韓國(guó)鑾

（福建力創(chuàng)建設(shè)工程有限公司，福州350016）

1 工程概況及難點(diǎn)分析

1.1 工程概況

長(zhǎng)沙恒大童世界樂園地塊礦坑為南方水泥有限公司一露天開采的石灰?guī)r采石場(chǎng)所遺留的采石坑。礦坑頂縱向最長(zhǎng)約480m，橫向最長(zhǎng)約450m，礦坑底縱向最長(zhǎng)約390m，橫向最長(zhǎng)約為380m。 礦坑的側(cè)壁因采礦形成了規(guī)模較大的一些采空區(qū)， 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況， 采空區(qū)主要分布于礦坑的北側(cè)、 東北側(cè)及西側(cè)。

長(zhǎng)沙恒大童世界樂園地塊采空區(qū)系地下采礦所形成，勘探范圍內(nèi)場(chǎng)地采空區(qū)分為兩部分，由南方水泥有限公司石灰?guī)r礦山地下采空區(qū)和觀音堂石材廠石灰?guī)r地下采空區(qū)組成， 南方水泥有限公司地下采空區(qū)位于勘探范圍內(nèi)的北側(cè)， 觀音堂石材廠石灰?guī)r地下采空區(qū)位于場(chǎng)地勘探范圍內(nèi)的西北側(cè)。 區(qū)域規(guī)劃如圖1。

圖1 礦坑平面布置方案

1.2 地形地貌

擬建場(chǎng)地原有山體經(jīng)開山采石已形成一座大型采石坑， 現(xiàn)邊坡為山體開挖后與剩余山體形成的近環(huán)形斜坡，坡度45°～90°，目前總體周邊高、中間低，其中坑內(nèi)標(biāo)高約為-12.89～-16.56m， 北側(cè)坑頂標(biāo)高36～55m， 東側(cè)坑頂標(biāo)高36～53m， 西側(cè)坑頂標(biāo)高49～55.2m，南側(cè)坑頂標(biāo)高坑頂標(biāo)高43～57.0m，最高點(diǎn)為場(chǎng)地西北側(cè)，標(biāo)高70.00m。 場(chǎng)地地形復(fù)雜，起伏很大。部分區(qū)域存在空洞、 局部坑壁區(qū)域有采空區(qū)延伸分布，如圖2。

圖2 礦坑地形地貌

為更好地分析該邊坡穩(wěn)定性， 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)測(cè)繪和鉆探結(jié)果將邊坡分為B-C、C-D、D-E、E-F、F-G共計(jì)5段進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。根據(jù)勘察報(bào)告場(chǎng)地內(nèi)分布的上覆地層有人工填土層 （）、 第四系沖積層（Qal），第四系殘積層（Qel），基巖為泥盆系灰?guī)r及泥灰?guī)r。

1.3 地層巖性

根據(jù)場(chǎng)地鉆探揭露， 礦坑巖質(zhì)邊坡坡體主要包含以下3種地層：

（2）第四系沖積（Qal）地層：褐紅、褐黃色，可見灰白色，具網(wǎng)紋結(jié)構(gòu)，不均勻含15%～35%的卵礫石，粒徑約1～4cm，硬塑、局部堅(jiān)硬，搖震無反應(yīng)，切面稍有光澤，干強(qiáng)度及韌性中等。 層厚1.00～11.40m。

（3）第四系殘積（Qel）黏土：系灰?guī)r風(fēng)化殘積而成，褐黃、褐紅等色，含10%～30%的灰?guī)r質(zhì)角礫及碎石，硬塑狀態(tài)，局部可塑，搖震無反應(yīng)，光澤反應(yīng)有光澤，干強(qiáng)度及韌性較高，層厚1.50～10.30m。

（4）微風(fēng)化灰?guī)r12：淺灰色、灰白色、灰白夾紅色、深灰色，礦物成分主要為方解石、含少量白云石，隱晶～細(xì)晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，產(chǎn)狀210°～290°∠45°～50°，裂隙稍發(fā)育，局部頂部見溶蝕粗糙面。 巖石堅(jiān)硬質(zhì)脆，金鋼石鉆進(jìn)一般，巖芯多呈柱狀、長(zhǎng)柱狀，少量塊狀，巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD 為好的，介于82～90之間，屬較硬巖，巖體較完整，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅲ級(jí)，層厚0.20～121.0m。

1.4 模擬方法及特點(diǎn)

巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性受結(jié)構(gòu)面的影響很大， 巖體中裂隙結(jié)構(gòu)面的發(fā)展與巖土的受力狀態(tài)關(guān)系密切，原本受壓巖體， 在卸荷回彈應(yīng)力的作用影響下容易造成巖體的開裂，導(dǎo)致巖體強(qiáng)度下降。因此采用有限元軟件Phase2進(jìn)行模擬時(shí)， 借助軟件所具備的求解最大主應(yīng)力σ1增量的功能， 而開挖坡面應(yīng)力張量增量的最大主應(yīng)力分量增減變化反應(yīng)了邊坡松弛區(qū)的力學(xué)性質(zhì)。在數(shù)值計(jì)算過程中，對(duì)其穩(wěn)定性的影響因素很難逐一進(jìn)行考量。

對(duì)巖體的卸荷應(yīng)力松弛情況進(jìn)行初步分析，然后結(jié)合分析結(jié)果進(jìn)行巖體結(jié)構(gòu)面參數(shù)的賦值， 計(jì)算坡體的穩(wěn)定性。 數(shù)值計(jì)算思路如下：

（1）假設(shè)礦坑原地形為現(xiàn)有地面的延伸，將每個(gè)邊坡原始狀態(tài)分時(shí)步進(jìn)行開挖， 得到現(xiàn)狀邊坡，進(jìn)行數(shù)值模擬。 計(jì)算邊坡最大主應(yīng)力σ1的增量變化情況，判定邊坡應(yīng)力松弛、集中區(qū)域，最大主應(yīng)力σ1的增量為負(fù)值時(shí)即為應(yīng)力松弛區(qū)， 反之為應(yīng)力集中區(qū)。

（2）結(jié)合劃定的邊坡應(yīng)力變化區(qū)域，分為應(yīng)力松弛顯著區(qū)，應(yīng)力松弛漸變區(qū)，應(yīng)力集中區(qū)。 對(duì)應(yīng)的區(qū)域添加結(jié)構(gòu)面和層面進(jìn)行建模。

（3）結(jié)合勘察報(bào)告資料，對(duì)現(xiàn)狀邊坡按照穩(wěn)定安全系數(shù)1.05～1.20進(jìn)行參數(shù)反演， 判斷出各個(gè)結(jié)構(gòu)面和層面的參數(shù)。

（4）結(jié)合反演的邊坡應(yīng)力、變形云圖，并結(jié)合松弛區(qū)分布特點(diǎn)， 對(duì)邊坡進(jìn)行開挖加固試算， 根據(jù)GB50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》，邊坡工程安全等級(jí)為一級(jí)，治理后，穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)大于等于1.35，并確定出最佳的治理措施。

2 關(guān)鍵斷面邊坡概況

BC段坡面裸露，坡長(zhǎng)約25m，坡高35～39m，坡頂有植被覆蓋，邊坡總體傾向211°，坡面上部（距坡腳24m以上）坡角73°～76°，下部坡角55°～60°，無支護(hù)，無地表水及地下水滲出，坡面上無溶蝕溝槽，坡腳有采空區(qū)，寬度約10m，節(jié)理裂隙發(fā)育，層理面明顯，容易發(fā)生順層滑移破壞。 CD段巖質(zhì)邊坡自然坡面裸露， 頂部邊緣有植被覆蓋， 坡長(zhǎng)約180m， 坡高38～49m，邊坡傾向由213°到257°漸變，上部坡角外傾80°～86°下部坡腳50°～71°，無支護(hù)，現(xiàn)25～90m地表存在土質(zhì)滑坡及巖溶塌陷，坡面溶蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，溶洞口可見碎石塊及土體，160～168m處頂部有溶溝， 坡腳有堆積物，溶洞處有水流出，節(jié)理裂隙發(fā)育。 裂隙L1和裂隙L2結(jié)構(gòu)面較粗糙， 張開度2～3mm， 局部鈣質(zhì)膠結(jié)，延伸長(zhǎng)度10～15m。 結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度一般，屬硬性結(jié)構(gòu)面。 綜合作用來看，巖層層面與裂隙L1及裂隙L2的交線外傾，裂隙L1與裂隙L2交線外傾，該段邊坡可能產(chǎn)生楔形體破壞。 DE段自然坡面裸露，坡長(zhǎng)約160m，坡高47～52m左右，25～78m分兩級(jí)臺(tái)階，下臺(tái)階邊坡傾角75°，其余傾角80°～83°；邊坡傾向258°漸變到315°，無支護(hù)，10～40m坡面頂部可能發(fā)生楔形體破壞，坡腳層理明顯，易沿層面滑動(dòng)，82～160m范圍，危巖及巖溶極其發(fā)育區(qū)，坡腳有崩塌堆積體，易產(chǎn)生巖崩及沿層面的順層滑動(dòng)。 EF段坡面裸露， 坡長(zhǎng)52m，坡高84～86m（含水下28～30m），邊坡傾向300°，坡角52°，坡腳下為礦坑水，無支護(hù)，無地表水及地下水滲出，節(jié)理裂隙較發(fā)育，有較大層理面出露，有順層滑移的可能。 該段邊坡將會(huì)產(chǎn)生沿巖層層面順層滑移破壞， 或在兩組節(jié)理裂隙的切割下產(chǎn)生沿巖層層面滑移的楔形體破壞。 FG段該段自然邊坡坡面裸露，坡長(zhǎng)約300m，坡高89～92m（含水下32m），邊坡傾向5°，坡角51°～78°，無支護(hù)，無地表水及地下水滲出，坡腳下為礦坑水，節(jié)理裂隙較發(fā)育，有大的節(jié)理面出露，200～300m地表為巖溶塌陷發(fā)育區(qū)， 已有兩個(gè)滑坡，局部存在崩塌可能性。該段邊坡巖層層面與裂隙L2交線內(nèi)傾，對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響小；巖層層面與裂隙L1及裂隙L2的交線與邊坡小角度相交， 裂隙L1與裂隙L2交線與邊坡小角度相交， 對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較小。 斷面結(jié)構(gòu)面赤平投影如圖3。

