順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析
——以重慶某樓盤(pán)邊坡為例

萬(wàn)財(cái)華，章 濤

（1.重慶中交置業(yè)有限公司，重慶 401320；2.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074）

近年來(lái)，由于順層邊坡災(zāi)害頻發(fā)，促使人們利用試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算等手段研究滑移-拉裂型順層巖質(zhì)邊坡破壞機(jī)理。如楊金旺等[1]以某典型順層巖質(zhì)邊坡為例，對(duì)其某剖面開(kāi)展基于變溫相似材料的降強(qiáng)法與傾斜抬升超載法相結(jié)合的綜合法模型試驗(yàn)，獲得邊坡變形破壞全過(guò)程，揭示了邊坡破壞模式為滑移-拉裂破壞；董金玉等[2]為研究地震作用下順層巖質(zhì)邊坡的破壞機(jī)制，設(shè)計(jì)制作了1個(gè)1.60m×1.75m×0.80m（長(zhǎng)×寬×高）順層邊坡模型，進(jìn)行大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究成果對(duì)順層邊坡形成機(jī)制和防災(zāi)減災(zāi)有一定價(jià)值；陳沖等[3]進(jìn)行不同傾角的順層巖質(zhì)邊坡相似模型試驗(yàn)，分析每組試驗(yàn)破壞情況發(fā)現(xiàn)：邊坡傾角為30°和35°時(shí)，邊坡表現(xiàn)為拉裂破壞；邊坡傾角為45°和50°時(shí)，邊坡表現(xiàn)為滑移-拉裂破壞；范剛等[4]以希爾伯特-黃變換和邊際譜理論為基礎(chǔ)，對(duì)含軟弱夾層順層巖質(zhì)邊坡進(jìn)行大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。結(jié)果表明，邊坡破壞模式為拉裂-滑移-崩落式。利用試驗(yàn)結(jié)果并通過(guò)能量判識(shí)方法對(duì)含軟弱夾層順層巖質(zhì)邊坡動(dòng)力破壞模式進(jìn)行研究；王章瓊等[5]以貴州某含陡傾結(jié)構(gòu)面順層邊坡為例，利用離散元軟件UDEC并綜合工程地質(zhì)條件及開(kāi)挖擾動(dòng)，探討邊坡中發(fā)育有順坡向陡傾結(jié)構(gòu)面時(shí)邊坡的破壞模式，研究表明，邊坡可能發(fā)生的變形破壞模式主要有順層滑移、滑移-拉裂2種，自然狀況下及開(kāi)挖后，邊坡都有沿巖層面發(fā)生滑移的趨勢(shì)，且工程開(kāi)挖是邊坡沿結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)的誘因；黃潤(rùn)秋等[6]通過(guò)離散元數(shù)值模擬，結(jié)合湯屯高速公路順層邊坡所處工程地質(zhì)條件，對(duì)其破壞機(jī)理進(jìn)行研究，結(jié)果表明：邊坡破壞模式為滑移-拉裂和滑移-彎曲復(fù)合，層間軟弱夾層及結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度對(duì)邊坡變形有較大影響；李思瀅等[7]分別采用地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)與FLAC數(shù)值計(jì)算對(duì)白鶴灘水電站順層巖質(zhì)高邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

通過(guò)以上分析可發(fā)現(xiàn)，滑移-拉裂破壞作為順層巖質(zhì)邊坡最常見(jiàn)的一種破壞模式，專(zhuān)門(mén)針對(duì)此類(lèi)破壞模式進(jìn)行的研究較少。目前大多是以某工程案例為依托，采用試驗(yàn)和數(shù)值手段進(jìn)行邊坡破壞機(jī)理分析，相關(guān)理論成果較少。本文利用極限平衡法建立力學(xué)模型，考慮層間抗剪強(qiáng)度參數(shù)的劣化作用，推導(dǎo)了邊坡巖層橫向失穩(wěn)長(zhǎng)度計(jì)算公式。

