綜合評(píng)價(jià)法確定巖質(zhì)順向坡軟弱結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度參數(shù)

楊朝發(fā)，劉發(fā)祥

(貴州有色地質(zhì)工程勘察公司，貴州貴陽(yáng) 550005)

綜合評(píng)價(jià)法確定巖質(zhì)順向坡軟弱結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度參數(shù)

楊朝發(fā)，劉發(fā)祥

(貴州有色地質(zhì)工程勘察公司，貴州貴陽(yáng) 550005)

巖質(zhì)邊坡的勘察相對(duì)較為簡(jiǎn)單，不像土質(zhì)邊坡那樣當(dāng)巖土結(jié)構(gòu)復(fù)雜時(shí)使得勘察較為困難，但當(dāng)巖質(zhì)邊坡為順向坡、且有軟弱夾層時(shí)，其軟弱結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定一直是勘察人員難以把握的問題。結(jié)合工程實(shí)例，通過結(jié)構(gòu)面大型現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)、規(guī)范查表法及反算法等綜合評(píng)價(jià)法，確定了巖質(zhì)邊坡軟弱結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，并對(duì)各方法進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和分析，以供類似工程作對(duì)比參考。

巖質(zhì)邊坡;順向坡;軟弱結(jié)構(gòu)面;強(qiáng)度參數(shù);綜合評(píng)價(jià)法;勘察

0 引言

近年來，巖質(zhì)邊坡順層滑坡頻繁發(fā)生，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失及人員傷亡，其危害性極大。巖質(zhì)順向坡引起了相關(guān)人員的重視［1，2］。多數(shù)巖質(zhì)順向坡的滑動(dòng)，均為其間存在某一層或幾層軟弱結(jié)構(gòu)面，由于其本身抗剪強(qiáng)度指標(biāo)較低及人工切腳影響，其沿軟弱結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)的可能性極大［2］。按照要求，其結(jié)構(gòu)面(特別是軟弱結(jié)構(gòu)面)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)一般應(yīng)通過原位測(cè)試確定，但當(dāng)前并非所有工程均能做到，主要是由于巖體(特別是軟弱結(jié)構(gòu)面)的現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)費(fèi)用較高、試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)、試驗(yàn)條件不成熟等原因，大多數(shù)工程均參照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行查表取值。工程實(shí)踐研究表明，不同軟弱結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)求取方法得出的結(jié)果差異較大，給設(shè)計(jì)人員的使用帶來相當(dāng)困難。本文以貴州某小區(qū)巖質(zhì)順向坡的勘察工程為例，通過對(duì)軟弱結(jié)構(gòu)面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)，并結(jié)合規(guī)范查表法、反算法等方法綜合確定了巖質(zhì)邊坡軟弱結(jié)構(gòu)面參數(shù)，為支護(hù)設(shè)計(jì)提供符合工程實(shí)際的相關(guān)參數(shù)。

1 工程概況

貴陽(yáng)市某小區(qū)位于貴陽(yáng)市金陽(yáng)新區(qū)，根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)高及位置關(guān)系，擬建場(chǎng)地的ABC區(qū)段建設(shè)將在其北西側(cè)形成13.5 m高的基坑邊坡及14.6 m高的小區(qū)道路邊坡。邊坡頂部為已修建好的其它小區(qū)A1、2、3、4、5、6號(hào)樓，因此認(rèn)為該邊坡為破壞后果嚴(yán)重的一級(jí)建筑邊坡工程。根據(jù)調(diào)查和鉆探結(jié)果綜合分析，初步認(rèn)為潛在的滑移面為邊坡中含泥質(zhì)軟弱結(jié)構(gòu)面。

2 邊坡巖土結(jié)構(gòu)特征

①第四系雜填土(Qml):主要由粘土、碎石、磚塊等組成，結(jié)構(gòu)松散，不均勻，厚度在0～5.1 m之間。

②第四系紅粘土(Qdl+el):褐黃色，結(jié)構(gòu)致密、質(zhì)細(xì)、均勻，呈硬塑狀，場(chǎng)地層厚一般為0～3.0 m。

③三疊系關(guān)嶺組(T2g):主要為灰～灰白色白云巖、泥灰?guī)r，層間夾薄層泥巖(軟弱夾層)，中厚層狀，細(xì)～中晶結(jié)構(gòu)，節(jié)理較為發(fā)育。

