花崗巖類土質(zhì)邊坡特性及穩(wěn)定性分析

李子光

（廣東省地質(zhì)局第六地質(zhì)大隊，廣東江門529000）

1 概述

花崗巖類土質(zhì)邊坡是指主要由全風(fēng)化—強風(fēng)化花崗巖以及花崗巖風(fēng)化殘積土構(gòu)成的邊坡，其具有類似土的性質(zhì)，但仍保留一定的原巖結(jié)構(gòu)面的一類邊坡。該類邊坡有時殘留一部分中風(fēng)化花崗巖硬核或球狀風(fēng)化孤石，但與巖質(zhì)邊坡具有明顯差異，從而表現(xiàn)出其特有的一些性質(zhì)。

廣東地區(qū)花崗巖出露較為廣泛，花崗巖類土質(zhì)邊坡頗為常見。作為土質(zhì)邊坡和巖質(zhì)邊坡的過渡狀態(tài)，目前工程行業(yè)上對花崗巖類土質(zhì)邊坡尚未形成統(tǒng)一認(rèn)識，規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)也未對其做出相應(yīng)的規(guī)定。對該類邊坡的勘察設(shè)計，大多按均質(zhì)土邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析和加固防護(hù)。然而，花崗巖類土質(zhì)邊坡具有其特殊的性質(zhì)，如果不對其加以分析和考慮，可能導(dǎo)致昂貴的治理造價或者造成安全隱患事故。

本文就花崗巖類土質(zhì)邊坡的特性、破壞類型和穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并提出防護(hù)加固的措施建議。

2 類土質(zhì)邊坡的特性

花崗巖類土質(zhì)邊坡巖土體組成主要為全風(fēng)化、強風(fēng)化花崗巖為主，其次為花崗巖殘積土，成份主要為砂質(zhì)粘性土和礫質(zhì)粘性土，其組成介質(zhì)與土質(zhì)邊坡類似，但坡體中存在殘留風(fēng)化裂隙面或軟弱結(jié)構(gòu)面等不連續(xù)面，致使邊坡的破壞模式明顯區(qū)別于純土質(zhì)邊坡特別是均質(zhì)土坡。該類邊坡的不連續(xù)面，可以是花崗巖原巖體結(jié)構(gòu)中的石英脈、軟弱結(jié)構(gòu)面，也可以是風(fēng)化營力作用下的風(fēng)化裂隙，使邊坡巖土體呈現(xiàn)出各向異性，從而影響邊坡的破壞形式和穩(wěn)定性，在一定程度上可能起著控制作用。因而，花崗巖類土質(zhì)邊坡復(fù)雜多變，形態(tài)各異，不能按均質(zhì)土坡進(jìn)行設(shè)計治理，需根據(jù)具體情況加以判斷和分析研究。

3 類土質(zhì)邊坡的破壞類型

花崗巖類土質(zhì)邊坡既具有土質(zhì)邊坡的屬性，又殘留著一部分類似巖質(zhì)邊坡的不連續(xù)結(jié)構(gòu)面，因此其破壞形式與一般粘性土土質(zhì)邊坡以及巖質(zhì)邊坡不同，有著多種可能的破壞形式。

3.1 圓弧滑動破壞

以花崗巖殘積土—全風(fēng)化花崗巖風(fēng)化土層為主的邊坡，其巖體結(jié)構(gòu)已基本破壞，巖土體風(fēng)化呈土狀，屬于土質(zhì)邊坡類型，其邊坡破壞類型主要呈現(xiàn)為圓弧滑動破壞，如圖1所示，可采用瑞典條分法、簡化bishop條分法進(jìn)行穩(wěn)定性分析。這種破壞模式主要發(fā)生在較為均質(zhì)的類土質(zhì)邊坡中，無臨空結(jié)構(gòu)面或者結(jié)構(gòu)面對穩(wěn)定性不起控制作用。在仍具有原巖結(jié)構(gòu)的極破碎巖質(zhì)邊坡也可采用圓弧滑動面。在強降雨期間，降雨入滲邊坡土體使土體飽和時，容易在邊坡淺部發(fā)生圓弧滑動破壞。此時，計算邊坡穩(wěn)定性的土體強度指標(biāo)c、φ值應(yīng)采用飽和快剪指標(biāo)或應(yīng)通過反演分析確定其抗剪強度參數(shù)。

