曾 彪，馮 登

(1.重慶交通大學 水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074；2.重慶交通大學 河海學院，重慶 400074；3.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

自20世紀60年代，國內外學者開始開展滑坡的預報研究工作，根據(jù)比較明顯的滑坡宏觀現(xiàn)象來預測滑坡災害[1-5]。楔形體是巖質邊坡中一種常見的破壞形式。在實際工程中，如何根據(jù)楔形體的變形來判斷其穩(wěn)定狀態(tài)是一個重要的問題。楔形體滑坡屬于雙滑面滑坡，由于2個滑面的產(chǎn)狀、抗剪強度參數(shù)等存在差異，其對楔形體的抗滑作用也不同[6-11]。許多研究及統(tǒng)計資料表明，影響庫岸邊坡穩(wěn)定性的重要因素是地下水。地下水的滲流作用會影響邊坡中作為滲流骨架的巖體力學性質，從而來影響岸坡穩(wěn)定性[12-14]。本文對楔形體進行受力分析，探討楔形體中結構面對坡體穩(wěn)定性的影響，對傳統(tǒng)的水壓力分布模型加以改進，求解楔形體的權重位移，從而根據(jù)現(xiàn)場的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)選擇合適的時機對坡體進行支護。

1 楔形體穩(wěn)定性分析

空間楔形體的穩(wěn)定性問題是一個三維問題。塊體的自重、拉裂縫和滑動面上的靜水壓力的計算以及各結構面上的受力分析是巖質邊坡中復雜問題[1]。圖1為楔形體塊體簡化模型。

圖1 楔形塊體簡化模型

1.1 傳統(tǒng)的水壓力分布規(guī)律

楔形體穩(wěn)定性分析中，只考慮楔形體幾何方向很難準確得到楔形體安全系數(shù)。1973年Hoek等在對楔形體極限穩(wěn)定性分析中，考慮了楔形體的幾何尺寸、結構面的抗剪強度和地下水分布。以結構面Ⅰ(參見圖1)為例，其水壓力分布如圖2所示。

圖2 Hoek提出的楔形體水壓力分布

Hoek所提出的水壓力分布類型是取結構面交線的中點處為水壓力最大點，大小按靜水壓力計算方法計算。這種水壓力分布形式適用于一些特殊情況，并不是對每一種情況都適用。

1.2 合理的水壓力分布規(guī)律

楔形體巖質邊坡的無充填裂隙中的水壓力分布極為復雜，裂隙貫穿情況影響裂隙中的水壓力分布[12]。①水壓力分布形式1。若楔形體裂隙具有充分泄水能力，即楔形體裂隙下端(交線1和交線2)的泄水能力大于垂直楔形體裂隙上部(交線3和交線4)補給能力，則裂隙中不會形成穩(wěn)定的水位，這時的靜水壓力為0。②水壓力分布形式2。若楔形體裂隙下端(交線1和交線2)具有較大的泄水速度，但泄水能力不大于楔形體裂隙上端(交線3和交線4)補給能力，則其水壓力分布為傳統(tǒng)的水壓力分布，可應用Hoek所提出的楔形體極限平衡分析法分析。③水壓力分布形式3。若楔形體潛滑面下端沒有張開，即圖1中交線1和交線2是閉合的，不存在泄流的情形，裂隙水壓力可按裂隙中水位按靜水壓力計算，如圖3所示。

圖3 裂隙下端無泄水口時裂隙水壓力分布

對于楔形體裂隙下端屬于張開型即存在泄水口的情形，由于水的流動而在泄流口附近產(chǎn)生靜壓力下降。但是當水流速不高且流量不大時，依然可以按照無泄流口計算裂隙水壓力，這樣在邊坡的穩(wěn)定性研究中是偏于安全的。

2 合理裂隙水壓力下安全系數(shù)求解

2.1 水壓力分布形式1

當楔形體的裂隙具有充分的泄水能力，在確定邊坡安全系數(shù)時不考慮裂隙水壓力的作用。此時坡體的安全系數(shù)為

(1)