④軟弱夾層(軟弱結(jié)構(gòu)面):灰綠、灰色，薄層，主要為泥巖組成，在其白云巖與泥灰?guī)r層間有分布，呈強(qiáng)風(fēng)化，遇水易軟化。

3 邊坡特征及破壞模式分析

3.1 邊坡特征

根據(jù)設(shè)計(jì)提供的總平面圖，受征地條件限制，為滿足平場(chǎng)、開挖要求，將進(jìn)行切坡，切坡后將形成長(zhǎng)257 m、高14.6 m的人工邊坡，且已部分開挖(本文以BC段為例)。

BC段位于擬建場(chǎng)地的東側(cè)中段，邊坡頂為某單位的已建小區(qū)，距離紅線6.0～8.0 m，有一定放坡條件。開挖將形成10.0～15.0 m高的基坑巖質(zhì)邊坡，坡向?yàn)?30°，其巖土構(gòu)成主要為中風(fēng)化基巖，層間夾薄層泥巖，泥巖的結(jié)構(gòu)面表面平整光滑、無膠結(jié)，且延展性較好，因此，根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330－2002)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)判斷，該邊坡巖體軟弱結(jié)構(gòu)面的結(jié)合程度為結(jié)合很差的類型［3，4］。

3.2 邊坡破壞模式分析

根據(jù)邊坡勘察成果和地表實(shí)地調(diào)查，勘察區(qū)巖體中除層面外主要存在2組節(jié)理，產(chǎn)狀分別為45°∠85°(J1)和110°∠70°(J2)，其性質(zhì)為張節(jié)理，巖淺部節(jié)理平均間距0.1～0.3 m，結(jié)合差，發(fā)育深度較深。巖層產(chǎn)狀為115°∠20°(S0)，開挖坡面為130°∠65°。根據(jù)上述參數(shù)繪制邊坡的赤平極射投影圖如圖1所示。

圖1 赤平投影圖

經(jīng)對(duì)上述赤平投影圖分析得知，該邊坡沿兩組節(jié)理面J1、J2均穩(wěn)定，沿層面(軟弱結(jié)構(gòu)面)S0不穩(wěn)定，其邊坡主要的破壞形式為沿S0順層滑動(dòng)，其滑動(dòng)面為其間的軟弱夾層，因此，勘察設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就是確定該軟弱夾層的強(qiáng)度指標(biāo)。

4 軟弱結(jié)構(gòu)面參數(shù)的確定

4.1 現(xiàn)場(chǎng)大型直剪試驗(yàn)及其成果

4.1.1 試驗(yàn)點(diǎn)的選擇

試驗(yàn)點(diǎn)的選擇根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形地貌條件、巖體出露分布情況、邊坡特征及便于試驗(yàn)操作等因素綜合考慮，其水平剪切力同邊坡臨空方向一致。

4.1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)在試坑中進(jìn)行，垂直壓力采用平臺(tái)堆載為反力系統(tǒng)(以6根工字鋼梁為次梁鋪置竹膠板形成一個(gè)長(zhǎng)4.8 m、寬2.0 m的堆載平臺(tái)，其上均勻堆載砂袋，堆載量約100 kN)，水平剪力以試坑壁為反力系統(tǒng);正應(yīng)力及水平剪應(yīng)力加壓系統(tǒng)均為油壓千斤頂;正應(yīng)力測(cè)力裝置由200 kN傳感器及應(yīng)變儀組成，水平剪應(yīng)力測(cè)力裝置為200 kN測(cè)力計(jì)，測(cè)力裝置于試驗(yàn)前在室內(nèi)進(jìn)行率定，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)加荷標(biāo)準(zhǔn)及率定值逐級(jí)加荷;傳力系統(tǒng)由傳力柱、鋼墊塊、滾軸、承壓板等組成;位移量測(cè)系統(tǒng)由大行程百分表、磁性表座、萬能表架、量表支架等組成。

