黃水河巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析

謝 鵬，陳 昊，張凌晨，卿 菁，盧應(yīng)發(fā)

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068)

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展，很多基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目在山區(qū)實(shí)施，由此在山區(qū)產(chǎn)生了大量的巖質(zhì)邊坡地質(zhì)災(zāi)害，一定程度上限制了經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[1]，因此，邊坡穩(wěn)定性、邊坡的破壞模式以及破壞機(jī)理一直是邊坡研究的一個重點(diǎn)課題。赤平投影法是目前工程界巖質(zhì)邊坡定性穩(wěn)定性分析的一個重要手段。它將邊坡的節(jié)理、層面、斷層等重要結(jié)構(gòu)面和坡面在三維空間中的位置表示在平面上，通過分析它們之間的位置關(guān)系，可迅速地評價(jià)出邊坡的穩(wěn)定性[2-6]?，F(xiàn)行巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定定量分析方法主要有極限平衡法、有限元法和其它的散體分析方法[7-11]。這幾種分析方法均是假設(shè)在臨界狀態(tài)基礎(chǔ)之上，從而獲得邊坡安全系數(shù)。巖質(zhì)邊坡破壞過程實(shí)際上是一個漸進(jìn)的破壞過程[12-17]，這一過程隨外部情況的改變而變化。由于赤平投影法的定性分析結(jié)果較為準(zhǔn)確，本文基于赤平投影法的分析結(jié)果，采用部分強(qiáng)度折減法對實(shí)際巖質(zhì)邊坡案例進(jìn)行穩(wěn)定性分析，從而對巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析方法進(jìn)行探討，為巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析方法提供一種思路。

1 邊坡概況

蘆山縣黃水河巖質(zhì)邊坡位于四川省蘆山縣大川鎮(zhèn)北部，距大川鎮(zhèn)約30 km。陡崖位于勘查區(qū)中部公路南側(cè)(圖1)，分布標(biāo)高1871～1932 m之間，坡頂標(biāo)高1884～1932 m，坡腳標(biāo)高1871～1877 m，陡崖長63 m，高度13～55 m，最大坡高61 m，坡面面積3100 m2。陡崖走向285°，傾向15°，剖面形態(tài)近直線型(圖2)，傾角61°。邊坡巖性單一，均為前震旦系黃水河群(Pt1hn)灰白色石英片巖，鱗片變晶結(jié)構(gòu)，片理構(gòu)造，層厚一般20～80 cm。層間咬合緊密，巖石致密堅(jiān)硬，力學(xué)強(qiáng)度較高，屬于較堅(jiān)硬的層狀工程地質(zhì)層，未見軟弱夾層分布，地層產(chǎn)狀330～338°∠70～75°。邊坡地層傾向與坡向同向斜交，地層傾角大于坡角。邊坡屬于物質(zhì)組成較均一的順向巖質(zhì)高邊坡。

圖1 黃水河巖質(zhì)邊坡平面

圖2 黃水河巖質(zhì)邊坡I-I＇剖面

勘查區(qū)無大的斷裂及破碎帶發(fā)育，巖體中結(jié)構(gòu)面主要為不同級次的節(jié)理裂隙，但由于陡崖臨空卸荷作用，使得某一組或多組裂隙展現(xiàn)的比較突出，即裂隙對巖體的破壞的主控性展示比較明顯。根據(jù)工程地質(zhì)測繪資料，邊坡各組裂隙發(fā)育情況分述如下：裂隙1產(chǎn)狀為295°∠77°，寬1～5 mm，長度20～40 m，發(fā)育密度1～2條/m，裂面起伏粗糙，充填粉質(zhì)黏土；裂隙2產(chǎn)狀為20°∠77°，寬2～10 mm，長度1～7 m，發(fā)育密度0.5～1條/m，為卸荷裂隙，裂面起伏粗糙，上寬下窄，充填粉質(zhì)黏土。

2 赤平投影法對黃水河巖質(zhì)邊坡的分析

2.1 赤平投影法基本原理

赤平投影法是以球體作為投影工具，將物體置于球心，以投影球的北極或南極作為發(fā)射點(diǎn)，將物體的點(diǎn)線面投影于赤道平面上的方法。在分析巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性時，赤平投影法假設(shè)巖質(zhì)邊坡為一個剛體，巖質(zhì)邊坡內(nèi)部沒有應(yīng)變，然后將巖質(zhì)邊坡的結(jié)構(gòu)面和坡面實(shí)測產(chǎn)狀投影到赤道平面上，通過分析各組產(chǎn)狀的空間位置，對巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行判斷。

2.2 邊坡赤平投影分析

將現(xiàn)場測量的結(jié)構(gòu)面和坡面產(chǎn)狀輸入到赤平投影分析圖中，得出分析情況如圖3和表1所示。

圖3 赤平面投影結(jié)果分析

表1 結(jié)構(gòu)面、線產(chǎn)狀表

邊坡地層傾向與坡向同向斜交，夾角41°，但地層層面結(jié)合好，膠結(jié)良好，層間咬合緊密，無充填，無泥化、軟化現(xiàn)象，屬硬性結(jié)構(gòu)面且?guī)r層傾角大于坡角，巖體整體沿層面滑移的可能性不大，為基本穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