3.2 平面滑動破壞

花崗巖類土質(zhì)邊坡中發(fā)生平面滑動破壞主要發(fā)生在強風(fēng)化花崗巖中，其破壞機(jī)理與巖質(zhì)邊坡類似。當(dāng)坡體裂隙發(fā)育時，且坡體中存在傾向臨空面的軟弱結(jié)構(gòu)面，特別是軟弱結(jié)構(gòu)面傾向與坡面傾向一致且軟弱結(jié)構(gòu)面的傾角小于坡面傾角時容易發(fā)生平面滑動破壞。如圖2所示，此類破壞滑體后沿常見有陡傾裂隙面，容易發(fā)生在雨季特別是強降雨過后，當(dāng)降水水流沿著軟弱結(jié)構(gòu)面滲入使結(jié)構(gòu)面內(nèi)充滿水時尤其加劇坡體發(fā)生滑移型破壞，如軟弱結(jié)構(gòu)面延伸貫通范圍大時，失穩(wěn)破壞往往造成非常嚴(yán)重的后果，影響程度和影響范圍很大。此類邊坡應(yīng)重視結(jié)構(gòu)面特別是軟弱結(jié)構(gòu)面的勘查，可采用赤平投影方法進(jìn)行定性分析，采用直線型滑動分析法進(jìn)行力學(xué)分析和定量計算邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)。土體抗剪強度參數(shù)c、φ值宜采取滑帶裂隙面附近土樣的飽和快剪強度指標(biāo)。

圖1 圓弧滑動破壞模型

圖2 平面滑動破壞模型

3.3 折線形滑動破壞

在花崗巖類土質(zhì)邊坡中，當(dāng)存在多個結(jié)構(gòu)面且其傾向與坡面傾向大體上一致時，邊坡潛在破壞滑動面容易沿著多個貫通的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生。強降雨期間，當(dāng)雨水入滲邊坡土體使土體飽和軟化或雨水滲入多個不連續(xù)結(jié)構(gòu)面并貫通時尤其容易發(fā)生此類破壞。常見情況是開挖邊坡坡面切斷軟弱結(jié)構(gòu)面而發(fā)生折線形破壞，如圖3所示。某些情況下，即使邊坡坡面并沒有切斷軟弱結(jié)構(gòu)面CD，或者邊坡坡體內(nèi)僅發(fā)育有兩組結(jié)構(gòu)面AB和BC，不存在CD段結(jié)構(gòu)面，但當(dāng)坡體前緣土體強度較低時，仍可能發(fā)生類似CD段的剪出口滑動面破壞，特別是當(dāng)坡體內(nèi)AB和BC等結(jié)構(gòu)面傾向較陡時，沿結(jié)構(gòu)面下滑力較大，當(dāng)結(jié)構(gòu)面為泥質(zhì)充填或者雨水入滲時抗滑力較小，容易發(fā)生坡面前緣剪出滑動破壞，這種情況在暴雨時期邊坡淺部土體受雨水沖刷或雨水入滲飽和軟化土體時常有發(fā)生。折線形滑動破壞的邊坡穩(wěn)定性分析，宜采用隱式解法的傳遞系數(shù)法。實際工程中，不連續(xù)結(jié)構(gòu)面的勘測工作較為重要，土體抗剪強度參數(shù)c、φ值宜采取結(jié)構(gòu)面土體的飽和快剪強度指標(biāo)。

圖3 折線形滑動破壞模型

4 類土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性計算方法

4.1 圓弧滑動穩(wěn)定性系數(shù)

圓弧滑動面（圖1）的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計算方法有多種，如瑞典條分法、簡化Bishop法、Janbu法等。《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB50330-2013）采用了簡化Bishop法，該法滿足整體力矩平衡和條塊力的多邊形閉合條件，但不滿足條塊的力矩平衡，計算公式如下：

式中，參數(shù)mθ包含有安全系數(shù)Fs，因此不能直接求出安全系數(shù)，而需要采用試算的方法迭代計算Fs值。實際工作中，多采用計算機(jī)進(jìn)行遍歷搜索計算，土條寬度bi一般劃分為0.5～1.0m，分別對圓心和半徑按照0.5～1m的步長進(jìn)行遍歷搜索，對各圓弧滑動面所有條塊求和迭代計算安全系數(shù)Fs，求得最小安全系數(shù)Fs和對應(yīng)的最危險滑動面。

4.2 平面滑動穩(wěn)定性系數(shù)

對于直線型平面滑動破壞（圖2），邊坡穩(wěn)定性系數(shù)采用極限平衡條件計算，計算公式如下：

該式是對滑體進(jìn)行受力分析在滑動面上分解為法向力和切向力，以抗滑力R與下滑力T的比值作為計算安全系數(shù)Fs。

4.3 折線形滑動穩(wěn)定性系數(shù)