4.1.3 試驗(yàn)方法

采用“平推法”進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)大剪試驗(yàn)，其加荷方式為:在試樣修整完畢、設(shè)備安裝好后，施加法向應(yīng)力，由于試件變形使垂直壓力下降時(shí)應(yīng)隨時(shí)補(bǔ)壓，待垂直壓力穩(wěn)定、垂直變形達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定后，開始均勻施加水平推力，各試驗(yàn)點(diǎn)的剪應(yīng)力按預(yù)估最大荷載的8%～10%分級(jí)等量施加，每級(jí)剪切荷載施加5 min施加下一級(jí)剪切荷載，直到測(cè)力計(jì)讀數(shù)不再升高時(shí)即可認(rèn)為巖體已產(chǎn)生剪切破壞，當(dāng)剪切變形急劇增加或剪切位移達(dá)到50 mm可終止試驗(yàn)。按上述方法在不同垂直壓應(yīng)力下進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖2、圖3和表1。

圖2 P－τ關(guān)系回歸曲線

圖3 剪切位移與剪應(yīng)力關(guān)系曲線

表1 主要試驗(yàn)成果表

表1的結(jié)果是在天然狀態(tài)下得到的，可以看出，內(nèi)摩擦角的峰值是殘余值的1.36倍，粘聚力的峰值是殘余值的1.52倍，二者的比例關(guān)系比較一致，但殘余值的降低幅度比較大。由此可見，采用現(xiàn)場(chǎng)原位剪切試驗(yàn)可以得出不同物理?xiàng)l件下的指標(biāo)，其指標(biāo)具有明確的物理意義，這更有利于設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)計(jì)算工況進(jìn)行選用。但缺點(diǎn)是試驗(yàn)數(shù)據(jù)有限，代表性不強(qiáng)，為了與規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)值一致，在沒有足夠統(tǒng)計(jì)樣本時(shí)需憑以往經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行一定折減后作為標(biāo)準(zhǔn)值采用。根據(jù)相關(guān)資料的研究數(shù)據(jù)分析［5］，結(jié)合該場(chǎng)地巖體室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變異特征和以往經(jīng)驗(yàn)，分別對(duì)內(nèi)摩擦角和粘聚力的實(shí)測(cè)值采用0.90和0.85的折減系數(shù)進(jìn)行折減，即:ck峰=74.2 kPa，φk峰=17.4°; ck殘=48.8 kPa，φk殘=12.8°。

4.2 規(guī)范法確定軟弱結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)

規(guī)范法實(shí)際上是根據(jù)定性評(píng)價(jià)結(jié)果確定力學(xué)參數(shù)的方法，根據(jù)文獻(xiàn)［3］，若無現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果時(shí)，可按表2對(duì)結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行取值。

表2 結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值

根據(jù)該邊坡軟弱結(jié)構(gòu)面實(shí)際情況，不具備文獻(xiàn)［3］中注明的不利情況，其力學(xué)特征最接近于軟弱結(jié)構(gòu)面中的結(jié)合很差類型，按照一般情況下，取中值為:ck=35.0 kPa，φk=15.0°。

4.3 反算法

反算采用的已知參數(shù)如下:

V=1402.3 m3，γ=27.3 kN/m3，Ac=88.3 m2，θ =20°，φk=15°，Q=3520 kN(附加荷載，已有11層建筑，按單位荷載20 kN/m2，長(zhǎng)16 m)。

反算求得其ck=43.0 kPa。由此可見，反算的結(jié)果更接近現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)的殘余值，說明邊坡接近臨界穩(wěn)定的假定是基本符合實(shí)際的。