式中：NⅠ,NⅡ分別為結構面Ⅰ，Ⅱ上的有效正應力;AⅠ,AⅡ分別為結構面Ⅰ,Ⅱ的滑動面積;cⅠ,cⅡ分別為結構面Ⅰ，Ⅱ上的黏聚力;φⅠ,φⅡ分別為結構面Ⅰ，Ⅱ上的內摩擦角;S為下滑力。

2.2 水壓力分布形式2

當楔形體的水壓力為分布形式2時，假定楔形體水壓力停留在結構面Ⅰ和Ⅱ,作用在結構面Ⅰ和結構面Ⅱ上的靜水上舉力UⅠ2,UⅡ2分別為

式中：σW2為水壓力分布形式2時結構面Ⅰ和結構面Ⅱ受到的最大靜水壓力；H為楔形體坡高；γW為水的重度。

基于極限平衡理論，巖質邊坡楔形體安全系數(shù)計算公式為

(5)

特別指出，水壓力的以上分布形式是特別大的暴雨條件下所發(fā)生的實際最大值。根據(jù)以上各公式求出的邊坡安全系數(shù)，可視作此邊坡的最小安全系數(shù)。這對工程穩(wěn)定性分析而言偏于安全。

2.3 水壓力分布形式3

當楔形體的水壓力為分布形式3時，作用在結構面Ⅰ和結構面Ⅱ上的靜水上舉力UⅠ3,UⅡ3分別為

式中：σW3為水壓力分布形式3時結構面Ⅰ和結構面Ⅱ受到的最大靜水壓力。

基于極限平衡理論，巖質邊坡楔形體安全系數(shù)計算式為

(9)

當楔形體的水壓力為分布形式3時，其安全系數(shù)計算和水壓力分布2類似，只是最大靜水壓力不同。對比水壓力分布形式2和水壓力分布形式3，可以得到

(10)

(11)

3 楔形體權重位移求解

在楔形體位移求解中，結構面Ⅰ和結構面Ⅱ都對楔形體位移產(chǎn)生滑移作用。由于2個滑面的產(chǎn)狀、抗剪強度參數(shù)等方面存在差異，其對楔形體的抗滑作用也不同。針對楔形體的受力特點，建立結構面Ⅰ和結構面Ⅱ的對坡體位移的權重參數(shù)。以楔形體水壓力分布形式1為例，對楔形體位移進行權重分析，其余的2種水壓力分布形式的權重參數(shù)求解類似。

根據(jù)式(1)中巖質邊坡楔形體安全系數(shù)計算式，建立結構面Ⅰ和結構面Ⅱ的權重參數(shù)PⅠ,PⅡ為

(12)

(13)

楔形體位移εmax為

εmax=PⅠ·εmax,Ⅰ+PⅡ·εmax,Ⅱ

(14)

式中：εmax,Ⅰ,εmax,Ⅱ分別為結構面Ⅰ和結構面Ⅱ的最大剪切位移。

4 實例分析

4.1 工程概況

渝黔高速鐵路大部分路基位于天然順層巖質坡體上，巖層傾向與地形坡向一致，開挖時極易沿層面發(fā)生坍塌。下伏基巖主要為灰?guī)r，地表出露的巖土體為黏土夾碎石。高風化層的巖體裂隙發(fā)育，巖體破碎。中風化層的巖體受層間裂隙影響，巖石質量一般。本文以其中1處楔形體滑坡為例進行研究。

根據(jù)地質勘查資料、周邊區(qū)域地質資料及現(xiàn)場調查情況，確定其結構面、層面和自然坡面的產(chǎn)狀要素。依據(jù)勘查期間所取的巖樣進行室內剪切試驗，對該坡體結構面的物理力學參數(shù)進行經(jīng)驗取值，見表1，傾向為從正北方向為基準順時針旋轉得到的角度。圖4為邊坡的赤平極射投影圖。

表1 楔形體產(chǎn)狀要素

注：γr為楔形體巖體重度。

圖4 邊坡的赤平極射投影

4.2 楔形體穩(wěn)定性分析

根據(jù)前述楔形體極限平衡理論，對楔形體穩(wěn)定性進行分析。當不考慮水壓力時，穩(wěn)定性分析計算結果見表2。

表2 楔形體穩(wěn)定性分析計算

當楔形體水壓力分布為形式2時，計算得到的坡體安全系數(shù)為1.234；當楔形體水壓力分布為形式3時，計算得到的坡體安全系數(shù)為0.556。在不同的水壓力分布形式下，楔形體的安全系數(shù)相差很大。

