含軟弱夾層順層邊坡開挖變形特征及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

李海潮，楊俊

(貴州省地礦局第二工程勘察院有限公司，遵義 563000)

1 引言

順層邊坡是較為常見的一類巖質(zhì)邊坡，多出現(xiàn)于坡體中結(jié)構(gòu)面外傾于臨空面，尤其是巖體為軟硬相間的巖層，或順層巖體中含軟弱夾層的坡體結(jié)構(gòu)，此類邊坡更易發(fā)生順層滑動(dòng)，引發(fā)滑坡。但不是所有的順層式坡體都會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)，往往原始坡體是經(jīng)過漫長(zhǎng)的時(shí)間檢驗(yàn)的，一般是穩(wěn)定的。但隨著國(guó)內(nèi)建設(shè)的擴(kuò)展，尤其是西部大開發(fā)的推動(dòng)，工程建設(shè)越來越頻繁，城市不斷向外擴(kuò)張，高填方、深切方已不計(jì)其數(shù)。工程建設(shè)往往破壞了原始坡體結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)，而開挖臨空面的形成為順層邊坡提供了良好的滑移條件。

在相關(guān)文獻(xiàn)中基于巖層的傾角、坡向、巖性、開挖條件等因素給出了順層邊坡概念[1]，并對(duì)其進(jìn)行分類。Freitas把巖質(zhì)邊坡傾倒變形歸結(jié)為一種特殊的邊坡破壞類型[2]；Evans等運(yùn)用離散元軟件對(duì)巖質(zhì)邊坡傾倒變形及變化機(jī)理進(jìn)行模擬研究[3];Pritchard[4]和Savigny[5]等通過使用各種有限元、離散元軟件，進(jìn)行實(shí)例分析，研究了傾倒體與深層滑坡的關(guān)系，提出邊坡深層破壞面是引起邊坡破壞的直接原因，證明了數(shù)值模擬軟件在邊坡傾倒破壞方面是具有明顯優(yōu)勢(shì)的；胡啟軍[6]對(duì)長(zhǎng)大順層的邊坡滑移失穩(wěn)整個(gè)過程進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，揭示了長(zhǎng)大順層邊坡滑移機(jī)理；李安洪[7]定義了順層巖質(zhì)邊坡并對(duì)邊坡穩(wěn)定性及防護(hù)做出了系統(tǒng)的解釋；易巍[8]將公路順層邊坡按照滑動(dòng)體的物質(zhì)組成及滑動(dòng)面形態(tài)將其破壞分為9種模式，并對(duì)各種破壞模式的機(jī)理進(jìn)行分析。順層巖質(zhì)邊坡與土質(zhì)邊坡存在本質(zhì)的區(qū)別，巖質(zhì)邊坡的破壞模式以及破壞機(jī)理具有多樣性。 在巖質(zhì)邊坡的計(jì)算方法中，Radko Bucek[9]基于結(jié)構(gòu)力學(xué)理論，研究了邊坡傾倒變形產(chǎn)生的力學(xué)機(jī)理，提出彎曲傾倒本質(zhì)上邊坡中塊狀傾倒的原因，把傾倒變形總結(jié)為3個(gè)階段，彎曲傾倒、塊體傾倒和塊狀彎曲傾倒是傾倒變形過程中的3個(gè)階段；Lian[10]等運(yùn)用軟件程序研究了節(jié)理巖質(zhì)邊坡傾倒破壞的機(jī)理及現(xiàn)象；龔文慧[11]運(yùn)用彈性力學(xué)及有限元法對(duì)順層巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析，得出軟弱結(jié)構(gòu)面對(duì)邊坡穩(wěn)定性起控制性作用；房定旺[12]對(duì)順層邊坡的一種破壞模式滑劈破壞采用極限平衡理論進(jìn)行分析，對(duì)其約束條件進(jìn)行研究，優(yōu)化其計(jì)算方法；周德培[13]由坡體結(jié)構(gòu)建立用于穩(wěn)定性分析的計(jì)算模型，并確定了模型的計(jì)算范圍、參數(shù)等信息。

本文結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)含軟弱夾層的順層開挖邊坡進(jìn)行了一系列的勘查，尤其是軟弱夾層抗剪試驗(yàn)為后續(xù)的加固設(shè)計(jì)提供了有力的依據(jù)，便于工程加固方案的優(yōu)化對(duì)比，起到了良好的效果。

