孤石賦存形態(tài)的分類(lèi)及穩(wěn)定性分析

劉治軍，王賢能，莫莉

(深圳市工勘巖土集團(tuán)有限公司,深圳 518057)

孤石是花崗巖不均勻風(fēng)化形成的特殊地質(zhì)情況，廣泛的分布于我國(guó)東南沿海地區(qū)，其中以廣東、福建最為豐富。隨著城市與道路的擴(kuò)建，人們加大了對(duì)孤石豐富地區(qū)的開(kāi)發(fā)，由此導(dǎo)致孤石災(zāi)害頻發(fā)，極大的威脅著人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。目前對(duì)孤石研究成果較少，多數(shù)集中在孤石的探測(cè)[1～3]與實(shí)際工程中遇到如何處理上，如：地基工程中遇到孤石如何處理[4～7]；地鐵盾構(gòu)遇到孤石如何處理[8～10]等。而關(guān)于孤石穩(wěn)定性方面的研究甚少，大多集中在孤石邊坡的穩(wěn)定性上[11-12]，而孤石邊坡的穩(wěn)定性并不代表孤石穩(wěn)定性。同樣在孤石災(zāi)害的治理上如果和滑坡災(zāi)害混為一談，往往會(huì)造成極大的經(jīng)濟(jì)損失與資源浪費(fèi)。孤石的治理首先要解決孤石分類(lèi)及穩(wěn)定性分析，以惠東縣巽寮國(guó)際濱海旅游度假區(qū)南區(qū)的巽寮灣融璽項(xiàng)目S3～S5示范樓道路下側(cè)孤石治理工程為例，將邊坡中孤石的主要賦存形態(tài)分類(lèi)，并建立簡(jiǎn)化的力學(xué)計(jì)算模型，著重分析孤石的重心移動(dòng)對(duì)穩(wěn)定性的影響，為孤石工程的危險(xiǎn)性評(píng)估與治理提供理論依據(jù)。

1 工程背景

惠東縣巽寮國(guó)際濱海旅游度假區(qū)南區(qū)的巽寮灣融璽項(xiàng)目S3～S5示范樓場(chǎng)地原始地貌為剝蝕殘丘，面臨大海，地勢(shì)北東側(cè)高南西側(cè)低，地面高程在10～64 m之間，相對(duì)高差54 m，坡度在10°～25°之間，坡面分布有寬緩溝谷。坡面及坡腳分布較多花崗巖風(fēng)化球滾石，體積較大，區(qū)域前緣地勢(shì)平緩，如圖1中(a)所示。危石距離其下方的道路的水平距離為8～33 m，距離下方的小鎮(zhèn)中心約80 m，危石失穩(wěn)威脅下方的建筑、車(chē)輛及行人的安全，需對(duì)孤石進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。

《地貌學(xué)原理》[13]書(shū)中認(rèn)為：花崗巖在3組相互正交的原生節(jié)理切割下，形成許多長(zhǎng)方形或近似正方形的巖塊，由于風(fēng)化作用將周邊棱角磨圓，巖塊逐漸球化，最后形成風(fēng)化球又稱(chēng)孤石。孤石是原巖不斷風(fēng)化過(guò)程中尚且沒(méi)有風(fēng)化完全的殘留物。如圖1中(b)所示，該工程邊坡上廣泛發(fā)育形態(tài)多樣的孤石，直徑一般為1～6 m。根據(jù)場(chǎng)地勘察報(bào)告，區(qū)內(nèi)地層主要為第四系人工堆積層、第四系殘積層和燕山期侵入花崗巖，而燕山時(shí)期的花崗巖是形成孤石的主要巖體。工程需要對(duì)孤石進(jìn)行穩(wěn)定性分析，對(duì)不穩(wěn)定的孤石進(jìn)行治理。

圖1 巽寮灣某邊坡孤石照片圖

2 孤石主要賦存形態(tài)