圖3 斷面結(jié)構(gòu)面赤平投影圖

3 有限元分析

本次數(shù)值模擬邊坡大小比例按原邊坡1∶1進(jìn)行建模， 邊坡臨空面以坡頂至現(xiàn)礦坑坑底為邊坡高度，模型寬度及高度足夠?qū)捯韵吔绲挠绊憽?巖體結(jié)構(gòu)面采用Phase2軟件中的無質(zhì)量Joint單元進(jìn)行模擬，加固措施錨桿及錨索采用軟件中的Bolt單元進(jìn)行模擬。 計(jì)算分析基本假定如下：地層材料采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則計(jì)算； 地層和材料的應(yīng)力應(yīng)變均在彈塑性范圍內(nèi)變化； 不考慮地下水滲流的影響。

3.1 數(shù)值模擬巖土物理力學(xué)參數(shù)

表1為該邊坡建模所采用的物理力學(xué)參數(shù)。

表1 數(shù)值模擬巖土物理力學(xué)參數(shù)

3.2 應(yīng)力松弛區(qū)判定

用假設(shè)的開挖過程大致圈定出該邊坡的應(yīng)力松弛區(qū)范圍， 如圖4紅色圈內(nèi)即為該邊坡應(yīng)力松弛區(qū)較為集中的區(qū)域，BC段集中在邊坡上部及坡腳平臺(tái)外側(cè)區(qū)域，CD 段集中在坡頂附近及坡腳臺(tái)階外側(cè)區(qū)域，DE 段在坡體中上部附近及坡腳臺(tái)階外側(cè)區(qū)域， 坡腳處為應(yīng)力集中區(qū)，EF段集中在坡體中上部， 坡腳為應(yīng)力集中區(qū)，F(xiàn)G段集中在坡體中上部附近及坡腳臺(tái)階外側(cè)區(qū)域，坡腳處為應(yīng)力集中區(qū)。

圖4 斷面邊坡Δσ1增量圖

提取圖中1#直線的應(yīng)力變化量數(shù)值，如圖5。 由Δσ1增量變化曲線的變化情況圖5可知，BC段的應(yīng)力松弛區(qū)可分為兩段：0～77.3m為應(yīng)力松弛顯著區(qū)，77.3～170m為應(yīng)力松弛漸變區(qū)； CD段的應(yīng)力松弛區(qū)范圍0～51m；DE段的應(yīng)力松弛區(qū)范圍0～50m；EF段的應(yīng)力松弛區(qū)可分為兩個(gè)區(qū)： 應(yīng)力松弛顯著區(qū)范圍0～15.7m； 應(yīng)力松弛漸變區(qū)范圍15.7～67m；FG段的應(yīng)力松弛區(qū)范圍0～14.8m。

圖5 邊坡1#線Δσ1增量變化曲線

3.3 邊坡現(xiàn)狀穩(wěn)定分析

結(jié)合上述應(yīng)力松弛區(qū)的判斷， 對(duì)邊坡進(jìn)行劃分區(qū)域，然后進(jìn)行節(jié)理裂隙面的添加，對(duì)邊坡可能的破壞模式進(jìn)行模擬，并計(jì)算其穩(wěn)定安全系數(shù)。

