天柱山某邊坡穩(wěn)定性分析①

(安徽建筑大學(xué)土木學(xué)院，安徽 合肥 230000)

0 引 言

邊坡可分為自然和人工邊坡，無(wú)論是自然還是人工坡，判斷其穩(wěn)定性，根據(jù)分析結(jié)果制定合理的加固方式，對(duì)邊坡工程實(shí)際開(kāi)發(fā)意義重大。

天柱山旅游景區(qū)前期的建設(shè)留有多處裸露坡面,且裸露邊坡與周邊景色極不協(xié)調(diào)，產(chǎn)生了大量的視覺(jué)污染，嚴(yán)重?fù)p害了天柱山國(guó)家風(fēng)景名勝區(qū)的形象，阻礙了景區(qū)的發(fā)展。景區(qū)邊坡生態(tài)環(huán)境不僅可以提升景區(qū)經(jīng)濟(jì)效益，還可以恢復(fù)景區(qū)生態(tài)，更可以通過(guò)邊坡生態(tài)治理對(duì)環(huán)境進(jìn)行保護(hù)及恢復(fù)。邊坡工程的研究目的是通過(guò)分析和評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性，從而為實(shí)際中的工程確定最優(yōu)化的邊坡結(jié)構(gòu)支護(hù)方案，提高工程的安全度和效益值。

1 邊坡地質(zhì)特征

1.1 地形地貌

天柱山邊坡工程區(qū)位于天柱山景區(qū)東側(cè)，開(kāi)挖邊坡總體走向NE向，局部NW向，邊坡坡腳長(zhǎng)約55m，坡頂長(zhǎng)約67m。開(kāi)挖邊坡高度在2～58m之間。

1.2 邊坡工程地質(zhì)特征

選取的某段邊坡坡腳長(zhǎng)約58m，坡底標(biāo)高約為34～36m，坡頂標(biāo)高約為71～89m，坡高37～55m。邊坡總體走向約N25°E，傾向SE，坡中高程約60～61m處有馬道，馬道以上坡高約10～35m，坡度約45～65°；馬道以下坡高15～18m，坡高約50～60°，坡腳石渣堆積。

邊坡基巖出露，巖性為風(fēng)化花崗巖，巖層產(chǎn)狀：N10°W，NE<40°。馬道以上坡頂殘坡基層厚約0.2～0.5m，主要節(jié)理及特征描述如下：

①N75°E，NW<50°，面平，張開(kāi)，間距15～25cm；

②SN，E<65°，面平，延伸長(zhǎng)，張開(kāi)，間距30～50cm；

③N30°E，SE<50°，面平，延伸長(zhǎng)，微張～張開(kāi)，間距20～30cm。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

斜坡結(jié)構(gòu)的赤平投影如圖1所示。邊坡為斜向巖質(zhì)邊坡。巖層及邊坡呈傾斜狀，整體結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定。結(jié)構(gòu)面3和開(kāi)挖邊坡在護(hù)道上方有一個(gè)小傾角，傾角小于開(kāi)挖坡腳，且有沿結(jié)構(gòu)面3單側(cè)滑動(dòng)的可能。斜向坡外的楔形體是通過(guò)切割結(jié)構(gòu)面3和平面4形成的，楔形體是通過(guò)相互切割形成的。外坡存在潛在失穩(wěn)和不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

圖1

3 邊坡穩(wěn)定性的影響因素

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告結(jié)果分析，邊坡主要由石英砂石構(gòu)成，邊坡傾角較陡且高程較大，屬巖質(zhì)高邊坡。影響邊坡穩(wěn)定較為復(fù)雜，相關(guān)因素分析如下：

(1) 巖性特征：中風(fēng)化巖構(gòu)成邊坡巖層主體，質(zhì)地較硬，物理性質(zhì)良好，受風(fēng)化作用影響程度較小。

(2) 邊坡的形態(tài)特征：邊坡傾角較大且高程較高，在人工開(kāi)挖后，坡面一直處于裸露狀態(tài)，邊坡的穩(wěn)定性必然逐漸降低，邊坡的高陡形態(tài)不利于邊坡的穩(wěn)定。同時(shí)邊坡缺少防護(hù)設(shè)施，巖體風(fēng)化卸荷及自重作用下表層巖體將向坡外變形，不利于邊坡穩(wěn)定性。