1 邊坡穩(wěn)定性分析

實(shí)際現(xiàn)象表明，順層巖質(zhì)邊坡可能是沿某個(gè)層面發(fā)生整體滑動(dòng)，也可能是沿某個(gè)或某些層面發(fā)生局部滑動(dòng)，由下而上發(fā)生漸進(jìn)式破壞，并當(dāng)坡腳不再受到擾動(dòng)時(shí)，失穩(wěn)滑動(dòng)也就不再向上發(fā)展[8]。如果能確定順層巖質(zhì)邊坡的滑移面及滑移極限長(zhǎng)度，在進(jìn)行邊坡加固設(shè)計(jì)時(shí)，只需對(duì)局部即將發(fā)生破壞的巖層進(jìn)行加固?，F(xiàn)有加固方法通常是將整個(gè)邊坡長(zhǎng)度作為設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，很少考慮局部失穩(wěn)現(xiàn)象。以下對(duì)此類(lèi)邊坡橫向失穩(wěn)長(zhǎng)度進(jìn)行求解，分析影響橫向失穩(wěn)長(zhǎng)度的因素。

1.1 基本假定

1）設(shè)巖層傾角為β，開(kāi)挖邊坡坡角為α，開(kāi)挖邊坡坡頂?shù)狡履_的巖層數(shù)依次為 1，2，3，…，i，…，n，各巖層重度和巖層厚度分別為 γi和 hi；設(shè)第 i層層面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為 fi、ci，拉裂面等效抗拉強(qiáng)度σti。

2）自然邊坡坡角等于巖層傾角，即自然邊坡坡角與順層結(jié)構(gòu)面平行，二者夾角為0°。

3）順層巖質(zhì)邊坡周?chē)鲬?yīng)力跡線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，主要表現(xiàn)為：最大主應(yīng)力愈平行于臨空面，最小主應(yīng)力愈垂直于臨空面。在一定條件下，坡面的徑向應(yīng)力和坡頂面的切向應(yīng)力轉(zhuǎn)為拉應(yīng)力，因此，假設(shè)邊坡后緣拉裂面與開(kāi)挖坡面近乎平行。

4）順層巖質(zhì)邊坡在形成過(guò)程中由于長(zhǎng)期受人工擾動(dòng)和風(fēng)化等的影響，巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)與拉裂面等效抗拉強(qiáng)度有不同程度的降低。鄒宗興[9]著重討論了滑帶本構(gòu)和滑帶力學(xué)參數(shù)的時(shí)空演化規(guī)律。研究表明：越靠近臨空面，滑帶抗剪強(qiáng)度參數(shù)和拉裂面等效抗拉強(qiáng)度劣化越嚴(yán)重；越遠(yuǎn)離臨空面，滑帶抗剪強(qiáng)度參數(shù)和拉裂面等效抗拉強(qiáng)度劣化程度較小。因此，為考慮層面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)fi、ci及巖體等效抗拉強(qiáng)度σti的劣化效應(yīng)，可設(shè)fi、ci、σti與分析點(diǎn)到開(kāi)挖面距離x的變化關(guān)系為：

式中，kfi，f0i，kci和 kσi分別為受擾動(dòng)后開(kāi)挖坡面處第 i層層面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)fi，ci及巖體等效抗拉強(qiáng)度σti的折減系數(shù)，它們與巖體卸荷、風(fēng)化等因素有關(guān)，可由工程調(diào)查結(jié)果和室內(nèi)模型試驗(yàn)綜合確定。對(duì)于未受擾動(dòng)的巖體，fi，ci，σti取天然狀態(tài)下的相應(yīng)值。

1.2 計(jì)算模型建立

順層巖質(zhì)邊坡開(kāi)挖坡腳大于巖層傾角的理論計(jì)算模型如圖1所示。α為順層巖質(zhì)邊坡開(kāi)挖坡角，β為順層巖質(zhì)邊坡巖層傾角。其中x軸的位置隨研究對(duì)象變化而變化，且始終位于研究對(duì)象的底層面上；坐標(biāo)原點(diǎn)Ai為x軸與開(kāi)挖坡面的交點(diǎn)。設(shè)開(kāi)挖邊坡坡頂D坐標(biāo)為（x0，y0），定義第i層底面與開(kāi)挖坡面的交點(diǎn)坐標(biāo)為（xi，yi）。