經(jīng)過計(jì)算BC段邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.11，由圖6（a）邊坡潛在破壞模式可知，邊坡存在順傾的巖層面，邊坡穩(wěn)定性主要受巖層面控制，在邊坡上部存在沿巖層面溜滑的薄層危巖體。 受節(jié)理裂隙的影響，在坡體強(qiáng)度衰減的過程中，在坡腳平臺(tái)外側(cè)的巖體也存在位移反應(yīng)， 但其與坡面的距離較遠(yuǎn)， 影響較小； 經(jīng)過計(jì)算CD段邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.10，由圖6（b）邊坡潛在破壞模式圖可知，邊坡存在順傾的巖層面， 邊坡穩(wěn)定性主要受巖層面控制， 存在沿巖層面在邊坡中部滑移剪出破壞的可能； 經(jīng)過計(jì)算DE段邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.10，由圖6（c）邊坡潛在破壞模式可知，邊坡存在順傾的巖層面及陡傾的節(jié)理裂隙， 邊坡穩(wěn)定性主要受巖層面和陡傾節(jié)理裂隙的組合控制， 可能發(fā)生楔形體破壞； 經(jīng)過計(jì)算EF段邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.12，由圖6（d）邊坡潛在破壞模式可知，邊坡存在順傾的巖層面， 邊坡穩(wěn)定性主要受巖層面及一組陡傾的結(jié)構(gòu)面控制， 存在沿巖層面在邊坡面滑移剪出破壞及巖層面在結(jié)構(gòu)面組合作用下的楔形體破壞； 經(jīng)過計(jì)算FG段邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.11，由圖6（e）邊坡潛在破壞模式可知，邊坡存在順傾的結(jié)構(gòu)面， 邊坡穩(wěn)定性主要受兩組結(jié)構(gòu)面切割控制，以兩組結(jié)構(gòu)面為邊界發(fā)生坡面巖體塊體崩落。

圖6 斷面邊坡潛在破壞模式

3.4 加固治理過程穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

結(jié)合邊坡現(xiàn)狀可能的破壞模式的模擬結(jié)果，對(duì)其進(jìn)行加固處理。 加固采用深、 淺加固措施相結(jié)合， 加固目的主要為了限制坡體上部可能發(fā)生的順層滑動(dòng)，同時(shí)確保邊坡的整體穩(wěn)定性。BC段邊坡分兩級(jí)開挖，第1級(jí)坡面按坡率1∶0.75，第2級(jí)坡面坡率1∶0.5進(jìn)行刷方，坡面開挖完后，坡頂危巖體被基本清除；CD段邊坡坡面按1∶0.3坡率進(jìn)行刷方，加固主要采用固腳強(qiáng)腰思路， 深、 淺加固措施相結(jié)合；DE段邊坡按1∶0.5坡率刷方； EF段邊坡第1級(jí)按1∶0.7坡率，第2級(jí)按1∶0.4，第3級(jí)按1∶0.2刷方；FG段邊坡坡面分1級(jí)坡進(jìn)行刷方，坡率1∶0.5。 邊坡開挖坡面表層采用系統(tǒng)錨桿加固，加固措施如表2。 經(jīng)過計(jì)算，BC～FG段坡加固后穩(wěn)定安全系數(shù)分別1.58，1.44，1.39， 1.40，1.38，達(dá)到規(guī)范要求。 BC～FG段加固后的坡體塑性變形發(fā)展很小并未貫通，加固后的邊坡穩(wěn)定狀態(tài)達(dá)到要求。

表2 加固措施信息

續(xù)表2

4 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)長(zhǎng)沙恒大童世界礦坑邊坡BC～FG段各選取一個(gè)典型邊坡斷面，共5個(gè)邊坡進(jìn)行現(xiàn)狀邊坡及加固后的數(shù)值模擬，通過對(duì)其應(yīng)力松弛帶的判斷，采用節(jié)理控制來模擬其可能的破壞模式， 通過強(qiáng)度折減法計(jì)算，獲得其穩(wěn)定安全系數(shù)。發(fā)現(xiàn)礦坑邊坡各邊坡現(xiàn)在穩(wěn)定狀態(tài)處于欠穩(wěn)定～穩(wěn)定狀態(tài)，現(xiàn)狀邊坡存在不同種類的破壞模式， 經(jīng)過治理加固后邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)均達(dá)到規(guī)范要求。