易慶波

(1中國水電顧問集團貴陽勘測設計研究院巖土工程有限公司,貴州 貴陽 550081;2中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司,貴州 貴陽 550081)

0 引言

中國是一個高原、丘陵和山地面積較多的國家,約占陸地面積的67%。同時,我國也是一個滑坡等地質(zhì)災害發(fā)生十分頻繁的國家。據(jù)不完全統(tǒng)計,每年由于地質(zhì)災害造成的各方面經(jīng)濟損失在幾十億到幾百億元不等。在我國大部分地區(qū)特別是西南、西北及中南部,邊坡失穩(wěn)塌滑等地質(zhì)災害嚴重影響了我國的基礎建設。

對于建筑邊坡,一般來講,高邊坡是指高度大于30 m的巖質(zhì)邊坡和大于20 m的土質(zhì)邊坡[1]。高陡巖質(zhì)邊坡因地質(zhì)構造和卸荷作用使得巖體受多組結構面切割作用而形成不穩(wěn)定塊體,這些塊體沿某組或幾組結構面組合滑動,從而產(chǎn)生了崩塌或落石[2-4]。研究區(qū)高邊坡地質(zhì)條件復雜,巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育。通過對邊坡工程地質(zhì)條件分析的基礎上,采用定性分析方法和傳統(tǒng)極限分析法對邊坡穩(wěn)定性進行綜合分析,為邊坡的開挖與支護提供可靠經(jīng)濟合理的措施與依據(jù),為同類邊坡的穩(wěn)定分析評價提供參考借鑒。

1 巖質(zhì)邊坡變形破壞機制

1.1 巖質(zhì)邊坡變形破壞的類型

在邊坡形成過程中,由于地應力和自重應力等應力狀態(tài)的演變,邊坡巖體在不同時期將發(fā)生不同方式、不同規(guī)模和不同程度的變形,隨著變形量的不斷積累,坡體應力和位移超過自身的承受能力,就會發(fā)生破壞。斜坡的變形和破壞是兩個主要的發(fā)展階段,變形的生長是伴隨著時間的推移不斷進行的,通常,在野外,經(jīng)常觀察到巖體內(nèi)部發(fā)育有各種不同的變形跡象,比如松動的巖體以及坡體內(nèi)部的彎曲褶皺、張剪裂隙、錯動位移等等現(xiàn)象,這是巖體變形發(fā)展過程中的產(chǎn)物,其沒有發(fā)生明顯的破壞但正在不斷向破壞階段演化。巖體的累進性變化達一定量值的時候,即發(fā)生諸如崩落、滑動等失穩(wěn)運動方式,通常,在邊坡的坡腳都會存在堆積體,這就是邊坡巖體破裂解體堆積起來的,而對于滑坡體來說,滑坡發(fā)生后,其仍然在繼續(xù)運動,并會在后續(xù)不斷發(fā)生多次滑坡,這就是破壞后的繼續(xù)運動,代表了巖體破壞后的演化階段,對邊坡巖體的變形狀況進行適時了解,有助于掌握邊坡的演化過程,有利于分析判斷邊坡的破壞機制、穩(wěn)定狀況,并對邊坡巖體的發(fā)展演化趨勢作出合理的預測。

(1)巖質(zhì)邊坡變形的主要方式

實際上,邊坡的變形在邊坡的形成過程中就發(fā)生發(fā)展著,表現(xiàn)為累進性的時間效應,主要有松動和蠕變兩種方式。

①松動

邊坡由于臨空面的形成,使邊坡坡面巖體應力集中,加之巖體內(nèi)部的彈性應變能得到釋放,巖體發(fā)生卸荷回彈(unloading rebound)。巖體向臨空面方向發(fā)生回彈變形,坡體內(nèi)部勢必發(fā)育卸荷裂隙,形成卸荷帶(unloading zone),也可以稱為松動帶。松動的巖體內(nèi)部裂隙發(fā)育,其將巖體切割成破碎的塊體,致使巖體向臨空方向移動,在邊坡開挖后,是巖體松動變形的初始階段。

