花崗巖區(qū)域邊坡開挖對(duì)坡體穩(wěn)定性影響研究

陳鋮 陳禮杰

摘要：本文基于對(duì)切坡失穩(wěn)的邊坡統(tǒng)計(jì)，通過簡(jiǎn)化邊坡要素，對(duì)花崗巖區(qū)域自然坡度為35°、45°、55°的邊坡進(jìn)行模擬切坡，切坡高度為2.5m、5.0m、7.5m，切坡坡度為60°、70°、80°。模擬結(jié)果表明在對(duì)邊坡進(jìn)行切坡時(shí)，坡體穩(wěn)定性均呈下降趨勢(shì)，且隨著切坡坡度、切坡高度的不斷增大，其穩(wěn)定性隨切坡高度、坡度增大呈規(guī)律性地減小。采用具體實(shí)例進(jìn)行了計(jì)算，驗(yàn)證了結(jié)論。這對(duì)花崗巖區(qū)域的邊坡切坡具有重要的理論作用和工程意義。

Abstract： In this paper， based on the statistics of slope unstabled by slope excavation，we simulated the slope stability in granite area with natural slope of 35°， 45°and 55°with simplifying the slope elements. The cutting height is 2.5m， 5.0m and 7.5m， and the cutting slope is 60°， 70° and 80° respectively. The simulation results show that the stability of the slope tends to decline when the slope is cut， and the stability decreases regularly with the increase of slope height and slope height. The results are verified by a concrete example. It has important theoretical and engineering significance for slope cutting in granite area.

關(guān)鍵詞：花崗巖區(qū)域;邊坡穩(wěn)定性;人工切坡

Key words： granite area;stability of slope;slope excavation

中圖分類號(hào)：TU43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）31-0210-03

0? 引言

邊坡是人類生產(chǎn)活動(dòng)和工程建設(shè)的重要組成部分。人類在生產(chǎn)、建設(shè)過程中，不可避免的要對(duì)邊坡進(jìn)行改造。尤其在山區(qū)，切坡修路、建房成為常態(tài)。但不合理的邊坡開挖往往會(huì)導(dǎo)致坡體失穩(wěn)從而給人類帶來威脅[1]。因此，如何合理對(duì)邊坡開挖，盡可能減小邊坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，成為各類工程建設(shè)中急需解決的難題。

1? 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法

邊坡穩(wěn)定性計(jì)算主要有極限平衡法、強(qiáng)度折減法[2-3]。在近幾十年各界學(xué)者對(duì)邊坡研究的發(fā)展中，形成了更加全面、準(zhǔn)確的方法，為各類工程建設(shè)提供了保障[4-5]?？紤]到區(qū)域內(nèi)邊坡為全風(fēng)化巖質(zhì)邊坡，穩(wěn)定性分析采用極限平衡法中的Morgenstern-Price法（簡(jiǎn)稱“M-P法”）。該方法由Morgenstern和Price于1965年提出，該方法考慮了多種形式條塊間的力學(xué)關(guān)系：既考慮了條間剪力和法向力，又同時(shí)滿足靜力和力矩平衡條件，是目前關(guān)于邊坡穩(wěn)定性計(jì)算精度較高的方法之一。

2? 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于大別山脈東端尾部，由于地形遭受強(qiáng)烈的構(gòu)造侵蝕和剝蝕作用，其北部地貌單元以低山丘陵為主，由北向南地勢(shì)逐漸變低，至長(zhǎng)江附近成為河流沖積平原和壟崗地形。

多年平均氣溫16.7℃，最高年為17.7℃（1961年），最低年為16.2℃（1969年），相差1.5℃。研究區(qū)內(nèi)巖性為白堊紀(jì)不同時(shí)期侵入巖，其侵入巖分別為白羊嶺單元（K1B）細(xì)粒黑云二長(zhǎng)花崗巖、亂石灘單元（K1L）細(xì)粒含斑黑云二長(zhǎng)花崗巖、長(zhǎng)鄧家單元（K2C）中粒斑狀含角閃黑云二長(zhǎng)花崗巖、地石洼單元（K2D）細(xì)中粒含斑黑云二長(zhǎng)花崗巖、盧家灣單元（K2Lj）粗中粒斑狀黑云二長(zhǎng)花崗巖、李塔單元（K2Lt）中細(xì)粒斑狀角閃黑云二長(zhǎng)花崗巖、向?qū)﹂T單元（K2X）細(xì)中粒斑狀角閃黑云二長(zhǎng)花崗巖、月行坳單元（K2Y）中粒斑狀黑云二長(zhǎng)花崗巖，其主要礦物為鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、石英、黑云母，部分基巖內(nèi)含角閃石，呈塊狀構(gòu)造，似斑狀～斑狀結(jié)構(gòu);由于熱脹冷縮的作用，造成花崗巖表層易產(chǎn)生裂隙，因該區(qū)濕度較大，雨量充沛，致使花崗巖表層風(fēng)化程度較高，大部分呈全～強(qiáng)風(fēng)化，局部地段呈中～弱風(fēng)化，其中全風(fēng)化巖體力學(xué)強(qiáng)度低，遇水易崩解，其吸水率呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。

