黃山某巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)

劉一強(qiáng) 朱杭琦

摘 要：在山區(qū)建設(shè)中，巖質(zhì)邊坡普遍出現(xiàn)，因此分析巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性尤為重要。黃山某巖質(zhì)邊坡勘察，采用極射赤平投影法、力學(xué)計(jì)算法分別對(duì)該巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行定性分析和定量計(jì)算，并利用FLAC3D數(shù)值模擬法進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：該巖質(zhì)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(dòng)，破壞模式為滑塌式。數(shù)值模擬驗(yàn)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(guān)鍵詞：巖質(zhì)邊坡;極射赤平投影;力學(xué)計(jì)算;FLAC3D數(shù)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(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速提升，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展迅速，尤其是山區(qū)建設(shè)項(xiàng)目層出不窮。而山區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，地形起伏變化大，工程建設(shè)及環(huán)境整治中往往會(huì)遇到自然山體陡坡、陡崖及場(chǎng)地挖填方形成的各類人工切坡，其中巖質(zhì)邊坡作為一種主要的邊坡類型頻頻出現(xiàn)，因此對(duì)邊坡實(shí)施有效的防護(hù)和治理是避免滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，保證場(chǎng)地穩(wěn)定性的重要工作，邊坡穩(wěn)定性分析作為這項(xiàng)工作的依據(jù)和前提，一直以來(lái)都受國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注。

巖質(zhì)邊坡變形破壞與地形、地質(zhì)構(gòu)造、巖體結(jié)構(gòu)、巖性、巖石風(fēng)化程度、水的作用、地震及人類工程活動(dòng)等因素相關(guān)，斜坡巖體的失穩(wěn)與破壞主要受巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)面的控制，它們之間的空間分布位置、組合關(guān)系（包括邊坡的產(chǎn)狀）和結(jié)構(gòu)面的物理力學(xué)性質(zhì)等，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性都起著至關(guān)重要的作用（韓穎，2006）。目前，分析巖質(zhì)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(qiáng)，2009）;定量分析法主要有極限平衡分析法和數(shù)值分析法;非確定性分析法主要包括可靠性分析、模糊數(shù)學(xué)理論、隨機(jī)過(guò)程方法以及灰色系統(tǒng)預(yù)測(cè)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(shù)值分析法（鄔愛(ài)清等，2008;張玉燈，2008;趙尚毅等，2003）比較常見(jiàn)，特別是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用有限元FLAC3D、離散元UDEC、塊體理論DDA等數(shù)值模擬技術(shù)建立模型，結(jié)合位移場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)，得到邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)的方法大量應(yīng)用在實(shí)踐工作中。

本文以黃山某巖質(zhì)邊坡為例，在工程地質(zhì)勘察的基礎(chǔ)上，首先利用赤平投影法反映各結(jié)構(gòu)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(jié)合計(jì)算，定量分析其穩(wěn)定性，最后利用數(shù)值模擬軟件FLAC3D建立模型，驗(yàn)證分析結(jié)果，并對(duì)該邊坡提出有效的支護(hù)建議，研究方法對(duì)山區(qū)建設(shè)項(xiàng)目的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 工程概況

東黃山國(guó)際小鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目位于安徽省黃山市黃山區(qū)譚家橋鎮(zhèn)，該項(xiàng)目包含道路、橋梁等工程。擬建濱河路為城市次干路，全長(zhǎng)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(yáng)山組灰?guī)r，青灰色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)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(jié)構(gòu)面結(jié)合好—一般，巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度為29.50～65.20 MPa，堅(jiān)硬程度為較堅(jiān)硬—堅(jiān)硬巖。巖芯較完整，發(fā)育方解石脈體，夾鈣質(zhì)頁(yè)巖，鉆孔巖芯有少量溶蝕現(xiàn)象，取芯率約92%～93%。巖層產(chǎn)狀為3°∠48°～6°∠50°，層面無(wú)充填，結(jié)合好;巖體發(fā)育有兩組節(jié)理，產(chǎn)狀分別為：116°∠24°～105°∠32°（NE為主）和221°∠63°（SW），呈微張—密閉狀，未見(jiàn)充填物。

K1+635～K1+680段路基上方的高陡斜坡概化工程地質(zhì)剖面圖見(jiàn)圖2。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，擬建濱河路K1+635～K1+680段巖質(zhì)高斜坡為層狀斜向結(jié)構(gòu)巖質(zhì)邊坡，邊坡巖體類型為Ⅲ級(jí);邊坡高度約為35 m，邊坡離路基較近，且近乎直立，對(duì)新建道路存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，需對(duì)該邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，以期采取相應(yīng)的治理措施，保證工程安全，邊坡工程安全等級(jí)可按二級(jí)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(chǔ)上采用力學(xué)計(jì)算法定量評(píng)價(jià)該巖質(zhì)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(jiǎn)介

極射赤平投影簡(jiǎn)稱赤平投影，它主要用線和面的方向、相互間的角距關(guān)系及其運(yùn)動(dòng)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(jìn)行研究處理（李忠權(quán)等，2013）。利用赤平投影的原理，通過(guò)分析結(jié)構(gòu)面或者結(jié)構(gòu)交線的傾向與坡面傾向的關(guān)系，確定邊坡穩(wěn)定性。

（2）極射赤平投影分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查測(cè)得典型巖層面（YM）產(chǎn)狀6°∠50°，坡面（PM）坡向225°坡角80°，節(jié)理面1（L1）產(chǎn)狀116° ∠24°，節(jié)理面2（L2）產(chǎn)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(chǎn)狀與坡面呈反向斜交關(guān)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(jié)構(gòu)面的組合可形成危巖體。