裂隙1傾向與坡向相反，傾角大于坡角，為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；裂隙2傾向與坡向相同，傾角大于坡角，為基本穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

巖層面、裂隙1交線傾向(產(chǎn)狀336°∠73°)與坡向同向斜交(夾角39°)，傾角大于坡角，為基本穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。巖層面、裂隙2交線傾向(產(chǎn)狀339°∠73°)與坡向同向斜交(夾角36°)，傾角大于坡角，為基本穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

裂隙1、2交線傾向(產(chǎn)狀335°∠73°)與坡向同向斜交(夾角40°)，傾角大于坡角，為基本穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

根據(jù)工程地質(zhì)分析和赤平投影分析，邊坡穩(wěn)定性綜合評價(jià)為基本穩(wěn)定狀態(tài)，與現(xiàn)場調(diào)查情況基本符合。

3 邊坡穩(wěn)定性定量分析

首先介紹傳統(tǒng)不平衡推力法，其計(jì)算公式如下：

正壓力

Ni=Wicosαi+Pi-1sin (αi-1-αi)+

βilicosαicosαi+Δilicosαisinαi

正應(yīng)力

σin=Ni/li

臨界摩阻應(yīng)力

τicrit=ci+σintanφi

摩阻力

Ticrit=cili+Nitanφi

抗滑力折減后的摩阻力

Ti,Fcrit=Ticrit/F

下滑力

βilicosαisinαi+Δilicosαicosαi

剩余下滑力

Pi=PiS-Ti,Fcrit

穩(wěn)定性系數(shù)

式中：Wi為第i塊重量；βi為作用于地表上豎向均布荷載；Δi為水平向均布荷載；li為條塊底邊長度；αi為條塊底邊與水平夾角；F為折減系數(shù)；σin為法向應(yīng)力。

圖4 不平衡推力法受力

部分強(qiáng)度折減法也運(yùn)用同樣的公式進(jìn)行計(jì)算分析，定義臨界條塊的穩(wěn)定系數(shù)為1，若取某一條塊為第m條塊。如圖5所示，從第1條塊至下依次計(jì)算到第n條塊的穩(wěn)定系數(shù)，此過程可以表示為：由于外界條件如地震、降雨等的影響，臨界狀態(tài)點(diǎn)由第m條塊逐漸向第n條塊移動，當(dāng)移動到第n條塊時，邊坡由部分破壞加劇到完全破壞，這時的穩(wěn)定系數(shù)就是傳統(tǒng)不平衡推力法計(jì)算出的邊坡整體穩(wěn)定性系數(shù)。

圖5 邊坡穩(wěn)定分析土條塊劃分

以黃水河巖質(zhì)巖質(zhì)邊坡為工程實(shí)例進(jìn)行說明，取圖2中剖面圖進(jìn)行條塊劃分，現(xiàn)行條分法計(jì)算中，一般劃分條塊為20～25塊，小于20塊會影響計(jì)算準(zhǔn)確性，大于25塊會大大增加計(jì)算工作量且對精度影響較小，這里采用24塊條塊進(jìn)行計(jì)算分析，條塊劃分示意如圖6所示，條塊幾何數(shù)據(jù)如表2所示。根據(jù)勘查報(bào)告所確定各力學(xué)參數(shù)取值如下：粘聚力為4.3 MPa，內(nèi)摩擦角45°，重度值為30 kN/m3，剪切模量5000 kPa。

圖6 黃水河巖質(zhì)邊坡條塊劃分

表2 條塊幾何參數(shù)

續(xù)表2

對于黃水河巖質(zhì)邊坡分析計(jì)算，條塊間作用力先增大后減小，最大作用力在8-10號條塊(圖7)。把臨界條塊從第1條塊移動到24條塊時，條塊間的作用力逐漸遞增(圖8)，可以看出黃水河巖質(zhì)邊坡是一個漸進(jìn)破壞的過程。當(dāng)臨界條塊移動至24條塊時，可得邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.14(表3)，則表明黃水河巖質(zhì)邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，與赤平投影法分析相符合。

圖7 不同臨界條塊的不平衡推力曲線

圖8 不同臨界條塊的不平衡推力分布

表3 部分強(qiáng)度折減法穩(wěn)定系數(shù)表

4 結(jié)論

基于赤平投影法的定性分析結(jié)果，進(jìn)一步采用部分強(qiáng)度折減法對黃水河巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明:

1)坡面和結(jié)構(gòu)面的空間組合關(guān)系是評價(jià)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的主要內(nèi)容之一，運(yùn)用赤平投影圖解法能比定量分析更快速的進(jìn)行初步穩(wěn)定分析。

2)根據(jù)《滑坡防治工程勘察規(guī)范GB/T32864-2016》[18]，由本文所用的部分強(qiáng)度折減法可以得到邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)FS=1.14，大于1.05且小于1.15，表明黃水河邊坡現(xiàn)處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

3)隨著臨界點(diǎn)逐步往下移動，條塊間的作用力逐漸增加，部分強(qiáng)度折減法可以模擬巖質(zhì)邊坡的漸進(jìn)破壞過程。

4)兩種方法結(jié)合分析能更加可靠的評價(jià)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性，使得出的結(jié)論更加符合實(shí)際情況，能更好應(yīng)用于工程界。