4.4 綜合分析

各種方法得到的指標(biāo)見表3。

雖然該邊坡還未出現(xiàn)明顯滑移現(xiàn)象，但坡頂有細(xì)微裂縫出現(xiàn)，推斷該邊坡處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)下，將邊坡穩(wěn)定系數(shù)為Ks=1時(shí)進(jìn)行反算，考慮到內(nèi)摩擦角的變異性相對(duì)較小，取φk=15°反算ck值，式(1)為反算采用的模型公式［3］:

表3 各種方法的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)比

從表3分析可看出，盡管反算法的模型接近實(shí)際，但由于事先需假定其中一個(gè)參數(shù)為定值，所以得出的結(jié)果人為因素偏大，選用哪一個(gè)參數(shù)作為定值反算需結(jié)合2個(gè)參數(shù)對(duì)邊坡進(jìn)行敏感性分析后才能提出，但其反算的結(jié)果至少可以判斷設(shè)計(jì)計(jì)算的取值傾向。由于多數(shù)研究都認(rèn)為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果是更為可靠的指標(biāo)，本項(xiàng)目反算的結(jié)果表明選取現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的殘余值更為合理。考慮到本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)有限、代表性不夠，同時(shí)規(guī)范法又是對(duì)定性評(píng)價(jià)結(jié)果的運(yùn)用，一般取值偏于保守，基于這一思路，本次勘察選用規(guī)范法和現(xiàn)場(chǎng)直剪殘余值的平均值作為最終的設(shè)計(jì)指標(biāo)，既照顧到經(jīng)驗(yàn)的結(jié)果，又充分利用了試驗(yàn)數(shù)據(jù)。因此，筆者認(rèn)為選用ck=42.0 kPa、φk=14.0°進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算更為經(jīng)濟(jì)合理。后期監(jiān)測(cè)結(jié)果表明邊坡的運(yùn)營(yíng)是安全的。

5 結(jié)語(yǔ)

通過上述分析可見，在對(duì)已開挖或部分開挖巖質(zhì)邊坡進(jìn)行勘察過程中，首先對(duì)邊坡的穩(wěn)定性狀況和破壞模式進(jìn)行正確分析尤為重要，對(duì)正確確定巖質(zhì)邊坡軟弱結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)具有全局的指導(dǎo)意義。軟弱結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度指標(biāo)的確定無論采用哪一種方法都是不全面的，灰色信息太多，很難得出合理的取值結(jié)果，文中的綜合評(píng)價(jià)法應(yīng)是確定軟弱結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度指標(biāo)的有效途徑。

［1］陳祖煜.土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析——原理·方法·程序［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2003.

［2］陳祖煜，汪小剛，楊健，等.巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析——原理·方法·程序［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2005.

［3］GB 50330－2002，建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范［S］.

［4］GB 50021－2001，巖土工程勘察規(guī)范［S］.

［5］林宗元.巖土工程試驗(yàn)監(jiān)測(cè)手冊(cè)［M］.遼寧沈陽(yáng):遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1991.

Determination of Strength Parameter of Weak Structural Plane of Consequent Rock Slope by Comprehensive Evaluation Method

YANG Chao-fa，LIU Fa-xiang(Nonferrous Geotechnical Investigation Company of Guizhou，Guiyang Guizhou 550005，China)

The investigation of rock slope is easier than that of soil，because geotechnical structure is not that complex.But for the consequent rock slope with weak interlayer，the determination of shear strength indexes of weak structural plane has been difficult to grasp.Combined with the engineering case，according to the comprehensive evaluation by direct shear test，standard lookup method and inverse algorithm，shear strength indexes of weak structure of rock slope were determined，and detail introduction and analysis were made on each method to be reference to similar engineering.

rock slope;consequent slope;weak structural plane;strength parameter;comprehensive evaluation method; investigation

P642.2

A

1672－7428(2012)08－0072－03

2012－02－27

楊朝發(fā)(1977－)，男(土家族)，貴州思南人，貴州有色地質(zhì)工程勘察公司工程師，巖土工程專業(yè)，從事巖土工程勘察、設(shè)計(jì)等研究工作，貴州省貴陽(yáng)市寶山南路27號(hào)凱尼大廈12樓鄭麗轉(zhuǎn)(550002)，505000688@qq.com。