劉一強 朱杭琦

摘 要：在山區(qū)建設中，巖質邊坡普遍出現(xiàn)，因此分析巖質邊坡的穩(wěn)定性尤為重要。黃山某巖質邊坡勘察，采用極射赤平投影法、力學計算法分別對該巖質邊坡穩(wěn)定性進行定性分析和定量計算，并利用FLAC3D數值模擬法進行驗證。結果表明：該巖質邊坡整體較穩(wěn)定，但因L1、L2兩組節(jié)理面與巖層面組合成楔形體，在不利條件下，易沿 L2節(jié)理面向下滑動，破壞模式為滑塌式。數值模擬驗證了該邊坡在天然工況下處于穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

關鍵詞：巖質邊坡;極射赤平投影;力學計算;FLAC3D數值模擬

Abstract： In mountain area construction， rocky slopes are common， so it is particularly important to analyze the stability of rocky slopes. In the survey of a rock slope in Huangshan， the paper uses the polar erythroscopic projection method and mechanical calculation methods to qualitatively analyze and quantitatively calculate the stability of the rock slope， and then uses FLAC3D numerical simulation method to verify. The results show that the rock slope is relatively stable as a whole. However， because of the two sets of joint planes L1 and L2 combined with the rock layer to form a wedge-shaped body， it is easy to slide along the L2 joint plane under unfavorable conditions. And the failure is expected to be a slump mode. Through numerical simulation， it is verified that the slope is stable under natural conditions and unstable under heavy rain conditions.

Keywords： rocky slope; polar equatorial projection; mechanical calculation; FLAC3D numerical simulation

近年來，隨著國民經濟的快速提升，基礎設施建設發(fā)展迅速，尤其是山區(qū)建設項目層出不窮。而山區(qū)地質條件復雜，地形起伏變化大，工程建設及環(huán)境整治中往往會遇到自然山體陡坡、陡崖及場地挖填方形成的各類人工切坡，其中巖質邊坡作為一種主要的邊坡類型頻頻出現(xiàn)，因此對邊坡實施有效的防護和治理是避免滑坡、崩塌等地質災害，保證場地穩(wěn)定性的重要工作，邊坡穩(wěn)定性分析作為這項工作的依據和前提，一直以來都受國內外學者關注。

巖質邊坡變形破壞與地形、地質構造、巖體結構、巖性、巖石風化程度、水的作用、地震及人類工程活動等因素相關，斜坡巖體的失穩(wěn)與破壞主要受巖體內結構面的控制，它們之間的空間分布位置、組合關系（包括邊坡的產狀）和結構面的物理力學性質等，對邊坡的穩(wěn)定性都起著至關重要的作用（韓穎，2006）。目前，分析巖質邊坡穩(wěn)定性的方法主要有定性分析法、定量分析法和非確定性分析法。其中，定性分析法主要有歷史成因分析法、工程類比法和圖解法（高丙麗等，2005;劉建東等，2004;吳紹強，2009）;定量分析法主要有極限平衡分析法和數值分析法;非確定性分析法主要包括可靠性分析、模糊數學理論、隨機過程方法以及灰色系統(tǒng)預測滑坡失穩(wěn)分析方法。在眾多的分析方法中，尤以極限平衡分析法和數值分析法（鄔愛清等，2008;張玉燈，2008;趙尚毅等，2003）比較常見，特別是隨著計算機技術的發(fā)展，利用有限元FLAC3D、離散元UDEC、塊體理論DDA等數值模擬技術建立模型，結合位移場及應力場，得到邊坡穩(wěn)定的安全系數的方法大量應用在實踐工作中。

本文以黃山某巖質邊坡為例，在工程地質勘察的基礎上，首先利用赤平投影法反映各結構面的空間組合形式，定性分析該邊坡可能出現(xiàn)的破壞形式，再結合計算，定量分析其穩(wěn)定性，最后利用數值模擬軟件FLAC3D建立模型，驗證分析結果，并對該邊坡提出有效的支護建議，研究方法對山區(qū)建設項目的巖質邊坡穩(wěn)定性分析與評價具有一定的指導意義。

1 工程概況

東黃山國際小鎮(zhèn)基礎設施項目位于安徽省黃山市黃山區(qū)譚家橋鎮(zhèn)，該項目包含道路、橋梁等工程。擬建濱河路為城市次干路，全長約1764 m。其中K1+635～K1+680段為路基上方的高陡斜坡。該斜坡近直立，走向35°～138°，方位角約222°～225°，上邊緣高程230～245 m，坡腳地面高程約202 m，高差28～42 m（圖1）。

