李 勇,陳瑋龍,許方黨,周春梅
(武漢工程大學土木工程與建筑學院,湖北 武漢 430070)
花崗巖中普遍發(fā)育著球狀風化體(風化孤石),球狀風化體的形成受原生節(jié)理及風化作用的控制,常呈橢球狀或不規(guī)則球狀。粒徑大小不一的風化球體易受外界因素的擾動,形成高空落石或坡面滾石,堅硬的風化球體與殘積土或全風化巖混雜的斜坡受降雨或開挖的影響易產生崩塌和滑坡,形成復雜的斜坡地質災害[1]。
花崗巖球狀風化體具有分布不確定性、埋藏邊界的隱蔽性等特點,目前學者們對含塊石的邊坡穩(wěn)定性進行了一系列研究。如:張森等[2]提出了運用離散元數(shù)值模型隨機生成技術(PFC2D)生成土石混合體邊坡數(shù)值模型,并運用強度折減法(ABAQUS)開展了塊石含量對邊坡穩(wěn)定性影響的數(shù)值分析;劉順青等[3]利用MATLAB隨機生成了含石率從10%~60%的土石混合體邊坡數(shù)值模型,每種含石率均考慮8種不同的塊石分布位置,并采用有限元極限分析法對土石混合體邊坡穩(wěn)定性進行了數(shù)值分析;劉曉華等[4]利用MATLAB建立了球狀風化體花崗巖邊坡數(shù)值模型,采用DISTMESH2D對模型進行網格劃分,并基于FLAC3D對邊坡穩(wěn)定性進行了分析;鐘宇等[5]利用自主研制的電火花震源等探測系統(tǒng)和地質專家分析法,揭示了探測區(qū)域球狀風化體的空間分布規(guī)律;嚴穎等[6]利用離散元軟件,研究了塊石含量和空間分布對土石混合體抗剪強度的影響;李建強等[7]采用地表調繪、鉆探、物探三種手段, 從不同角度對花崗巖球狀風化的地表分布特征和地下分布特征進行了研究, 并進行了綜合對比分析;林鎮(zhèn)等[8]利用工程地質分析與數(shù)值模擬相結合的方法,研究了球狀風化體花崗巖邊坡滾石的運動軌跡、停滯概率和沖擊特性等成災規(guī)律,并模擬分析了坡形坡率優(yōu)化、平臺緩沖介質和滾石攔擋措施的減災機理和工程效果;黃恒儒[9]對花崗巖球狀風化體的形成機制以及盾構穿越球狀風化體群產生的地面沉降、姿態(tài)控制、設備安全的風險進行了研究;董榮[10]研究了花崗巖球狀風化體的形成機理,認為花崗巖球狀風化是親水礦物吸水及失水造成的膨脹收縮的結果;李新峰等[11]通過對云南臨滄特殊風化花崗巖建壩實踐和資料進行分析,提出了壩基設計所需的關鍵地質參數(shù);黃獻文等[12]利用MIDAS GTS分析得出不同的較大塊石分布位置對土石混合體邊坡穩(wěn)定性的影響較大;Cao等[13]研究了基于干濕循環(huán)條件下鹽濃度對花崗巖風化程度的影響;Qi等[14]通過物理模型試驗,研究了降雨入滲條件下全風化花崗巖邊坡的響應規(guī)律;李凱等[15]通過物理力學試驗,研究了飽和度對濕熱地區(qū)風化花崗巖雙層土質邊坡抗剪強度的影響;盧有謙等[16]以不同風化程度的花崗巖雙層土質邊坡土體為研究對象,利用壓力板法和飽和鹽溶液蒸汽平衡法,研究了在全吸力范圍內壓實樣的持水特性;李杰林等[17]通過凍融循環(huán)試驗,研究了風化巖石在凍融循環(huán)作用下物理特性的變化規(guī)律。
綜上所述,目前有關花崗巖球狀風化體的研究進展較快,但針對球狀風化體的存在對混合花崗巖邊坡穩(wěn)定性的影響未做系統(tǒng)的研究。為此,本文依托云南省墨江至臨滄公路SJ-4土建20標段擬修建的工程實例,針對球狀風化體對混合花崗巖邊坡穩(wěn)定性的影響做詳細研究。首先通過MATLAB平臺建立隨機場,并將MATLAB數(shù)據導入到CAD,再導入到GeoStudio數(shù)值模擬軟件,以此來建模;然后通過調整土體參數(shù)來模擬球狀風化體混合花崗巖邊坡,從而進行邊坡穩(wěn)定性分析,并研究球狀風化體的含量、直徑和位置對混合花崗巖邊坡穩(wěn)定性的影響,以為球狀風化體混合花崗巖邊坡設計與施工提供參考依據。