3? 理論模型計(jì)算

3.1 計(jì)算模型

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，區(qū)域內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害主要發(fā)生于自然坡度35～45°的邊坡，其次為小于35°，再次為45～55°，且主要分布于相對(duì)高差小于30m，其坡腳切坡坡度一般為40～87°（大部分地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育于切坡坡度小于70°），切坡高度一般為2～10m。對(duì)實(shí)際邊坡進(jìn)行簡(jiǎn)化處理后，本次選用自然坡度為35°、45°、55°，高度為30m的邊坡作為數(shù)值模擬簡(jiǎn)化模型（圖1），在模型中將花崗巖巖質(zhì)邊坡分為兩層，分別為全風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化層。

以自然邊坡坡度35°、45°和55°為基礎(chǔ)，人工切坡坡度為60°、70°及80°，坡高以2.5m、5m及7.5m工況進(jìn)行正交，得出27組正交數(shù)值分析模型。模型設(shè)置了兩種工況：工況一為天然工況，工況二為降雨工況，以區(qū)域內(nèi)24小時(shí)最大降雨量，3天降雨時(shí)長(zhǎng)作為邊界條件。

3.2 力學(xué)參數(shù)

根據(jù)巖樣室內(nèi)試驗(yàn)獲得邊坡的力學(xué)參數(shù)，具體數(shù)值見表1。

3.3 計(jì)算結(jié)果與分析

通過對(duì)各工況下模型進(jìn)行計(jì)算，得到天然工況下與降雨工況下的坡體穩(wěn)定性系數(shù)（表2、表3）。

通過上述結(jié)果表明，在各種人工切坡坡度條件下，在無降雨時(shí)，自然坡度35°的邊坡均呈穩(wěn)定狀態(tài)，自然坡度45°的邊坡呈基本穩(wěn)定狀態(tài)，自然坡度55°的邊坡均呈不穩(wěn)定狀態(tài)，在降雨時(shí)，各類自然坡度的邊坡均呈基本穩(wěn)定～不穩(wěn)定狀態(tài)，在降雨的作用下，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)下降趨勢(shì)明顯。

隨著切坡坡度及切坡高度的不斷增大，其各種自然邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)逐漸降低，特別是在降雨的作用下，其自然邊坡坡度越小，其邊坡穩(wěn)定性系數(shù)下降幅度較大;在切坡高度相同的情況下，其邊坡穩(wěn)定性隨切坡坡度增大而逐漸減小;在切坡坡度相同的情況下，其邊坡穩(wěn)定性隨切坡高度增大而逐漸減小。

4? 實(shí)例分析

為驗(yàn)證上述分析，選取某邊坡（BP-01）實(shí)例作為研究對(duì)象，該邊坡變形破壞趨勢(shì)為滑坡。該處自然邊坡坡度為35°，人工切坡為5m，對(duì)實(shí)際邊坡進(jìn)行簡(jiǎn)化得到數(shù)值分析模型，通過對(duì)該地段原始地形的還原，通過各切坡坡度說明切坡對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響規(guī)律（圖2）。

自然邊坡的潛在滑動(dòng)面分布于全風(fēng)化較深地段，在經(jīng)過人工切坡后，各種切坡坡度下其潛在滑動(dòng)面均分布于風(fēng)化較淺地段，且邊坡潛在滑動(dòng)面隨著切坡坡度的增加而總體逐漸向淺出發(fā)展。在天然條件下也具有相同變化特征，其潛在滑動(dòng)面分布于較深地段，該現(xiàn)象與花崗巖地區(qū)巖質(zhì)邊坡內(nèi)發(fā)育的地質(zhì)災(zāi)害特征相符。

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知，該斜坡在切坡坡度為60°、70°、80°時(shí)，坡體穩(wěn)定性逐漸降低，其坡體穩(wěn)定性系數(shù)依次1.089、1.075、1.064。在切坡高度相同的情況下，隨著邊坡切坡坡度增大，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)呈逐漸下降趨勢(shì)，這與上述分析相符。

5? 結(jié)論

①對(duì)邊坡進(jìn)行切坡可以滿足人類工程建設(shè)的需求，但不合理的切坡將帶來不良后果。②天然工況下花崗巖區(qū)域邊坡在切坡高度小于7.5m時(shí)，自然坡度35°的邊坡切坡均呈穩(wěn)定狀態(tài)，自然坡度45°的邊坡呈基本穩(wěn)定狀態(tài)，自然坡度55°的邊坡均呈不穩(wěn)定狀態(tài);降雨工況下各類自然坡度的邊坡均呈基本穩(wěn)定～不穩(wěn)定狀態(tài)，在降雨的作用下，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)下降趨勢(shì)明顯。③在對(duì)邊坡進(jìn)行切坡時(shí)，隨著切坡坡度、切坡高度的不斷增大，其邊坡穩(wěn)定性隨切坡高度增大而逐漸減小。④建議對(duì)于花崗巖地區(qū)的巖質(zhì)邊坡的切坡高度盡可能控制在5m以下、坡度控制在70°以下。

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