(3) 氣象和水文地質(zhì)條件：研究區(qū)域邊坡屬于高陡邊坡，有利于水體地表徑流；巖土層巖體裂隙發(fā)育，有利于水體的下滲。另外坡面陡峭，水力排泄快，力度大，也不利于邊坡的穩(wěn)定性。由此可見(jiàn)，研究區(qū)內(nèi)的氣象和水文地質(zhì)條件會(huì)侵蝕邊坡巖體，不利于邊坡的穩(wěn)定性。

(4) 振動(dòng)作用：在邊坡施工開(kāi)挖過(guò)程中，爆破振動(dòng)及機(jī)械開(kāi)挖的擾動(dòng)、通車(chē)后車(chē)輛的震動(dòng)，都會(huì)造成邊坡巖體的振動(dòng)，在大規(guī)模的振動(dòng)作用下，緊密結(jié)實(shí)的巖體就會(huì)松弛，改變了坡體的原始應(yīng)力，促使裂隙向巖體內(nèi)部發(fā)育。開(kāi)挖形成的臨空面巖體失去了原有巖體的保護(hù)作用。

(5) 人類(lèi)的工程活動(dòng)：削坡往往會(huì)削薄坡腳結(jié)構(gòu)面，致使坡面抗阻力減小，而坡體頂部下滑力并沒(méi)有改變，引發(fā)坡體下滑的趨勢(shì)；坡頂加載與削坡原理相類(lèi)似，只不過(guò)是增加了下滑力，抗阻力不變，坡頂張應(yīng)力增大，致使坡腳剪應(yīng)力集中，隨著剪應(yīng)力的增加，當(dāng)超過(guò)巖土體抗剪強(qiáng)度時(shí)，引起邊坡變形，穩(wěn)定性降低。

(6) 生物因素：植物根系雖然可以維持和提高邊坡的穩(wěn)定性，但在巖縫中生長(zhǎng)的根系會(huì)引起巖縫的擴(kuò)展和開(kāi)裂，甚至引起局部的崩塌。動(dòng)物的覓食以及在巖體挖洞筑巢，以及排泄物也會(huì)降低邊坡的穩(wěn)定性。

綜上所述，構(gòu)成邊坡坡體的中風(fēng)化石英砂巖，更好的物理和機(jī)械性能，有利于邊坡的穩(wěn)定性。

4 工程實(shí)例

4.1 建立模型

根據(jù)天柱山工程地質(zhì)實(shí)際情況建立邊坡模型見(jiàn)表1，模擬采用直角坐標(biāo)系，原點(diǎn)為模型左下角；X方向?yàn)闁|西方向，向東為正方向；Y方向?yàn)槟媳狈较?，向北為正方向；Z方向?yàn)殂U直方向，向上為正方向。邊坡底部基巖模型長(zhǎng)L=60m，寬L=10m，高H=12m，邊坡長(zhǎng)L=36m，寬L=10m，高H=12m，傾角為45°。采用庫(kù)倫摩爾本構(gòu)關(guān)系，左右邊界水平方向無(wú)位移變化，底部邊界水平和垂直方向無(wú)位移變化。

表1 邊坡模型圍巖參數(shù)表

邊坡實(shí)際情況三維數(shù)值模型見(jiàn)圖2。

圖2 自然狀態(tài)下邊坡數(shù)值模型

4.2 FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)果分析

水平X方向向右為正位移，在邊坡實(shí)際工程中指向坡面?zhèn)?。從邊坡位移變形圖(圖3、圖4)可以直觀(guān)的看出潛在滑動(dòng)面最大位移產(chǎn)生坡腳處位移量最大為15cm，弧形滑移面面積較大。