擬修建公路工程位于云南省墨江至臨滄公路SJ-4土建20標段,擬建路線右K248+495~右K248+800.86段地形起伏較大,設計擬以深挖路塹形式通過。該深挖路段總長為305.86 m,中心最大挖方高度約21.16 m,該深挖路塹段施工開挖后,將在右側形成高約62.31 m的巖土質邊坡,該邊坡坡比按1∶0.75~1∶1.00選用,8~10 m分臺,平臺寬2 m。該邊坡巖土體巖性為粉質黏土及全風化花崗巖,全風化花崗巖呈砂土狀散體結構,遇水易崩解,加之球狀風化體的存在易形成落石及崩塌,邊坡穩(wěn)定性較差,屬不穩(wěn)定結構。該邊坡開挖橫斷面和縱剖面示意圖如圖1和圖2所示。
圖1 K248+640標段球狀風化體混合花崗巖邊坡橫 斷面示意圖
圖2 K248+640標段球狀風化體混合花崗巖邊坡縱 剖面示意圖
根據云南省墨江至臨滄公路地質調查、鉆孔揭露和瞬變電磁法測試結果可知,挖方路塹段水文地質條件較簡單,地下水水位埋深較深,對挖方路塹段的影響較小,因此在本次深挖段邊坡穩(wěn)定性計算分析中,未考慮地下水對邊坡穩(wěn)定性的影響。
根據勘察和物探測試結果以及邊坡開挖后揭露情況,本文在邊坡穩(wěn)定性分析中,考慮全風化花崗巖中裹有直徑約2 m左右的球狀風化體(稱之為混合花崗巖),球狀風化體面積占斜坡截面積的5%~40%(按5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%和40%分別計算,視作球狀風化體含量),埋置深度隨機分布。
花崗巖中普遍發(fā)育球狀風化體(即風化孤石),孤石分布具有不均勻、離散性強的特點,因此引入隨機場理論模擬孤石的實際分布情況。特殊區(qū)域的孤石分布規(guī)律具有相似性,因此該結論可為具有相似條件的地區(qū)提供參考。對于目標段K248,要考慮風化層中裹有直徑約為2 m左右的球狀風化體,基于MATLAB平臺,用直徑為2 m的圓來近似模擬球狀風化體。對于此邊坡,取其深挖工程地質斷面圖進行二維分析。簡化邊坡面為一條直線,坡高為78.0 m,靠近公路邊坡高為15.8 m,長為62.3 m,坡度近似為45°,以這個梯形近似模擬該擬建公路項目的邊坡。利用MATLAB平臺在此梯形內設立隨機圓,圓的面積分別占梯形總面積的5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%和40%(即球狀風化體含量),以此來模擬球狀風化體在邊坡體中的隨機分布。基于MATLAB平臺作出的球狀風化體隨機分布圖(以球狀風化體含量10%為例),見圖3。
圖3 球狀風化體隨機分布圖(球狀風化體含量為10%)
本文將針對花崗巖球狀風化這一特殊的邊坡穩(wěn)定性問題,先利用隨機場理論,基于MATLAB平臺,生成球狀風化體在混合花崗巖邊坡內的隨機分布場;然后將MATLAB數(shù)據導入到CAD,再導入到GeoStudio數(shù)值模擬軟件,以此來建模;最后通過調整土體參數(shù)來模擬混合花崗巖邊坡,從而進行邊坡穩(wěn)定性分析。
根據當?shù)鼗聰?shù)據并結合文獻[11]可知,該地區(qū)滑動面深度平均在20~30 m之間,因此結合已獲取的球狀風化體分布隨機場模型,本文構建了兩個不同的球狀風化體混合花崗巖邊坡數(shù)值模型:球狀風化體僅分布在最危險滑動面以上的混合花崗巖邊坡數(shù)值模型[見圖4(a)];在此基礎上最危險滑動面以下隨機分布球狀風化體的混合花崗巖邊坡數(shù)值模型[見圖4(b)]。構建這兩個邊坡數(shù)值模型的目的是研究球狀風化體對混合花崗巖邊坡穩(wěn)定性的影響,以及球狀風化體的分布對混合花崗巖邊坡穩(wěn)定性的影響。
圖4 球狀風化體混合花崗巖邊坡數(shù)值模型