2 開挖工程概況

席家墳片區(qū)棚戶區(qū)改造項(xiàng)目位于遵義市桐梓縣城區(qū)南西向，距主城區(qū)約3 km。開挖邊坡總長(zhǎng)約130 m，高度為24.8～34.7 m，邊坡坡腳為擬建住宅及商業(yè)用房，29～31層，距坡腳約100 m處為大型商貿(mào)城(4F)。邊坡區(qū)出露二疊系中統(tǒng)棲霞-茅口組(P2q+m)灰白色、灰黑色灰?guī)r，中厚層-厚層狀。坡向327°，巖層產(chǎn)狀324°∠20°，根據(jù)地形估算潛在滑動(dòng)面最大長(zhǎng)度在160～250 m之間。邊坡開挖時(shí)，在坡體中部發(fā)現(xiàn)一層較為平直、光滑的軟弱夾層，夾層厚度2～10 mm，泥質(zhì)夾砂及巖屑填充，層間滲水(圖1、圖2)。同時(shí)，開挖中此夾層面以上部分巖石發(fā)生了小規(guī)模的順層滑動(dòng)，引起了建設(shè)單位的高度重視。在勘察單位介入后，立即對(duì)邊坡展開了一系列的勘查，提出的軟弱夾層抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)被建設(shè)單位采納，后續(xù)工作順利開展。

圖1 邊坡地形地貌

1.二疊系中統(tǒng)西段茅口組；2.巖層產(chǎn)狀；3.節(jié)理產(chǎn)狀；4.用地紅線;5.開挖邊線；6.平場(chǎng)標(biāo)高圖2 實(shí)測(cè)平面圖

3 開挖邊坡變形特征分析

邊坡與滑坡是工程斜坡中的兩個(gè)不同類型。邊坡發(fā)生變形達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，可稱之為工程滑坡。

邊坡開挖后，巖體的應(yīng)力釋放是需要一定的時(shí)間的。工程實(shí)例中往往很多邊坡發(fā)生破壞是10 a以內(nèi)，甚至超過10 a。所以，很多邊坡開挖后，往往不能根據(jù)巡視來觀測(cè)到邊坡的變形，需要用到較為精密的監(jiān)測(cè)儀器來監(jiān)測(cè)分析邊坡的變形特征。

本工程在發(fā)現(xiàn)軟弱夾層后，陸續(xù)開展了邊坡的變形監(jiān)測(cè)。根據(jù)監(jiān)測(cè)布置，在本段布置了5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，命名為C1～C5，監(jiān)測(cè)頻率為每天一次。某月監(jiān)測(cè)結(jié)果如下圖3～圖5所示。

圖3 累計(jì)X時(shí)程曲線圖

圖4 累計(jì)Y時(shí)程曲線圖

圖5 累計(jì)沉降時(shí)程曲線圖

根據(jù)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，邊坡變形甚微。分析原因不難得出邊坡受到阻抗段影響，阻抗段未完全開挖為保障本工程加固提供了時(shí)間，避免了邊坡因產(chǎn)生較大變形發(fā)生破壞的可能。

4 軟弱夾層抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

眾所周知，滑移邊界的抗剪強(qiáng)度參數(shù)是評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo)，工程類比和規(guī)范建議參數(shù)的幅度較大，不能較為精確的反映場(chǎng)地的抗剪參數(shù)，那么，軟弱夾層的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)顯得尤為重要。

4.1 試驗(yàn)方案

直接剪切試驗(yàn)是測(cè)定軟弱層帶抗剪強(qiáng)度的一種常用方法。試驗(yàn)分為快剪(Q)、固結(jié)快剪(CQ)、和慢剪(S)3種試驗(yàn)方法?？旒粼囼?yàn)(Q)，是在試樣上施加垂直壓力后立即快速施加水平剪切力；固結(jié)快剪試驗(yàn)(CQ)，是在試樣上施加垂直壓力，待排水固結(jié)穩(wěn)定后，快速施加水平剪應(yīng)力；慢剪試驗(yàn)(S)，是在試樣上施加垂直壓力及水平剪切力的過程中，均應(yīng)使試樣排水固結(jié)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，層間軟弱夾層含有泥質(zhì)物，滲透性差，且天然狀態(tài)下含水率較高，因此采用快剪試驗(yàn)方法，試驗(yàn)儀器采用DJY-4L四聯(lián)等應(yīng)變直剪儀速率控制器。設(shè)計(jì)方案如下：