圖3 原始狀態(tài)下水平位移變化圖

垂直位移正方向指從邊坡底部指向邊坡頂部。在原始狀態(tài)下最大位移產(chǎn)生在坡面臨空處，隨著高程的增加，變形位移量越大，在坡頂最大為14cm，潛在變形面積較大，實(shí)際情況一致。

從原始狀態(tài)下水平和垂直應(yīng)力圖(圖5、圖6)可以看出X方向應(yīng)力帶比較分散，且不規(guī)則，在坡面處應(yīng)力變化率比較大，邊坡底部應(yīng)力最大為243.9kPa，在坡頂應(yīng)力最小為14.4kPa。Z方向應(yīng)力主要受重力作用，應(yīng)力分層呈條帶狀。垂直應(yīng)力變化比較有規(guī)律，應(yīng)力平行于坡面分布，表現(xiàn)為壓應(yīng)力。這個(gè)應(yīng)力模擬結(jié)果與實(shí)際應(yīng)力分布情況是一致的。

圖4 原始狀態(tài)下垂直方向位移變化圖

圖5 原始狀態(tài)下水平應(yīng)力圖

圖6 原始狀態(tài)下垂直應(yīng)力圖

5 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算

根據(jù)赤投影分析的結(jié)果，該段邊坡潛在的不穩(wěn)定巖體主要是結(jié)構(gòu)面3與層面4所構(gòu)成的楔形體，其穩(wěn)定性的估算結(jié)果如下：

計(jì)算項(xiàng)目:三維楔形體穩(wěn)定性分析該段邊坡[計(jì)算條件]計(jì)算目標(biāo)安全系數(shù)是否考慮張裂隙否是否考慮裂隙水否邊坡是否倒懸否巖體的容重2650(kN/m3)H35.000(m)L40.000(m)不考慮地震作用平面傾角(°)傾向(°)粘聚力(kPa)內(nèi)摩擦角(°)荷載值(MN)平面A50.0120.00.125---平面B40.080.00.125---邊坡頂面5.0115.0---------邊坡坡面60.0115.0---------錨桿力0.00.0------0.00外荷載0.00.0------0.00

[計(jì)算結(jié)果]安全系數(shù)F：0.85

計(jì)算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)面3和結(jié)構(gòu)面4形成的楔塊穩(wěn)定系數(shù)為0.85，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

6 結(jié) 論

原始狀態(tài)的位移矢量圖見(jiàn)圖7，邊坡屬于滑移式失穩(wěn)，整體斜面有從坡頂?shù)狡履_向下滑移的趨向。

表2 邊坡穩(wěn)定狀態(tài)判定表

圖7 原始狀態(tài)下位移矢量圖、安全系數(shù)

工程邊坡由于人工開(kāi)挖形成高且陡的人工邊坡，開(kāi)挖邊坡角度較大，坡度較陡，局部近直立或倒傾，坡面巖體卸荷裂隙發(fā)育，坡面分布松動(dòng)巖體和堆渣，經(jīng)常有掉塊現(xiàn)象，邊坡未經(jīng)整治及采取任何地災(zāi)防護(hù)措施。受人類(lèi)活動(dòng)擾動(dòng)影響比較大。邊坡在植物根系向下生長(zhǎng)過(guò)程中破表形成隱伏的陡傾裂隙面，這是地表水下滲侵蝕的主要導(dǎo)水通道。

根據(jù)太沙基有效應(yīng)力定律，地表水入滲過(guò)程中，孔隙水壓力上升，巖石有效應(yīng)力下降，雨水的進(jìn)一步侵蝕加深，蔓延到潛在滑帶的位置，潛在滑帶受風(fēng)化作用，雨水在潛在滑帶處更易形成徑流，并逐漸貫通，潛在滑帶與穩(wěn)定帶之間裂隙面逐漸拉寬，臨空面發(fā)生滑落，邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)。該段邊坡安全系數(shù)的計(jì)算結(jié)果為0.85，由表2可知穩(wěn)定性差，根據(jù)天柱山景區(qū)實(shí)際工程情況，后續(xù)進(jìn)行深入的邊坡穩(wěn)定性治理，以保證該段邊坡的穩(wěn)定性。