根據勘察報告給出的材料參數(shù),并結合試驗及現(xiàn)場勘探,獲得用于數(shù)值計算的球狀風化體混合花崗巖邊坡巖土體的物理力學性質參數(shù),如表1所示。
表1 球狀風化體混合花崗巖邊坡巖土體物理力學性質參數(shù)
通過以上兩個不同的球狀風化體混合花崗巖邊坡數(shù)值模型得到的邊坡位移圖,如圖5所示。
圖5 球狀風化體混合花崗巖邊坡位移圖
由圖5可以看出:當有球狀風化體分布在混合花崗巖邊坡中時,邊坡的位移曲線并不是圓弧狀,而是會繞開球狀風化體,呈現(xiàn)出明顯的繞石效應;當滑動面發(fā)生在邊坡的中下緣,且當整體球狀風化體含量提高時,滑動面位置會因為重力作用向邊坡下部偏移;當球狀風化體含量繼續(xù)提高時,球狀風化體會逐漸取代土體的骨架作用,趨向于巖質邊坡,因此邊坡的最大位移變小。
通過數(shù)值計算后兩個不同混合花崗巖邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)如下:僅最危險滑動面以上分布球狀風化體混合花崗巖邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.17;隨機分布球狀風化體混合花崗巖邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.17。通過對比發(fā)現(xiàn),當最危險滑動面以下增加球狀風化體時,對混合花崗巖邊坡整體穩(wěn)定性的影響很小。因此在接下來的建模中,將忽略最危險滑動面以下球狀風化體對混合花崗巖邊坡穩(wěn)定性的影響,僅考慮最危險滑動面以上球狀風化體對混合花崗巖邊坡穩(wěn)定性的影響。
本文選用GeoStudio軟件中的SLOPE/W模塊(邊坡穩(wěn)定分析模塊)和SIGMA/W模塊(巖土應力變形分析模塊)對球狀風化體混合花崗巖邊坡穩(wěn)定性進行分析,并運用經典土力學理論極限平衡法研究邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律。
在球狀風化體混合花崗巖邊坡中,球狀風化體含量(PR)的多少可能會影響邊坡的穩(wěn)定性。根據上一節(jié)的結論,最危險滑動面以下的球狀風化體對混合花崗巖邊坡穩(wěn)定性的影響較小,且平均風化深度在30 m以內,因此本文的建模均僅考慮風化層厚度為30 m以內的球狀風化體。根據勘察報告可知,該地區(qū)球狀風化體含量在30%以內,故在建模分析時本文考慮球狀風化體含量最高為40%,以探索球狀風化體含量對混合花崗巖邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律。本文考慮球狀風化體含量PR分別為0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%和40%時,通過計算球狀風化體混合花崗巖邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)FS,并搜索最危險滑動面,從而得到不同球狀風化體含量下混合花崗巖邊坡內部巖土體抗剪強度和穩(wěn)定性系數(shù)及其穩(wěn)定性變化規(guī)律,見圖6至圖8。
圖6 不同球狀風化體含量(PR)下混合花崗巖邊坡 內部巖土體的抗剪強度
由圖6至圖8可以看出:隨著球狀風化體含量的增加,混合花崗巖邊坡內部巖土體的抗剪強度和穩(wěn)定性系數(shù)(即安全系數(shù)FS)發(fā)生了很大的變化,具體分析如下:
(1) 對于該混合花崗巖邊坡巖土體的抗剪強度,沿著水平方向均呈拋物線型,即邊坡巖土體抗剪強度先增加后減少,隨著球狀風化體含量的增加,其滑動面處巖土體抗剪強度不斷增加,巖土體最大抗剪強度出現(xiàn)在邊坡中間60~70 m部位;隨著球狀風化體含量由0%變化到30%,邊坡巖土體最大抗剪強度由180 kPa變化為400 kPa(見圖6)。這是因為在球狀風化體含量較低時,球狀風化體在整個巖土結構中是懸浮狀態(tài),其整體結構仍可認為是土質邊坡;隨著球狀風化體含量不斷提升,球狀風化體在巖土結構中所占比重越來越大,逐漸成為整個邊坡的骨架,此時呈現(xiàn)的狀態(tài)類似于巖質邊坡,因此其抗剪強度在不斷提高。邊坡巖土體抗剪強度的突變現(xiàn)象,是由于在極限平衡法的條分過程中,條塊底部,也就是與滑動面接觸的部分穿過了球狀風化體,而球狀風化體的抗剪強度是很高的,類似于巖質結構,因此在圖6(b)中會存在邊坡巖土體抗剪強度突變現(xiàn)象。該觀點與文獻[6]觀點一致。
(2) 隨著球狀風化體含量(0%~40%之間)的增加,混合花崗巖邊坡的最危險滑動面位置越來越往深部發(fā)展,同時邊坡的穩(wěn)定性逐漸增大(見圖7)。這是因為隨著球狀風化體含量的增加,球狀風化體構成了混合花崗巖邊坡內部的受力骨架,提高了邊坡巖土體整體的抗剪強度,邊坡的穩(wěn)定性提高。
(3) 將混合花崗巖邊坡穩(wěn)定性系數(shù)(FS)與球狀風化體含量(PR)進行分段線性擬合,有:
圖7 不同球狀風化體含量(PR)下混合花崗巖邊坡 的穩(wěn)定性系數(shù)(FS)和最危險滑動面位置
圖8 不同球狀風化體含量(PR)下混合花崗巖邊坡 穩(wěn)定性的變化規(guī)律
(1)
對于該混合花崗巖邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)FS,當球狀風化體含量在5%以內時,邊坡穩(wěn)定性系數(shù)基本不變;當球狀風化體含量在5%~20%之間時,邊坡穩(wěn)定性系數(shù)呈快速增加的趨勢;當球狀風化體含量超過20%時,邊坡穩(wěn)定性系數(shù)呈緩慢增加趨勢(見圖8)。
由于球狀風化體直徑(D)大小不同,故本文考慮了球狀風化體直徑可能對混合花崗巖邊坡的穩(wěn)定性產生影響。結合地勘報告可知,該地區(qū)球狀風化體直徑在2 m左右,因此在控制球狀風化體含量一定的情況下(球狀風化體含量為滑動面以上土體總面積的15%),本文選取D分別為1.4 m、1.7 m、2.2 m、3.0 m和3.8 m的球狀風化體對混合花崗巖邊坡穩(wěn)定性進行了分析研究。建立的邊坡穩(wěn)定性分析模型如圖9所示,邊坡最危險滑動面位置變化如圖10所示,計算出的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)如表2所示。
圖9 不同球狀風化體直徑(D)下混合花崗巖邊坡的穩(wěn) 定性分析模型
圖10 不同球狀風化體直徑(D)下混合花崗巖邊坡的 最危險滑動面位置
由圖10可知:當球狀風化體直徑逐漸變大時,混合花崗巖邊坡的滑動面深度是先變深后變淺,這是由于當球狀風化體直徑較小且球狀風化體含量并不高時,整個邊坡仍屬于土質邊坡,因此滑動面仍為土質邊坡的滑動面;隨著球狀風化體直徑的增大,存在球狀風化體部分的土體與球狀風化體有足夠的咬合力形成一個整體,整個邊坡呈現(xiàn)一部分巖質邊坡的特性,因此滑動面深度加大;當球狀風化體直徑繼續(xù)增大時,由于其直徑過大,這時的球狀風化體又成為一個孤立的塊體,邊坡又以土體為骨架結構,因此滑動面逐漸變小。
由表2可知,當球狀風化體直徑逐漸變大時,混合花崗巖邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)逐漸減小。因此,對于大直徑球狀風化體,可能會對混合花崗巖邊坡造成不利的影響,尤其是邊坡表層有球狀風化體,且存在開挖或降雨因素時,易形成落石及崩塌,屬不穩(wěn)定結構,應加強監(jiān)測和防范。但需要注意的是,本文在此僅考慮了球狀風化體直徑的影響,未考慮球狀風化體位置的影響,通過計算可知,當大直徑球狀風化體集中在混合花崗巖邊坡下部時,邊坡穩(wěn)定性會有提高,因此有必要對球狀風化體位置對混合花崗巖邊坡穩(wěn)定性的影響進行討論。