②蠕變

蠕變(slope creep)是一種微小的變形,坡體隨蠕變的發(fā)展而不斷松弛。蠕變的形成機制為巖土的粒間滑動形成的塑性變形,或者是沿巖石微裂紋的錯動,或者是由巖體中一系列裂隙擴展所致。巖體可近似看作是彈塑性材料,蠕變是在塑性屈服極限之前的變形,其長期發(fā)生著一系列的緩慢而持續(xù)的累進性位移變化,這個階段剪應力小于巖體的抗剪強度。根據(jù)蠕變發(fā)生的位置,可分為表層蠕變和深層蠕變。

(2)巖質(zhì)邊坡破壞的基本類型

隨著時間的推移,巖質(zhì)邊坡的變形發(fā)展到一定程度,將導致邊坡的失穩(wěn)破壞。按照其破壞方式,巖質(zhì)邊坡的基本失穩(wěn)模式大致可分為如表1所示的幾種類型。

表1 巖質(zhì)邊坡破壞基本類型

1.2 邊坡變形破壞的地質(zhì)力學模式

在早期,根據(jù)邊坡巖體變形破壞過程中的力學機制,將邊坡巖體的變形破壞機制劃分為六種基本地質(zhì)力學模式[5],分別為:蠕滑(滑移)-拉裂;滑移-壓致拉裂;滑移-拉裂;滑移-彎曲;彎曲-拉裂(傾倒);塑流-拉裂,或者為六種模式的復合。西南地區(qū)地質(zhì)條件復雜,內(nèi)、外地質(zhì)營力活躍,高邊坡變形破壞機制也因此而復雜多變,除了通常的失穩(wěn)模式外,近20年來,還揭露了若干類典型的高邊坡變形破壞機制和大型滑坡發(fā)生模式[6]:①滑移-拉裂-剪斷“三段式”機制,②“擋墻潰屈”機制,③傾倒變形機制,④壓縮-傾倒變形機制,⑤階梯狀蠕滑-拉裂機制,⑥順傾向?qū)訝顜r體邊坡的滑移(彎曲)-剪斷機制。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 邊坡穩(wěn)定性分析方法

2.1.1 定性分析

邊坡穩(wěn)定性分析中的定性分析法具有多種,諸如類比分析法、歷史成因分析法、圖解分析等。歷史成因分析法重視工程地質(zhì)第一性資料的分析,正確對邊坡的總體認識和初始資料的掌握對定量評價邊坡的穩(wěn)定性起著關鍵的作用。類比法主要是針對相似度較高的邊坡工程之間的對比分析,其中相似度可以從地質(zhì)環(huán)境條件、邊坡高度、邊坡坡角、開挖施工情況等綜合評價。圖解法是借助于圖形直觀反映空間物體對象之間的相互位置關系,以便形象地進行定性分析。圖解分析法以赤平極射投影為基礎。

極射赤平投影是用來表示空間物體之點、線、面相互間的角距關系的一種平面投影。通過這種方法,可以把物體在三維空間上的幾何要素反映在投影平面上來進行分析,實現(xiàn)將復雜的空間問題轉(zhuǎn)化為簡單的平面問題來處理。

圖1為極射赤平投影原理的空間示意圖[3]。假如空間一結構面的產(chǎn)狀為90°∠α°,通過投影球南極S′向該平面發(fā)射射線,得到其在赤道平面上的投影圓NCSD,其中圓內(nèi)部分NCS(圖2)就是該空間平面的上半球赤平投影圖。在邊坡的赤平投影穩(wěn)定性分析中,將邊坡面和主要結構面投影到赤平圖上,綜合分析其反映的空間位置關系,從而判斷其穩(wěn)定性及可能失穩(wěn)的形式。

圖1 極射赤平投影原理

圖2 空間任意平面的赤平投影圓

2.1.2 定量分析

在定性分析的基礎上,對邊坡穩(wěn)定性的分析用一個確定的量值來評價,即定量分析。其中這個量值只是一個相對概念[7]。主要有極限平衡分析法和數(shù)值模擬計算。