根據(jù)工程場(chǎng)地上的孤石，經(jīng)過(guò)研究將孤石的賦存形態(tài)分為：疊加型、完全出露型、部分埋入型、全部埋入型四大類(lèi)。

2.1 疊加型孤石

如圖2所示，兩個(gè)或多個(gè)孤石疊加在一起，最上面的孤石已經(jīng)完全出露于巖體表面，疊加的下部孤石出露邊坡上。上面孤石部分范圍超出下面支撐孤石邊界，形成懸浮。此類(lèi)孤石重心較高，一般危險(xiǎn)性較大，在不良地質(zhì)自然環(huán)境下(大雨、地震)，極易形成落石，危害邊坡下面的群眾。

圖2 疊加孤石

圖3 孤石完全出露型

2.2 完全出露型孤石

孤石完全出露型是指孤石的基本主體出露于邊坡表面，僅有孤石底部少量接觸邊坡表面或埋置于殘積土層中，孤石的埋入量不超過(guò)孤石整體的10%(如圖3所示)。與疊加型孤石不同，完全出露型孤石下方為殘積土或巖體支撐，不直接坐落于其他孤石上。這類(lèi)孤石由于體積基本裸露在外，受到周?chē)耐馏w約束較小，在外力作用下也極易形成落石。

2.3 部分埋入型孤石

2.3.1 局部埋入型孤石

孤石局部埋入型是指孤石上部已經(jīng)出露于坡表，但是孤石下部仍然埋入周邊殘積土層中，孤石的埋入量大于10%，但不超過(guò)80%(如圖4所示)。由于孤石部分埋入邊坡中，孤石的下部支撐物不明，可以為其他孤石，也可全部為殘積土層。由于受到周?chē)馏w的包裹著，此類(lèi)孤石穩(wěn)定性不好判斷，需要現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估確定。

圖4 孤石部分埋入型

2.3.2 局部露頭型孤石

孤石局部露頭型是指孤石上部?jī)H有小部分出露于坡表(如圖5所示)，孤石下部絕大部分仍然埋入周邊殘積土層中，孤石的埋入量大于80%。由于孤石大部分埋入邊坡中，孤石的下部支撐物不明，與局部埋入型不同的是孤石出露表面部分非常少，對(duì)其整體估計(jì)更為困難。但，此類(lèi)孤石一般比較穩(wěn)定，發(fā)生失穩(wěn)情況較少。

圖5 孤石局部露頭型

2.4 全部埋入型孤石

孤石全部埋入型是指孤石全部埋入邊坡中，無(wú)出露邊坡表面部分(如圖6所示)。由于孤石全部埋入邊坡中，孤石位置、下部支撐物、四周的接觸情況等都不明確，需借助工具探測(cè)。在確定孤石大小與埋藏邊界后方可計(jì)算受力情況。

圖6 孤石全部埋入型

3 不同賦存形式孤石的穩(wěn)定性分析

選擇四面體鍥型單元，選擇線性函數(shù)作為差值函數(shù)即采用一維線性插值法計(jì)算節(jié)點(diǎn)位移與節(jié)點(diǎn)力的關(guān)系。

N=aε+b

(1)

假定孤石為完整塊體，內(nèi)部無(wú)節(jié)理裂隙，只考慮重力作用，孤石相對(duì)于周?chē)鷼埛e土剛度足夠大，相互作用過(guò)程中可以不考慮變形作用，與孤石接觸的周?chē)馏w，為均質(zhì)、各向同性體，不考慮作用過(guò)程中土體各向異性和非線性作用對(duì)孤石與土體相互作用的影響。孤石重力作用的穩(wěn)定計(jì)算考慮疊石、完全出露、部分出露、完全埋入4種情況。