表2 不同球狀風化體直徑(D)下混合花崗巖邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)(FS)
在控制球狀風化體含量和直徑一定的情況下,本文分別研究了當球狀風化體分布在混合花崗巖邊坡上、中、下部以及分布在邊坡淺層和深層時邊坡的穩(wěn)定性變化規(guī)律。故本文選取直徑為2.2 m的球狀風化體,建立的邊坡穩(wěn)定性分析模型如圖11所示,計算出的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)如表3所示。
圖11 不同球狀風化體位置下混合花崗巖邊坡的穩(wěn) 定性分析模型
表3 不同球狀風化體位置下混合花崗巖邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)(FS)
由表3可知:當球狀風化體分布在混合花崗巖邊坡的上部時邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)最小,分布在混合花崗巖邊坡的中部時邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)次之,當球狀風化體分布在混合花崗巖邊坡的下部時邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)最大。這是由于壓腳作用越來越明顯,高密度和高強度的球狀風化體,使得混合花崗巖邊坡的抗滑力顯著提升,對于提高邊坡穩(wěn)定性有積極的作用。與此同時,球狀風化體分布在混合花崗巖邊坡淺層時邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)比球狀風化體分布在混合花崗巖邊坡深層時大。由前述可知,位置越深的球狀風化體,對混合花崗巖邊坡穩(wěn)定性的影響越小,且球狀風化體存在本身對邊坡穩(wěn)定性有積極的影響,因此球狀風化體位置越淺的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)越高。
本文認為球狀風化體位置對土石混合體邊坡穩(wěn)定性的影響較大,影響大小關系表現(xiàn)為:邊坡下部>邊坡中部>邊坡上部,邊坡淺層>邊坡深層。該結論與文獻[12]的觀點一致。
在假設邊坡為近似圓弧滑動的基礎上通過分析可知,當孤石出現(xiàn)在邊坡滑動面上時,邊坡滑動面明顯不會穿過孤石,這是由于孤石抗剪強度過高,如果邊坡滑動面穿過孤石,邊坡的抗滑力會大幅度提高而邊坡下滑力并沒有發(fā)生明顯的變化,故并不會發(fā)生滑坡,進而不存在邊坡滑動面。因此,需要對于孤石對邊坡滑動面的影響進行分析。通過Slope建立分析模型,在無孤石邊坡[見圖12(a)]的基礎上增加孤石,讓邊坡最危險滑動面穿過孤石,即建立兩種模型:一種是孤石位置偏向邊坡滑動面上方[見圖12(c)];一種是孤石位置偏向邊坡滑動面下方[見圖12(e)]。建立的繞石效應分析模型以及對應的邊坡穩(wěn)定性系數(shù),見圖12。圖中黑色的線代表無孤石情況下的邊坡滑動面,綠色區(qū)域代表加入孤石以后的邊坡滑動面。
通過對這兩種邊坡滑動面進行對比分析可知:邊坡滑動面上加入孤石以后,邊坡最危險滑動面會隨著孤石的加入而發(fā)生改變,并呈現(xiàn)明顯的繞開孤石的效應,即繞石效應,但其不是僅在孤石附近繞,而是呈現(xiàn)整體式繞開孤石;當孤石位置偏向邊坡最危險滑動面上方時,邊坡最危險滑動面會從孤石下方繞[見圖12(d)];當孤石位置偏向邊坡最危險滑動面下方時,邊坡最危險滑動面會從孤石上方繞[見圖12(f)]。由此可得,當邊坡滑動面上出現(xiàn)孤石時,邊坡滑動面不會穿過孤石,而是會繞過孤石,而且繞過孤石的方式是選擇 “更近”的路徑。這是由于當邊坡滑動面要發(fā)生改變時,必然要消耗能量,因此為了保證消耗的能量最低,必然會選擇 “最近”的路徑繞過孤石。