極限平衡法是根據(jù)靜力平衡原理來對滑塊進行計算的,將滑體上的抗滑力與下滑力的比值作為穩(wěn)定系數(shù)來進行評價。假定潛在滑面上巖土抗剪強度τ與垂向應力σ的關系如下:

τ=c+σtanφ或τ=c′+(σ-u)tanφ′

式中:c、c′分別為滑動面的粘聚力和有效粘聚力;φ、φ′分別為滑動面的內(nèi)摩擦角和有效內(nèi)摩擦角;σ為作用在滑動面上的有效應力;u為作用在滑動面上的孔隙水壓力。

極限平衡法根據(jù)潛在滑動面及假設條件的不同又可分為多種方法,各種方法分別有其特點及適用范圍,在計算時,需要根據(jù)邊坡破壞類型及滑動面的形態(tài),選擇適當?shù)姆椒▉碛嬎氵吰碌姆€(wěn)定性。下面介紹平面滑動和楔形體滑動兩種形式的計算方法。

(1)平面滑動

對于順層狀巖質(zhì)邊坡或者存在外傾軟弱結構面的巖質(zhì)邊坡,坡體一般會發(fā)生沿巖層面或軟弱結構面的平面滑動。在這類邊坡中,在坡頂或坡面往往會出現(xiàn)不同程度的張拉裂縫。其計算模型如圖3所示。

圖3 平面破壞計算模型

QAcosθ+Wsinθ+Vcosθ-S=0

(1)

N+QAsinθ-Wcosθ+Vsinθ=0

(2)

根據(jù)庫倫破壞準則和穩(wěn)定性系數(shù)的定義:

(3)

聯(lián)立(1)、(2)、(3)三式可得到邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為:

(4)

公式(1)-(4)中:

W—滑動塊體重量;N—滑動平面上的法向力;V—張裂隙中的靜水壓力;U—作用于滑動面AD上的靜水壓力;QA—作用于滑體重心上的水平力,如地震力等;θ—滑動面傾角;L—滑動面的長度;γW—裂隙水容重;ZW—裂隙水柱高度;Z—張裂隙深度;H—邊坡高度。

如式(6)～式(9)所示:在相關后的每路信號中包括一次諧波或二次諧波的倍頻分量,以及一次諧波和二次諧波的和頻和差頻分量等高頻信號,以及經(jīng)過甲烷氣體吸收相位移動引起的低頻信號[7],將上述4路信號通過低通濾波器濾除高頻分量后,則只剩下對應諧波的同相和正交低頻分量,以及部分低頻噪聲[8],可表示為下式:

(2)楔形體滑動

當兩組結構面的傾向相反,其與邊坡臨空面及坡頂面切割形成獨立的楔形體,當兩組結構面組合交線的傾向與邊坡面的傾向基本一致,且組合交線的傾角小于邊坡傾角但大于其內(nèi)摩擦角時,容易發(fā)生楔形塊體滑動。如圖4所示,采用極限平衡法計算時,假定在滑動期間楔形塊體與兩個結構面均保持接觸;假定沒有傾倒破壞或旋轉(zhuǎn)滑動發(fā)生;滑體沿兩滑動面的交線下滑,且滑動交線出露在坡面上。根據(jù)靜力平衡原理,首先將滑體自重W分解為垂直交線BD的分量N和平行交線的分量(即滑動力Wsinα),然后將N投影到兩個滑動面的法線方向,求得作用于滑動面上的法向力NA和NB:

圖4 楔形體滑動計算模型

(5)

(6)

則楔形體的穩(wěn)定系數(shù)為:

(7)

式中:NA、NB分別為結構面A、B的法向壓力;cA、cB分別為結構面A、B的粘聚力;φA、φB分別為結構面A、B的內(nèi)摩擦角;SA、SB分別為結構面A、B的面積;θA、θB分別為組合交線的法線與結構面A、B法線的夾角;W為楔形滑體重量;α為組合交線的傾角;UA、UB分別為結構面A、B上的孔隙水壓力。