3.1 疊石

天然條件下疊石型孤石的受力情況如圖7所示，計(jì)算基本假定：

(1) 孤石A、B之間的接觸界面上不存在拉力作用。

(2) 孤石A、B之間的接觸界面切向力為兩者之間的摩擦力。

(3) 上疊孤石B完整，內(nèi)無(wú)節(jié)理裂隙。

(4) 上疊孤石B繞支點(diǎn)O的抗傾覆穩(wěn)定性完全由重力提供。

圖7 疊加型孤石受力分析圖

以孤石B為研究對(duì)象對(duì)其進(jìn)行力學(xué)分析，孤石受到重力G作用，支持力N及其他外部作用力F1、F2等。假定孤石B在下部支撐孤石A接觸面的傾角為θ，βi為外部作用力與水平方向夾角，孤石傾倒時(shí)繞支點(diǎn)O進(jìn)行，O點(diǎn)到重力作用線的距離為x，di為O點(diǎn)到F作用力的力臂。本文分析中皆以接觸面方向?yàn)閄軸，接觸面法線方向?yàn)閅軸，則孤石B的力學(xué)平衡方程為：

(2)

根據(jù)基本假定，孤石抗滑移力主要源于孤石B與孤石A之間的摩擦力，接觸面摩擦力系數(shù)μ，滑移力主要為外力在接觸面分量。孤石B的抗滑移安全系數(shù)：

(3)

μ的數(shù)值可以通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)得到，根據(jù)得到的μ值算出抗滑安全系數(shù)。目前孤石的抗滑安全系數(shù)還沒(méi)有明確規(guī)定，可以參考擋土墻設(shè)計(jì)中的抗滑移安全系數(shù)大小來(lái)取值。

根據(jù)基本假定，孤石B的傾覆表現(xiàn)為繞O的轉(zhuǎn)動(dòng)，孤石抗傾覆力矩主要由重力提供，傾覆力矩主要由外力引起。則孤石的抗傾覆安全系數(shù)：

(4)

3.2 完全出露孤石

完全出露型孤石的受力情況如圖8所示，計(jì)算基本假定與疊加孤石基本相同，不同點(diǎn)是完全出露孤石無(wú)懸空部分。

圖8 完全出露型孤石受力分析圖

完全出露型孤石與疊孤石公式相同，但穩(wěn)定性并不相同，從公式(3)看，抗滑移能力主要與各自的摩擦系數(shù)有關(guān)，摩擦系數(shù)越大，抗滑移能力也就越強(qiáng)。由于完全出露孤石無(wú)懸空部分，所以完全出露型孤石與疊孤石相比不存在中心外移情況，公式(4)中x值也就更大，抗傾覆能力也就更好。故完全出露的孤石抗滑性由孤石與坡面的摩擦系數(shù)決定，抗傾覆性?xún)?yōu)于疊孤石。

3.3 部分出露孤石

部分出露型孤石的受力情況如圖9所示，計(jì)算的假定與完全出露型孤石基本相同，只是部分出露的孤石四周與周邊土體之間的接觸界面存在擠壓作用力。

圖9 部分出露型孤石受力分析圖

同樣以孤石B為研究對(duì)象對(duì)其進(jìn)行力學(xué)分析，孤石受到重力G作用，假設(shè)前后兩個(gè)面近似垂直下接觸面，受到的力分別為N2與N1，兩個(gè)側(cè)面受到的壓力大小同為N3，孤石與土的摩擦系數(shù)為μ，μ可通過(guò)試驗(yàn)獲得，外部作用力Fi等。假定孤石B與周?chē)馏w的下接觸面傾角為θ，邊坡傾角為η，孤石傾倒時(shí)繞支點(diǎn)E進(jìn)行，li為E點(diǎn)到周?chē)馏w對(duì)孤石作用力Ni的力臂，則孤石B的力學(xué)平衡方程為：

(5)

根據(jù)基本假定，孤石抗滑移力主要源于孤石B與周?chē)馏w之間的摩擦力以及AC、OE段土體在受擠壓后的反力N1、N2。由于OE段所受為被動(dòng)土壓力，而AC段受到的為主動(dòng)土壓力，故N2>N1。滑移力主要為外力在接觸面分量，孤石B的抗滑移安全系數(shù)：