4.3 權重位移分析

雙滑面楔形體中2個結構面的產(chǎn)狀、抗剪強度參數(shù)等對楔形體的抗滑作用不同。針對楔形體的受力特點及水壓力分布形式，建立結構面Ⅰ和結構面Ⅱ的對坡體位移的權重參數(shù)，對楔形體進行權重位移求解。

根據(jù)楔形體權重位移分析，需要獲取2個結構面的最大剪切位移。?、?Ⅱ結構面巖樣做單軸壓縮試驗，參照相關資料[15]對結構面抗剪峰值強度進行取值，可得Ⅰ,Ⅱ其峰值位移值，試驗結果見表3。

表3 巖樣單軸試驗結果

1)水壓力分布形式1

當楔形體水壓力為分布形式1時，將表2內相應參數(shù)帶入到式(12)和式(13)中，可得結構面Ⅰ和結構面Ⅱ的權重參數(shù)PⅠ= 0.540，PⅡ= 0.460。從而可得楔形體峰值位移為

εmax=0.54×4.406×10-3+0.46×

4.258×10-3=4.338×10-3m

參照GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術規(guī)范》，本算例邊坡為二級邊坡，由規(guī)范查得邊坡穩(wěn)定系數(shù)FS=1.3，則

結構面交線允許最大位移為3.337 mm。

2)水壓力分布形式2

當楔形體水壓力為分布形式2時，可得結構面Ⅰ和結構面Ⅱ的權重參數(shù)PⅠ= 0.589，PⅡ= 0.411。從而可得楔形體峰值位移為

結構面交線允許最大位移為3.337 mm。

3)水壓力分布形式3

當楔形體水壓力為分布形式3時，可得結構面Ⅰ和結構面Ⅱ的權重參數(shù)PⅠ= 0.759，PⅡ= 0.241。從而可得楔形體峰值位移為

εmax=0.759×4.406×10-3+0.241×

4.258×10-3=4.37×10-3m

結構面交線允許最大位移為3.362 mm。

楔形體不同裂隙水壓力分布下穩(wěn)定性分析及權重位移求解流程見圖5。

圖5 流程圖

以上楔形體的權重位移計算結果表明，該算例中的楔形體在不同水壓力分布下安全系數(shù)相差很大，但權重位移相差不大。這與楔形體結構面的產(chǎn)狀和物理力學參數(shù)也是緊密相關的，如果對所有的楔形體都采用傳統(tǒng)的Hoek所提出的水壓力分布形式，有時計算結果會偏于理想化，會對實際工程不利。

在實際工程中，進行監(jiān)測預報時，應充分考慮楔形體的幾何特征，選擇合適的水壓力分布形式，對楔形體進行受力分析及權重位移求解，以更好地指導邊坡監(jiān)測與支護。

5 結語

1)對楔形體受力進行了分析，并分析不同裂隙形態(tài)下的楔形體水壓力分布形式。由于楔形體結構面抗剪強度對楔形體穩(wěn)定性影響程度不同，根據(jù)其受力特點及水壓力分布形式，對楔形體進行穩(wěn)定性分析，并推導出楔形體結構面權重參數(shù)。

2)參考試驗資料及相關規(guī)范，給出單結構面的最大剪切位移，運用權重參數(shù)求解出楔形體的最大剪切位移，設定楔形體安全系數(shù)推導出臨界位移值。根據(jù)監(jiān)測點與結構面交線的幾何特點，可判斷監(jiān)測點位移與臨界位移值的關系。

3)在研究邊坡穩(wěn)定性問題時，應用傳統(tǒng)的裂隙水壓力分布形式所得裂隙水壓力計算值偏理想化，對實際工程不利。在實際工程中進行楔形體穩(wěn)定性監(jiān)測預報時，應充分考慮楔形體的幾何特征，選擇合適的水壓力分布形式，對楔形體進行受力分析及權重位移求解，以更好地指導邊坡監(jiān)測與支護。