2.2 某建筑高邊坡穩(wěn)定性分析

2.2.1 邊坡總體特征

某建筑邊坡為巖質(zhì)順向坡,坡腳到坡頂征地紅線范圍內(nèi)的人工邊坡坡高最高為56 m,邊坡長122 m,邊坡總體走向為南北向,邊坡立面呈弧形狀展布。在坡腳平坦地區(qū)擬建三棟29層住房,坡腳距離建筑邊軸線為3～8 m,邊坡安全等級為一級。擬建建筑設計±0.00標高為1200.00 m,邊坡后緣為一山體,最高點高程1318.60 m。邊坡表層節(jié)理裂隙發(fā)育,形成大量楔形塊體。圖5所示為研究區(qū)總平面圖,圖中反映了基本地質(zhì)信息,邊坡坡頂范圍和總體布局,邊坡與建筑物的相對應關系等,其中巖體為白云巖,其強風化白云巖厚度為2～3.5 m。

圖5 研究區(qū)平面圖

2.2.2 邊坡失穩(wěn)模式分析

現(xiàn)狀邊坡總體特征為巖質(zhì)順向坡,坡面方向為256°,總體坡角65°,巖層產(chǎn)狀為245°∠36°。原始邊坡在自然狀態(tài)下穩(wěn)定性比較良好,坡面植被較發(fā)育,由于開采石材,山體被開挖臨空形成高陡邊坡,在爆破動力、降雨及建筑施工對坡腳的開挖等因素下,致使邊坡坡體產(chǎn)生了局部的失穩(wěn)破壞。對于邊坡整體穩(wěn)定性而言,起著主導因素的還是巖層面,邊坡的潛在滑動面是巖層面,巖層傾向與邊坡傾向夾角為11°,基本為順傾向,且?guī)r層傾角小于邊坡坡角,因此,邊坡可能會發(fā)生沿巖層面順向滑動的平面破壞。而對于局部,由于風化及卸荷作用,邊坡表部主要發(fā)育有兩組節(jié)理,即:①207°∠56°,②316°∠52°,這兩組節(jié)理切割形成楔形體,并且兩組結構面的交線傾向坡外,交線傾角小于邊坡角,將構成外傾的楔形體,所以會發(fā)生楔形塊體局部失穩(wěn)破壞。

2.2.3 極射赤平投影分析

將邊坡內(nèi)主要的結構面及巖層面的空間關系經(jīng)過赤平投影法反映在赤平面上,得到如圖6所示的赤平極射投影圖。圖中反映了巖層面245°∠36°、節(jié)理面J1:207°∠56°,J2:316°∠52°與邊坡面PM:256°∠65°的空間組合關系。經(jīng)過赤平投影分析,巖層面與坡面成小角度相交,且層面傾角小于坡角,則邊坡會發(fā)生沿層面的順向滑動,造成邊坡整體不穩(wěn)定,危害性極大。另外,巖層面被節(jié)理J2切割形成外傾楔形體,則可能發(fā)生楔形體破壞。邊坡內(nèi)主要的兩組結構面相交形成外傾楔形體,即J1、J2切割構成外傾楔形體,交線傾角小于邊坡坡角,這些部位將構成邊坡的危巖體,局部不穩(wěn)定造成崩落掉塊,造成建筑和人身安全。

圖6 結構面赤平極射投影圖

2.2.4 邊坡沿結構面滑動破壞模式

根據(jù)赤平投影分析,該邊坡為巖質(zhì)順向坡,巖層面傾角小于邊坡坡角,邊坡整體容易發(fā)生順層滑動,邊坡在開挖過程中形成的人工邊坡可能存在的破壞模式為平面直線滑動,故邊坡的整體穩(wěn)定性計算按平面直線滑動破壞模式進行。由于貴陽地區(qū)地震基本烈度小于Ⅵ度,勘測中沒有發(fā)現(xiàn)后緣拉裂縫,所以應用公式(8)進行邊坡的穩(wěn)定性計算時,不考慮地震力及后緣拉裂縫和地下水的作用,公式(4)簡化為:

(8)

同時,由于暴雨情況的影響,計算中要考慮雨水的作用,將暴雨簡化為巖層面的物理力學性質(zhì)的變化,特別是抗剪強度參數(shù)c、φ的降低,帶入滑體及結構面相關參數(shù)即可求得邊坡的穩(wěn)定系數(shù),計算結果如表2所示。

表2 邊坡平面滑動穩(wěn)定性計算

2.2.5 邊坡三維楔形塊體局部失穩(wěn)模式

圖7所示為邊坡表層局部危巖體的發(fā)育情況,節(jié)理的組合將巖體切割成楔形塊體,部分節(jié)理面充填黃褐色泥質(zhì)薄膜,在邊坡暴露條件下,楔形巖體滑動掉塊。楔形體破壞是節(jié)理巖質(zhì)邊坡中一種重要的結構破壞形式,在實際巖質(zhì)邊坡工程中十分常見[8]。邊坡巖體中存在大量的結構面,在豐富的實測資料基礎上,對各種結構面進行綜合統(tǒng)計,分析其與邊坡面的組合關系,找出優(yōu)勢結構面進行重點分析,對于可能形成楔形體的結構面提出必要的計算參數(shù)。關于結構面組合的潛在破壞模式,通過極射赤平投影分析可找出其關鍵組合塊體。

圖7 楔形危巖體

如2.2.3節(jié)中采用赤平極射投影法對邊坡結構面不同組合情況下形成的楔形體進行了定性分析,本節(jié)利用理正巖土計算軟件中巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析的三維楔形體分析方法對結構面不同組合情況下三維楔形體的穩(wěn)定性進行了分析,最終選出兩組主要結構面的最不利組合。

根據(jù)實測節(jié)理1、節(jié)理2構成的楔形體各個要素,采用極限平衡法公式(5)、公式(6)、公式(7)進行穩(wěn)定性計算,計算過程及結果如表3所示。

表3 三維楔形體穩(wěn)定性計算

在楔形體滑動的計算中,節(jié)理面參數(shù)c、φ按照暴雨情況下進行取值,根據(jù)計算結果可知楔形塊體剩余下滑力為1600 kN,穩(wěn)定性系數(shù)為0.951<1,楔形體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在現(xiàn)場調(diào)查中,已經(jīng)有局部塊體發(fā)生滑動,特別是在下雨的情況下,局部塊體滑動的可能性很大,因此,建議采用篷布蓋住坡面以防雨水沖刷與浸透,同時應及早對邊坡上這些楔形危巖體進行治理,以確保安全。

3 結論

巖質(zhì)高邊坡的穩(wěn)定性評價與治理方案的研究具有重要的理論和實踐指導意義,能為邊坡工程的治理提供安全、經(jīng)濟、美觀的技術依據(jù)。影響邊坡穩(wěn)定性的因素是多方面的,例如邊坡形態(tài)、地層巖性、地質(zhì)構造、巖體結構、地下水、卸荷效應、各種地質(zhì)營力、風化作用和工程活動等諸多條件,邊坡穩(wěn)定性分析宜綜合分析,抓住重點。正確分析邊坡的變形破壞方式與力學機制是穩(wěn)定性合理評價的前提與關鍵。在現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查與勘察的基礎上,采用定性分析法、極限平衡法等對邊坡的穩(wěn)定性做出評判。通過對某建筑高邊坡變形破壞類型及失穩(wěn)力學機制分析,從赤平投影定性分析到極限平衡法分析邊坡滑動破壞模式及其穩(wěn)定性,得出該邊坡主要是順層面的直線滑動及沿結構面組合形成的楔形體滑動破壞,其中直線滑動整體欠穩(wěn)定,局部楔形體滑動不穩(wěn)定,需要加強邊坡支護治理措施。