對于折線形滑動（圖3）采用傳遞系數(shù)法計算安全系數(shù)，傳遞系數(shù)法又分為顯式解法和隱式解法，顯式解法是將傳遞系數(shù)中的安全系數(shù)假設(shè)為1，通過乘以安全系數(shù)Fs增大下滑力的方式表示剩余下滑力，假定最后一滑塊的剩余下滑力為0而反算安全系數(shù)Fs。隱式解法中傳遞系數(shù)中均含有未知數(shù)Fs，通過核減抗滑力的方式表示剩余下滑力，同樣假定最后一滑塊的剩余下滑力為0反算安全系數(shù)Fs。顯然隱式解更優(yōu)，其計算方法如下：

5 工程實例分析

5.1 工程概況

廣東珠三角地區(qū)某邊坡在臺風(fēng)“山竹”影響期間發(fā)生了滑塌，邊坡滑塌段寬約12m，坡度約40°～60°。高度約19m，邊坡整體分兩級，第一級高度約7.5m，坡度約45°，第二級高度約11.5m，坡度約55°。邊坡巖土體組成主要為礫質(zhì)粘性土（殘積土）、全風(fēng)化、強風(fēng)化花崗巖，局部夾有中、微風(fēng)化花崗巖球狀風(fēng)化孤石，整體屬土質(zhì)邊坡。

5.2 邊坡破壞特征及穩(wěn)定性分析

該邊坡巖土體組成主要為花崗巖風(fēng)化層和殘積土，局部夾有球狀風(fēng)化孤石硬核和風(fēng)化碎屑，屬于花崗巖類土質(zhì)邊坡。其中下部第一級主要為強風(fēng)化花崗巖，巖芯大多呈堅硬土狀，局部呈半巖半土狀，風(fēng)化碎屑可捏碎。上部第二級為殘積土和全風(fēng)化花崗巖，原巖結(jié)構(gòu)基本破壞，風(fēng)化呈土狀。由于邊坡巖土體基本風(fēng)化呈土狀，風(fēng)化碎屑和局部孤石硬核不起控制作用，坡體不連續(xù)面不發(fā)育，按各向同性均質(zhì)邊坡考慮圓弧滑動破壞，與破壞后坡面形態(tài)較為吻合。經(jīng)勘查成果分析，本邊坡第二級坡面較陡，臺風(fēng)強降雨期間，雨水入滲土體使淺部土體飽和增重，降低土體抗剪強度而產(chǎn)生淺層滑塌破壞。

5.3 巖土體參數(shù)選取分析

通過對坡面原狀土進(jìn)行現(xiàn)場刻槽環(huán)刀取樣，在室內(nèi)進(jìn)行常規(guī)土工試驗，并分別進(jìn)行天然直剪試驗和飽和重塑土的飽和直剪試驗，獲得天然工況和飽和工況的抗剪強度參數(shù)。結(jié)合現(xiàn)場地形測量數(shù)據(jù)和周邊坡面形態(tài)，建立破壞前坡面形態(tài)進(jìn)行反分析推演（見圖4），檢驗飽和狀態(tài)下的抗剪強度參數(shù)。經(jīng)過反演驗算，強降雨期間淺部土體飽和的狀態(tài)下，采用簡化Bishop法自動搜索最危險滑動面，淺部圓弧滑動破壞的安全系數(shù)為0.995，且推算滑動面與現(xiàn)場坡面破壞形態(tài)較為一致（見圖5）。

圖4 反分析校驗巖土參數(shù)

6 結(jié)論和建議

（1）花崗巖類土質(zhì)邊坡當(dāng)坡體組成物質(zhì)大多風(fēng)化呈土質(zhì)，具有類似土的性質(zhì)，但仍保留一些風(fēng)化碎屑和硬核，在坡體中不存在明顯結(jié)構(gòu)面或結(jié)構(gòu)面不起控制性作用時可采用圓弧形滑動破壞分析。當(dāng)巖土體仍保留原巖結(jié)構(gòu)但巖體極軟、破碎或極破碎時也可采用圓弧滑動。

圖5 現(xiàn)場坡面破壞形態(tài)

（2）花崗巖類土質(zhì)邊坡當(dāng)土體中保留巖體結(jié)構(gòu)中的層面、節(jié)理等不連續(xù)面，特別是傾向臨空面的軟弱結(jié)構(gòu)面且結(jié)構(gòu)面傾角小于坡面傾角時，不宜按均質(zhì)土坡考慮，應(yīng)采用平面滑動破壞分析。

（3）花崗巖類土質(zhì)邊坡當(dāng)坡體存在多組結(jié)構(gòu)面，其傾向與坡向大體上一致時容易發(fā)生折線形滑動破壞。尤其是坡頂存在張拉裂縫或上部結(jié)構(gòu)面較陡、下部坡面切割軟弱結(jié)構(gòu)面或坡體前緣土體強度較低時發(fā)生剪出口破壞而形成折線形滑動破壞。