Fsh=

(6)

根據(jù)基本假定，孤石B的傾覆表現(xiàn)為繞E的轉(zhuǎn)動(dòng)，孤石抗傾覆力矩主要由重力、壓力與摩擦力提供，傾覆力矩主要由外力引起。則孤石的抗傾覆安全系數(shù)：

(7)

從公式(5)、(6)、(7)看，此種賦存形態(tài)的孤石受力較為復(fù)雜，主要受孤石埋置的程度，坡面角度、孤石的埋藏邊界，與周?chē)馏w的接觸情況等影響。由圖與公式可以看出，相比完全裸露孤石，部分埋入型重心更加深入土體中，在抗滑與抗傾覆上更加安全。但，此種孤石在長(zhǎng)期的自然雨水的沖刷，會(huì)導(dǎo)致AC段埋深增大，而下面的OE段反而減小，造成OE受到很大的被動(dòng)土壓力，最終OE下方土體發(fā)生剪切破壞，導(dǎo)致孤石失穩(wěn)滾落。由此可見(jiàn)，此種賦存形式的孤石不但要考慮孤石的穩(wěn)定性，更要注意孤石周邊土體的穩(wěn)定性。

3.4 全部埋入型孤石

全部埋入型孤石的受力情況如圖10所示，計(jì)算基本假定與部分出露孤石相同，僅多假設(shè)了邊坡整體失穩(wěn)前，孤石B在周?chē)馏w內(nèi)部無(wú)旋轉(zhuǎn)性。

圖10 全部埋入型孤石受力分析圖

以孤石B為研究對(duì)象對(duì)其進(jìn)行力學(xué)分析，此類(lèi)孤石埋藏地下，外力很難直接作用到。孤石受到重力G作用，周?chē)馏w對(duì)孤石作用力為Ni。假定孤石B與周?chē)馏w下接觸面傾角為θ，邊坡傾角為η。則孤石B的力學(xué)平衡方程為：

(8)

式中，S為接觸面摩擦力。

埋入型孤石重心完全埋沒(méi)于土中，失穩(wěn)主要源于外因作用下邊坡的整體失穩(wěn)，或是周?chē)馏w力學(xué)參數(shù)削弱引起的孤石失穩(wěn)，故此處不考慮僅有重力引起的孤石B失穩(wěn)。

與上面3種賦存形式的孤石相比，全部埋入型孤石無(wú)需考慮抗滑系數(shù)與抗傾覆系數(shù)，只要周?chē)膸r土體是穩(wěn)定的，此種孤石就處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)論

(1) 將自然界孤石賦存形態(tài)分4種：疊孤石、完全出露孤石、部分出露孤石、全部埋入型孤石。

(2) 孤石的穩(wěn)定性受到賦存條件的影響，不同賦存形態(tài)使得孤石重心所處位置不同，埋藏在周?chē)鷰r土體中越少、重心外移越多的孤石穩(wěn)定性越差，越容易發(fā)生滾落，對(duì)人們生命財(cái)產(chǎn)威脅也越大。但對(duì)于部分出露形式的孤石，在考慮落孤石穩(wěn)定性同時(shí)必須還要考慮周?chē)馏w的情況，周?chē)馏w穩(wěn)定性直接影響孤石的穩(wěn)定性。

(3) 事實(shí)上，從不同孤石的賦存形態(tài)的計(jì)算可以看出，孤石的穩(wěn)定性受多種因素的影響，計(jì)算中的假設(shè)條件較多，對(duì)計(jì)算的精度產(chǎn)生了一定的影響，而目前國(guó)內(nèi)對(duì)這方面的研究還不足，在后續(xù)的探索中，需將孤石的邊界埋藏情況、水作用、周?chē)馏w的抗剪強(qiáng)度等因素考慮進(jìn)去，建立更加完善的力學(xué)計(jì)算模型。