該斜坡發(fā)育寒武系西陽山組灰?guī)r，青灰色，隱晶質結構，中厚層狀構造，局部具微層理，主要由碳酸鹽礦物組成。節(jié)理裂隙發(fā)育，結構面結合好—一般，巖石飽和單軸抗壓強度為29.50～65.20 MPa，堅硬程度為較堅硬—堅硬巖。巖芯較完整，發(fā)育方解石脈體，夾鈣質頁巖，鉆孔巖芯有少量溶蝕現(xiàn)象，取芯率約92%～93%。巖層產狀為3°∠48°～6°∠50°，層面無充填，結合好;巖體發(fā)育有兩組節(jié)理，產狀分別為：116°∠24°～105°∠32°（NE為主）和221°∠63°（SW），呈微張—密閉狀，未見充填物。

K1+635～K1+680段路基上方的高陡斜坡概化工程地質剖面圖見圖2。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

根據地質勘察報告，擬建濱河路K1+635～K1+680段巖質高斜坡為層狀斜向結構巖質邊坡，邊坡巖體類型為Ⅲ級;邊坡高度約為35 m，邊坡離路基較近，且近乎直立，對新建道路存在一定的安全風險，需對該邊坡進行穩(wěn)定性分析，以期采取相應的治理措施，保證工程安全，邊坡工程安全等級可按二級考慮。

采用極射赤平投影法定性分析邊坡的穩(wěn)定性及其破壞形式，在此基礎上采用力學計算法定量評價該巖質高斜坡的穩(wěn)定性。

2.1 定性分析——極射赤平投影法

（1）極射赤平投影理論簡介

極射赤平投影簡稱赤平投影，它主要用線和面的方向、相互間的角距關系及其運動軌跡，把物體三維空間的幾何要素（線、面）反映在投影平面上進行研究處理（李忠權等，2013）。利用赤平投影的原理，通過分析結構面或者結構交線的傾向與坡面傾向的關系，確定邊坡穩(wěn)定性。

（2）極射赤平投影分析

通過現(xiàn)場地質調查測得典型巖層面（YM）產狀6°∠50°，坡面（PM）坡向225°坡角80°，節(jié)理面1（L1）產狀116° ∠24°，節(jié)理面2（L2）產狀221°∠63°，作赤平極射投影圖，如圖3。

由圖3可知，高陡斜坡巖層產狀與坡面呈反向斜交關系，層面與坡面斜交，傾向夾角141°，角度較大，因此斜坡整體處于較穩(wěn)定狀態(tài)，但局部不利結構面的組合可形成危巖體。

經赤平投影分析可知，L1節(jié)理面傾向與坡面傾向斜向，傾向夾角109°，易形成層面與節(jié)理組成的楔形體;L2節(jié)理面傾向與坡面傾向同向，傾向夾角4°，坡腳切斷后易產生沿節(jié)理面的順層滑動;L1、L2結構面組合交線傾向于坡內（交點在斜面BM1的內側），說明L1、L2結構面組合形成的楔形體不易掉落。

綜合分析判定，K1+635～K1+680段路基上方的高陡斜坡整體較穩(wěn)定，但因L1、L2兩組節(jié)理面與巖層面組合切割楔形體形成危巖體，在不利條件下，易沿節(jié)理面L2節(jié)理面向下滑動，破壞模式為滑塌式，道路邊坡可能發(fā)生崩塌地質災害。

2.2 定量分析——邊坡穩(wěn)定性計算

（1）邊坡穩(wěn)定性評價計算模型

根據場地工程地質、水文地質特征，以及2.1節(jié)結構面赤平投影分析，結合類似場地的經驗以及邊坡可能破壞的模式，采用楔形體滑動法計算。根據GB 50330-2013《建筑邊坡工程技術規(guī)范》，邊坡穩(wěn)定性系數按下式計算：

其中：Fs為邊坡穩(wěn)定性系數;N1、N2分別為兩結構面對楔形體的支持力;θ為兩結構面交線的傾角;γ為楔形體的容重;L為楔形體的長度;Ф為結構面內摩擦角;c為結構面的黏聚力;α，β分別為結構面與水平面的夾角。

（2）邊坡穩(wěn)定性計算參數建議值

根據室內試驗、野外地質調查及當地經驗綜合考慮，邊坡穩(wěn)定性計算的參數選用見表1。

（3）邊坡穩(wěn)定性計算結果

按楔形體滑動法進行邊坡穩(wěn)定性計算，利用理正巖土軟件，對L1、L2及YM組成的楔形體按照楔形體理論計算邊坡穩(wěn)定安全系數。

計算結果顯示，在一般工況下，邊坡穩(wěn)定安全系數Fs'=1.42;地震工況下，邊坡穩(wěn)定安全系數Fs"=1.27。根據GB 50330-2013《建筑邊坡工程技術規(guī)范》中的規(guī)定，該巖質高邊坡（二級），一般工況下穩(wěn)定安全系數Fs=1.30，F(xiàn)s'>Fs;地震工況下穩(wěn)定安全系數Fs=1.10，F(xiàn)s">Fs。因此，該邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 基于FLAC3D的數值模擬驗證

