形就會(huì)停止，最終形成的邊坡如圖3（c）所示。

工程穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

根據(jù)坡體現(xiàn)有變形破壞現(xiàn)象及主要地質(zhì)問題，預(yù)測(cè)今后該高切坡破壞型式主要為土體順外傾滑帶面產(chǎn)生滑坡及垮塌，下部反向內(nèi)傾巖層砂巖中存在的結(jié)構(gòu)面為影響高切坡穩(wěn)定性的潛在因素。因此分析影響高切坡穩(wěn)定的主要因素為巖土體性質(zhì)，以及砂巖中存在的結(jié)構(gòu)面特征。

巖土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

高切坡為巖土質(zhì)類型，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，坡面節(jié)理、裂隙較發(fā)育。坡面主要界線為巖土分層界線、裂隙和砂、泥巖分層界線。泥巖、砂巖層內(nèi)主要發(fā)育兩組裂隙，屬剪切性質(zhì)，規(guī)模較大。邊坡兩組節(jié)理裂隙和各層面的抗剪強(qiáng)度取值見表1所示。高切坡穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表3　邊坡滑塌區(qū)計(jì)算成果表

穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)

為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性，該高切坡采用邊坡塌滑分析法和不平衡推力傳遞法定量分析。對(duì)兩種評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析該高切坡的穩(wěn)定特征。

邊坡塌滑分析

邊坡塌滑分析原理主要依據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》

圖3　邊坡變形破壞機(jī)制演化示意圖

（GB50330-2002），邊坡塌滑區(qū)范圍可按下式預(yù)測(cè)：

式中：

L——邊坡坡頂塌滑區(qū)邊緣至坡底邊緣的水平距離（m）；

H——邊坡高度（m）；

θ——邊坡巖體破裂角，當(dāng)無外傾結(jié)構(gòu)面時(shí)，按45°+φ/2考慮；有外傾結(jié)構(gòu)面，取外傾結(jié)構(gòu)面傾角和45°+φ/2的小值。

結(jié)合場(chǎng)地實(shí)際情況，按間距40m布設(shè)5條地質(zhì)剖面，編號(hào)從南至北分別為1～5號(hào)剖面如圖2所示。分別進(jìn)行邊坡塌滑區(qū)范圍預(yù)測(cè)，該高切坡5條剖面滑塌區(qū)預(yù)測(cè)結(jié)果如表3所示。

當(dāng)預(yù)測(cè)坡頂塌滑區(qū)水平投影距離L大于實(shí)際坡面水平投影L’時(shí)，意味著坡體穩(wěn)定性減低，滑塌物的破壞性增強(qiáng)。根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，本高切坡除2號(hào)剖面外，其他剖面塌滑區(qū)最大范圍L均小于現(xiàn)高切坡坡頂邊緣至坡底邊緣的水平投影距離L’，表明2號(hào)剖面穩(wěn)定性較低，2號(hào)剖面區(qū)域在暴雨季節(jié)地表水和地下水的作用下可能會(huì)發(fā)生塌滑破壞。

高切坡主要為崩塌滑坡土石混合體（剖面1、3、4部位），剖面2高切坡主要為中風(fēng)化泥巖，其等效內(nèi)摩擦角均小于其對(duì)應(yīng)的巖體破裂角，說明南、中段邊坡整體穩(wěn)定性差；5剖面等效內(nèi)摩擦角為64°大于巖體破裂角58.5°，說明北段滑塌體整體穩(wěn)定。

不平衡推力傳遞法穩(wěn)定性分析

圖4　高切坡3號(hào)剖面計(jì)算模型和邊界

表5　穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比分析表

為進(jìn)一步準(zhǔn)確獲取邊坡穩(wěn)定性狀況，采用不平衡推力傳遞法對(duì)高切坡進(jìn)行穩(wěn)定性進(jìn)行定量計(jì)算。選擇5條剖面進(jìn)行定量計(jì)算，此處以3號(hào)剖面（圖4）為例用于說明計(jì)算模型及邊界。

綜合考慮邊坡在未來?xiàng)l件下的營(yíng)運(yùn)狀況，高切坡穩(wěn)定計(jì)算的選取兩種工況：I：天然+自重；II：暴雨+自重。

穩(wěn)定系數(shù)Ks計(jì)算公式如《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》GB50330-2002式5.2.5-1，5.2.5-2。

式中ψi——第i計(jì)算條塊剩余下滑推力向第i+1計(jì)算條塊的傳遞系數(shù)。

高切坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表4。

1) 目前中國(guó)油庫固定消防系統(tǒng)立足于撲救儲(chǔ)罐初期火災(zāi)和密封圈雷擊火災(zāi)，隨著國(guó)內(nèi)油庫建設(shè)規(guī)模擴(kuò)大，應(yīng)配套撲滅大型儲(chǔ)罐全面積火災(zāi)的消防設(shè)備，提高泡沫炮的泡沫供給強(qiáng)度和改善泡沫噴射方式是快速滅火的關(guān)鍵，也是大型儲(chǔ)罐滅火技術(shù)的發(fā)展方向。

表4　巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果表

不平衡推力傳遞法穩(wěn)定性分析結(jié)果表明，該高切坡中段滑塌區(qū)在兩種工況下穩(wěn)定系數(shù)均小于一級(jí)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)1.35，故整體不穩(wěn)定。

邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果

定量分析結(jié)果顯示坡體整體穩(wěn)定性差，坡體的穩(wěn)定性主要受上部順傾巖土層分界面的控制，高切坡可能沿該界面發(fā)生破壞，北段滑塌區(qū)相對(duì)穩(wěn)定，其中工況Ⅱ下坡體整體穩(wěn)定性降低，表明降雨對(duì)坡體的穩(wěn)定性有一定的影響如表5所示。

結(jié)語

（1）高切坡地層組合主要由上部與坡向同向外傾的第四紀(jì)含碎石黏土及下部反向內(nèi)傾的侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組砂、泥巖互層組成，巖土界面為滑坡帶；坡體現(xiàn)存的變形破壞特征主要為地面拉裂、滑坡及垮塌，坡體變形主要受滑動(dòng)帶控制。

（2）對(duì)坡體的穩(wěn)定性綜合分析表明坡體整體穩(wěn)定性較差，特別是坡體南段和中段部位穩(wěn)定性較低，坡體在暴雨季節(jié)很容易沿巖土界面發(fā)生滑塌事故，北段坡體穩(wěn)定性相對(duì)較好。

（3）綜合分析該高切坡的地質(zhì)條件、穩(wěn)定性狀態(tài)以及周邊人文環(huán)境等情況，建議采用相應(yīng)的治理措施對(duì)高切坡進(jìn)行防護(hù)，如削坡減載、抗滑樁、掛網(wǎng)噴射砼以及排水等工程，增強(qiáng)高切坡的穩(wěn)定性。

王緒冰藺興旺劉海政韓劍波

王緒冰（1989- ）男，山東汶上人，山東科技大學(xué)全日制碩士研究生在讀，主要從事工程地質(zhì)研究工作。

項(xiàng)目資助：山東省高等學(xué)?？萍加?jì)劃項(xiàng)目（J11LE13），山東科技大學(xué)科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃資助（NO.2012KYTD101）

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.07.005