圖12 繞石效應分析模型及對應的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)(FS)
(1) 僅考慮滑動面以上分布球狀風化體和整體隨機分布球狀風化體,混合花崗巖邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)一致。當在滑動面以下增加球狀風化體時,對整體邊坡穩(wěn)定性的影響很小。因此在建模中,本文忽略滑動面以下球狀風化體對混合花崗巖邊坡穩(wěn)定性的影響,僅考慮滑動面以上球狀風化體對混合花崗巖邊坡穩(wěn)定性的影響。
(2) 當考慮球狀風化體隨機分布時,相對于實際來說球狀風化體仍是分布較均勻的,而實際混合花崗巖邊坡中可能存在部分位置球狀風化體分布較集中、部分位置較分散的情況,因此建模與實際情況有一定的差異。
(3) 在混合花崗巖邊坡穩(wěn)定性計算中,假設球狀風化體是均質、規(guī)則且剛度大的球形,而實際的球狀風化體并非規(guī)則的球形,且可能存在一些微裂紋,這與實際球狀風化體有些區(qū)別,但這并不影響對混合花崗巖邊坡穩(wěn)定性的分析。
(1) 球狀風化體的含量對混合花崗巖邊坡穩(wěn)定性有一定的影響。隨著球狀風化體含量由0%增加到40%,混合花崗巖邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)整體呈上升趨勢。當球狀風化體含量由10%增加至20%時,邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)增加較快;當球狀風化體含量超過20%時,邊坡穩(wěn)定性系數(shù)基本不變。隨著球狀風化體含量的增加,混合花崗巖邊坡的最危險滑動面向深部發(fā)展。
(2) 球狀風化體直徑對混合花崗巖邊坡穩(wěn)定性有影響。當球狀風化體直徑變大時,滑動面深度先變大后變小,混合花崗巖邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)逐漸變小。當邊坡表層有大直徑球狀風化體時,由于開挖或降雨因素易形成落石及崩塌,屬不穩(wěn)定結構,應加強監(jiān)測和防范。
(3) 球狀風化體位置對混合花崗巖邊坡穩(wěn)定性有一定的影響。當球狀風化體分布在混合花崗巖邊坡的上部時邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)最小,分布在混合花崗巖邊坡中部時邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)次之,分布在混合花崗巖邊坡下部時邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)最大;球狀風化體分布在混合花崗巖邊坡淺層時邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)比分布在深層時大。球狀風化體位置分布對混合花崗巖邊坡穩(wěn)定性具體的影響關系表現(xiàn)為:邊坡下部>邊坡中部>邊坡上部,邊坡淺層>邊坡深層。
(4) 在無孤石邊坡的基礎上加入孤石以后,最危險滑動面會隨著孤石的加入而發(fā)生改變,并呈現(xiàn)明顯的繞開孤石的效應,但最危險滑動面不是僅在孤石附近繞,而是呈現(xiàn)整體式繞開孤石。當孤石分布在邊坡滑動面偏向上方時,最危險滑動面會從孤石下方繞;當孤石分布在邊坡滑動面偏向下方時,最危險滑動面會從孤石上方繞。