3.1 模型概況

在進行邊坡數值建模時，可以選擇二維或三維模型，采用二維模型可以顯著地提高計算效率，但是二維計算模型無法考慮空間范圍內被結構面控制的邊坡形態(tài)特征，采用ansys進行建模，借鑒其強大的前處理功能，可建立被結構面控制的邊坡三維數值模型，在ansys里面劃分網格，并借助網格轉換插件，最終導入到FLAC3D中。根據概化工程地質剖面圖，建立數值計算模型，如圖4所示，尺寸長74.4 m，寬20 m，高58 m，共劃分網格11201個，節(jié)點數2650個。

3.2 確立邊界條件

為避免計算中產生邊界效應引起誤差，本次數值計算約束邊坡底面4個角點3方向位移均為0，邊坡兩側面固定，計算中除了底面和兩側面，均允許邊坡產生3方向位移，可較真實模擬在自重作用下被結構面控制的邊坡穩(wěn)定性特征。

3.3 結果分析

主要針對天然工況和暴雨工況兩種模式展開數值模擬，分析應力分布特征及邊坡穩(wěn)定狀態(tài)。

（1）天然工況

從圖5可以看出，邊坡最大主應力符合一般邊坡應力狀態(tài)分布，邊坡主應力數值從邊坡坡表到邊坡內部逐漸降低，但在邊坡不同坡段拐角處，邊坡受力不均勻，邊坡出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，其中最大主應力出現(xiàn)在被結構面控制的楔形體處，達到83 kPa，楔形體處存在明顯的受力不均勻情況。

邊坡在天然狀況下穩(wěn)定性系數大小和位移云圖如圖6所示，經計算，穩(wěn)定性系數等于1.46，邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，其中邊坡最大位移出現(xiàn)在楔形體處，邊坡其他部位位移接近為0。

由前分析可以得到，邊坡可能發(fā)生破壞的區(qū)域為楔形體部分，計算邊坡楔形體在天然狀況下的剪應變增量以及可能發(fā)生破壞的方向如圖7所示，可以看出，楔形體最大剪應變增量分布區(qū)域位于楔形體與坡面接觸的位置，根據可能破壞的速度方向可以知道，楔形體可能發(fā)生滑移破壞。

（2）暴雨工況

暴雨工況下，邊坡最大主應力如圖8所示，從圖8中可以得到，邊坡最大主應力分布與天然工況下相似，所不同的是，邊坡最大主應力數值相對較小，達64 kPa，但在楔形體附近出現(xiàn)更大面積的應力集中現(xiàn)象，可能破壞的面積相對天然工況下更大。

暴雨工況下，邊坡穩(wěn)定性位移云圖如圖9所示，其穩(wěn)定性系數明顯小于天然工況，數值為1.02，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，這是因為降雨入滲下，邊坡穩(wěn)定性參數相對較小，在自重和降雨作用下容易發(fā)生破壞，可能發(fā)生破壞的最大變形量出現(xiàn)在楔形體處。

暴雨工況下，楔形體剪應變增量如圖10所示，相比天然工況下，暴雨工況下楔形體最大剪應變增量更大，圖中箭頭長短表示楔形體變形速度的大小，其方向表示楔形體破壞的方向，可以得到，可能的最大變形速度較天然工況下更大，最大變形速度出現(xiàn)在楔形體與邊坡相交的平面處，根據可能破壞的速度方向可以知道，楔形體可能沿著節(jié)理面L2發(fā)生平面滑移破壞。

綜上所述，該邊坡在數值模擬計算中表明其天然工況下處于穩(wěn)定狀態(tài)，但其楔形體存在滑移破壞的可能。而在暴雨工況下，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，其穩(wěn)定性系數明顯小于天然工況，并且楔形體附近出現(xiàn)了更大面積的應力集中現(xiàn)象，最大剪應變增量也相較更大，根據可能破壞的速度方向可知，楔形體較大可能沿著節(jié)理面L2發(fā)生平面滑移破壞。

4 結語

（1）赤平投影法可定性分析巖質邊坡可能的破壞形式，力學計算可定量分析巖質邊坡的穩(wěn)定性，再利用數值模擬技術，可有效開展巖質邊坡穩(wěn)定性的綜合分析及評價。

（2）赤平投影結果表明，該巖質邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，但因L1、L2兩組節(jié)理面與巖層面組合可形成危巖體，易發(fā)生滑塌式崩塌地質災害。

（3）根據楔形體滑動法計算公式，得出穩(wěn)定性系數為1.42，大于規(guī)范中的安全系數，說明邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（4）基于FLAC3D邊坡穩(wěn)定性分析得出天然工況下邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，這一模擬結果與上述兩種方法吻合，從而驗證了分析方法的準確性。暴雨工況下邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，其穩(wěn)定性系數明顯小于天然工況。

（5）邊坡巖體易發(fā)生局部崩塌，可對新建道路行車安全形成較大隱患，建議采取適當削坡減小坡度，清除斜坡上的松動楔形體危巖體，對局部危巖體錨固，并做好坡體和坡面排水，對其已有坡面泉水通過設置管道、截排水溝等設施消除其對斜坡穩(wěn)定性的不利影響。

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