經(jīng)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(chǎn)生沿節(jié)理面的順層滑動(dòng);L1、L2結(jié)構(gòu)面組合交線傾向于坡內(nèi)（交點(diǎn)在斜面BM1的內(nèi)側(cè)），說(shuō)明L1、L2結(jié)構(gòu)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(dòng)，破壞模式為滑塌式，道路邊坡可能發(fā)生崩塌地質(zhì)災(zāi)害。

2.2 定量分析——邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

（1）邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)計(jì)算模型

根據(jù)場(chǎng)地工程地質(zhì)、水文地質(zhì)特征，以及2.1節(jié)結(jié)構(gòu)面赤平投影分析，結(jié)合類似場(chǎng)地的經(jīng)驗(yàn)以及邊坡可能破壞的模式，采用楔形體滑動(dòng)法計(jì)算。根據(jù)GB 50330-2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)按下式計(jì)算：

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

（2）邊坡穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)建議值

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)、野外地質(zhì)調(diào)查及當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)綜合考慮，邊坡穩(wěn)定性計(jì)算的參數(shù)選用見(jiàn)表1。

（3）邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

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

計(jì)算結(jié)果顯示，在一般工況下，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs'=1.42;地震工況下，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs"=1.27。根據(jù)GB 50330-2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》中的規(guī)定，該巖質(zhì)高邊坡（二級(jí)），一般工況下穩(wěn)定安全系數(shù)Fs=1.30，F(xiàn)s'>Fs;地震工況下穩(wěn)定安全系數(shù)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(shù)值模擬驗(yàn)證

3.1 模型概況

在進(jìn)行邊坡數(shù)值建模時(shí)，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(jì)算效率，但是二維計(jì)算模型無(wú)法考慮空間范圍內(nèi)被結(jié)構(gòu)面控制的邊坡形態(tài)特征，采用ansys進(jìn)行建模，借鑒其強(qiáng)大的前處理功能，可建立被結(jié)構(gòu)面控制的邊坡三維數(shù)值模型，在ansys里面劃分網(wǎng)格，并借助網(wǎng)格轉(zhuǎn)換插件，最終導(dǎo)入到FLAC3D中。根據(jù)概化工程地質(zhì)剖面圖，建立數(shù)值計(jì)算模型，如圖4所示，尺寸長(zhǎng)74.4 m，寬20 m，高58 m，共劃分網(wǎng)格11201個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)2650個(gè)。

3.2 確立邊界條件

為避免計(jì)算中產(chǎn)生邊界效應(yīng)引起誤差，本次數(shù)值計(jì)算約束邊坡底面4個(gè)角點(diǎn)3方向位移均為0，邊坡兩側(cè)面固定，計(jì)算中除了底面和兩側(cè)面，均允許邊坡產(chǎn)生3方向位移，可較真實(shí)模擬在自重作用下被結(jié)構(gòu)面控制的邊坡穩(wěn)定性特征。

3.3 結(jié)果分析

主要針對(duì)天然工況和暴雨工況兩種模式展開(kāi)數(shù)值模擬，分析應(yīng)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(yīng)力符合一般邊坡應(yīng)力狀態(tài)分布，邊坡主應(yīng)力數(shù)值從邊坡坡表到邊坡內(nèi)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(yīng)力集中現(xiàn)象，其中最大主應(yīng)力出現(xiàn)在被結(jié)構(gòu)面控制的楔形體處，達(dá)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(shù)大小和位移云圖如圖6所示，經(jīng)計(jì)算，穩(wěn)定性系數(shù)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?yàn)樾ㄐ误w部分，計(jì)算邊坡楔形體在天然狀況下的剪應(yīng)變?cè)隽恳约翱赡馨l(fā)生破壞的方向如圖7所示，可以看出，楔形體最大剪應(yīng)變?cè)隽糠植紖^(qū)域位于楔形體與坡面接觸的位置，根據(jù)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(yīng)力如圖8所示，從圖8中可以得到，邊坡最大主應(yīng)力分布與天然工況下相似，所不同的是，邊坡最大主應(yīng)力數(shù)值相對(duì)較小，達(dá)64 kPa，但在楔形體附近出現(xiàn)更大面積的應(yīng)力集中現(xiàn)象，可能破壞的面積相對(duì)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(shù)明顯小于天然工況，數(shù)值為1.02，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，這是因?yàn)榻涤耆霛B下，邊坡穩(wěn)定性參數(shù)相對(duì)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(yīng)變?cè)隽咳鐖D10所示，相比天然工況下，暴雨工況下楔形體最大剪應(yīng)變?cè)隽扛螅瑘D中箭頭長(zhǎng)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(jù)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(shù)值模擬計(jì)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(shù)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(yīng)力集中現(xiàn)象，最大剪應(yīng)變?cè)隽恳蚕噍^更大，根據(jù)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(jié)語(yǔ)

（1）赤平投影法可定性分析巖質(zhì)邊坡可能的破壞形式，力學(xué)計(jì)算可定量分析巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性，再利用數(shù)值模擬技術(shù)，可有效開(kāi)展巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的綜合分析及評(píng)價(jià)。

（2）赤平投影結(jié)果表明，該巖質(zhì)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(zhì)災(zāi)害。

（3）根據(jù)楔形體滑動(dòng)法計(jì)算公式，得出穩(wěn)定性系數(shù)為1.42，大于規(guī)范中的安全系數(shù)，說(shuō)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(jié)果與上述兩種方法吻合，從而驗(yàn)證了分析方法的準(zhǔn)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(shù)明顯小于天然工況。

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

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