圖1 邊坡計(jì)算模型

1.3 巖層失穩(wěn)橫向長(zhǎng)度計(jì)算

以圖1中塊體AiBiC1D為研究對(duì)象，模型中各變量之間的幾何關(guān)系如下所示：

則順層巖質(zhì)邊坡滑體重：

邊坡所受地震荷載為：

式中，αs為水平地震力系數(shù)；η為水平地震作用修正系數(shù)；Ag為地震動(dòng)峰值加速度。

拉裂面BiC上，有：

順層巖質(zhì)邊坡滑體部分沿巖層分界面的下滑力為：

巖層分界面上的抗滑力為：

若順層巖質(zhì)邊坡發(fā)生滑移拉裂，則此時(shí)

臨界條件為：

將式（1）～式（11）代入式（13），可得到順層巖質(zhì)邊坡自然坡段巖層失穩(wěn)長(zhǎng)度L為：

式中，A=γHk（ficosβ-αssinβ）+kσikfiHcos（α-β）+kci；

式（14）中，L若為負(fù)，表明邊坡不會(huì)發(fā)生滑動(dòng)；若L為正，表明邊坡會(huì)發(fā)生滑動(dòng)。

2 工程算例

2.1 工程概況

某邊坡項(xiàng)目位于重慶市巴南區(qū)李家沱-魚(yú)洞組團(tuán)項(xiàng)目規(guī)劃用地范圍內(nèi)，該項(xiàng)目西臨萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)和巴南區(qū)政府，北臨旭輝城。擬建場(chǎng)地建筑面積214000m2。由6棟高層建筑（1～6號(hào)樓）、27棟多層住宅（7～33號(hào)樓）、1所幼兒園（34號(hào)樓）、地下車(chē)庫(kù)、配套用房及商業(yè)網(wǎng)點(diǎn)組成。場(chǎng)地平場(chǎng)后，場(chǎng)地東側(cè)高速路位置與存在4.5～26.0m高的環(huán)境邊坡，該段邊坡總長(zhǎng)度約413m。

2.2 工程地質(zhì)條件

2.2.1 地形地貌

場(chǎng)地總體地形呈東高西低，地形坡角一般10°～20°，局部地段因工程建設(shè)形成填、挖方邊坡，邊坡坡角30°～60°。地面高程一般212.00～255.00m，相對(duì)高差約43m。場(chǎng)地最高點(diǎn)位于場(chǎng)地東側(cè)ZY293的用地紅線邊，高程約261.43m；最低點(diǎn)位于場(chǎng)地西南角的已建德普外國(guó)語(yǔ)學(xué)校5F教學(xué)樓處，高程約210.90m。

場(chǎng)地北西側(cè)的ZY1及ZY9鉆孔區(qū)域因德普外國(guó)語(yǔ)學(xué)校多功能廳的修建，在該建筑的東側(cè)（即本次勘察用地紅線邊）形成最大高度約19m的挖方巖質(zhì)邊坡，坡角45°～55°，該邊坡已采取錨噴支護(hù)處理。而在場(chǎng)地內(nèi)分布較多的前期施工單位現(xiàn)場(chǎng)辦公區(qū)及農(nóng)民工宿舍，本次勘察的外業(yè)工作期間已逐步進(jìn)行拆遷。

2.2.2 地質(zhì)構(gòu)造

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，場(chǎng)地內(nèi)無(wú)斷層及構(gòu)造破碎帶通過(guò)。場(chǎng)地構(gòu)造上位于川東南弧形構(gòu)造帶的宣漢—重慶平行褶皺束的南延部分，地質(zhì)構(gòu)造上位于南溫泉背斜西翼，巖層呈單斜產(chǎn)出。

在場(chǎng)地基巖露頭區(qū)測(cè)得巖層產(chǎn)狀260°～272°∠65～72°（優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀：265°∠68°），層面結(jié)合程度差，屬軟弱結(jié)構(gòu)面。經(jīng)地質(zhì)調(diào)查及搜集資料，場(chǎng)地基巖構(gòu)造裂隙較發(fā)育。在基巖露頭上測(cè)得兩組構(gòu)造裂隙，分別對(duì)其特征敘述如下。

1）裂隙J1 產(chǎn)狀10°～30°∠30°～48°（優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀：20°∠38°），裂隙延伸長(zhǎng)度1～4m，間距約0.20～0.60m，裂隙張開(kāi)1～3mm，裂面平直，泥質(zhì)充填，結(jié)合程度很差，屬軟弱結(jié)構(gòu)面。

2）裂隙J2 產(chǎn)狀188°～215°∠50°～77°（優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀：205°∠72°），裂隙延伸長(zhǎng)度0.3～2.0m，間距約1～4m。裂隙張開(kāi)1～3mm，泥質(zhì)充填，裂面較平緩，結(jié)合程度很差，屬軟弱結(jié)構(gòu)面。

2.2.3 地層及巖性

1）素填土（Q4ml）碎塊石多呈次棱角狀，含量20%～25%，粒徑一般20～330mm，局部達(dá)800mm。結(jié)構(gòu)松散～稍密狀態(tài)，稍濕，為機(jī)械無(wú)序堆填，堆填時(shí)間2～3年。鉆探揭示層厚0.40～31.30m（ZY299）。

2）粉質(zhì)黏土（Q4el+dl）黃色、褐黃色、黃灰色為主，多呈可塑狀，場(chǎng)地中部低洼地帶及現(xiàn)狀水塘區(qū)域的表層0～1.50m呈軟塑。含少許強(qiáng)風(fēng)化砂巖、泥巖碎粒，粒徑5～20mm。切面稍有光澤，韌性中等，干強(qiáng)度中等，無(wú)搖振反應(yīng)，為殘坡積成因。鉆探揭示層厚 0.30～6.50m（ZY43）。

3）砂巖（Ss）灰黃色、褐灰色、灰色，中細(xì)粒結(jié)構(gòu)，厚層狀構(gòu)造。主要礦物成分石英、長(zhǎng)石，次為云母及暗色礦物，鈣泥質(zhì)膠結(jié)。該層零星分布于場(chǎng)地內(nèi)，根據(jù)本次勘察鉆探揭示，其單層厚度薄，一般1～3m或以薄層狀間夾于泥巖及頁(yè)巖中。

4）頁(yè)巖（Sh）黃褐色、深灰、灰黑色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造，主要由黏土礦物組成，局部可見(jiàn)薄層黑色介殼灰?guī)r伴生，無(wú)規(guī)律。

5）泥巖（Ms）黃褐色、紫紅～紅褐色、局部呈灰色，主要礦物成分為黏土礦物，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中～厚層狀構(gòu)造，局部含砂質(zhì)較重。

2.3 橫向失穩(wěn)長(zhǎng)度計(jì)算

該段邊坡巖層走向與線路走向平行，巖層傾角為15°，開(kāi)挖坡角為50°，屬于緩傾角順層巖質(zhì)邊坡，開(kāi)挖坡角大于巖層傾角，符合上面所討論的內(nèi)容，開(kāi)挖切斷巖層數(shù)為1層，在切斷泥巖層后，該順層邊坡沿泥巖層底面發(fā)生滑移拉裂，后緣拉裂縫距前緣約48.00m，邊坡炭質(zhì)泥巖具體參數(shù)如表1所示。

表1 巖層參數(shù)

將以上參數(shù)代入公式（14），計(jì)算可得：L=41.07m＞0，說(shuō)明該邊坡會(huì)發(fā)生滑動(dòng)，需以41m為設(shè)計(jì)長(zhǎng)度進(jìn)行加固。

3 結(jié)語(yǔ)

1）利用極限平衡法，考慮地震力作用，建立邊坡力學(xué)模型，得到邊坡橫向失穩(wěn)長(zhǎng)度計(jì)算公式。

2）橫向失穩(wěn)長(zhǎng)度L受巖層傾角β、開(kāi)挖坡角α、被切斷巖層厚度H和地震力系數(shù)αs影響較大。

3）以重慶某樓盤(pán)邊坡為例，計(jì)算其橫向失穩(wěn)長(zhǎng)度，結(jié)果表明該邊坡極不穩(wěn)定，需以計(jì)算結(jié)果做為設(shè)計(jì)長(zhǎng)度進(jìn)行加固。