(1) 天然狀態(tài)下試驗(yàn)共分為6組，編號(hào)從T1至T6，每組4個(gè)試樣，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣并密封的試驗(yàn)樣品，室內(nèi)在50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa的正應(yīng)力下對(duì)其進(jìn)行直剪試驗(yàn)，獲得天然狀態(tài)下軟弱夾層的強(qiáng)度參數(shù)。

(2) 計(jì)算出飽和含水率，將天然樣在烘箱中烘干后，配置成飽和試樣開展直剪試驗(yàn)，獲取飽水狀態(tài)的強(qiáng)度參數(shù)。試樣同樣分成6組，編號(hào)從B1至B6，每組4個(gè)試樣，分別在正應(yīng)力50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

4.2 軟弱夾層直剪試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)6組天然狀態(tài)下的平行試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果統(tǒng)計(jì)，直剪結(jié)果如下表1。

表1 天然狀態(tài)下軟弱夾層直剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)6組飽和狀態(tài)下的平行試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果統(tǒng)計(jì)，直剪結(jié)果如下表2。

表2 飽和狀態(tài)下軟弱夾層直剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

4.3 軟弱夾層抗剪參數(shù)建議值

在工程勘察過程中，一般采用《巖土工程勘察規(guī)范》的標(biāo)準(zhǔn)值φk的計(jì)算方法，獲得滿足工程設(shè)計(jì)可靠性的巖土參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值。根據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果，軟弱夾層參數(shù)取值如下表3所示。

表3 抗剪強(qiáng)度參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值取值結(jié)果

5 邊坡穩(wěn)定性分析

5.1 定性分析

邊坡區(qū)出露二疊系中統(tǒng)棲霞-茅口組(P2q+m)灰白色、灰黑色灰?guī)r，中厚層-厚層狀。邊坡坡向327°，巖層產(chǎn)狀324°∠20°，根據(jù)坡向及巖層產(chǎn)狀將該邊坡定義為巖質(zhì)順層邊坡。從圖6亦可分析得出，從而邊坡穩(wěn)定性控制層面為巖層面，易產(chǎn)生沿層面滑動(dòng)的平面滑動(dòng)破壞。

圖6 赤平投影圖

5.2 定量計(jì)算結(jié)果

邊坡穩(wěn)定性計(jì)算采用極限平衡法，以邊坡中部的剖面10為例。由邊坡穩(wěn)定性的極限平衡公式：

R=Wsinθ

(1)

T=Wcosθtanα

(2)

(3)

式中,W為土體單元體自重；θ為傾角；α為土體內(nèi)摩擦角。

剖面10中已知：

γ=27.1 kN/m3,θ=20°，C=19.07 kPa，φ=16.03°，L=173.440 2 m，A=2 685.925 9 m2，Gb=0。

由式(1)(2)(3)計(jì)算得出T=24 895.16 kN/m，R=22 959.34 kN/m，F(xiàn)s=0.922。

由于Fs<1，計(jì)算結(jié)果表明，邊坡在極端不利的條件下，水體致使軟弱夾層面飽和后，邊坡會(huì)發(fā)生平面滑動(dòng)破壞。但受到阻抗段、邊坡側(cè)限未解除、邊坡豎向節(jié)理延伸性差等因素的影響，邊坡目前處于穩(wěn)定狀態(tài)。

6 治理措施建議

邊坡高度24.8～34.7 m，下部有擬建高層建筑及已建商貿(mào)城，屬人員密集場(chǎng)所，如果邊坡破壞，會(huì)對(duì)人員生命財(cái)產(chǎn)安全造成重大威脅，后果極其嚴(yán)重。考慮到施工難度及經(jīng)濟(jì)性的對(duì)比，建議削除軟弱夾層面以上的巖體部分，即可能滑動(dòng)面上部完全消除，以絕后患。在此期間，應(yīng)對(duì)邊坡位移繼續(xù)監(jiān)測(cè)，并建立健全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，尤其遇到大雨、暴雨天氣，要時(shí)刻注意邊坡的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，直至沒有隱患之后。

7 結(jié)論

(1) 研究區(qū)邊坡滑移邊界受巖層面間的軟弱夾層控制，夾層帶的抗剪參數(shù)對(duì)于穩(wěn)定性評(píng)價(jià)尤為重要，應(yīng)采用相應(yīng)的抗剪試驗(yàn)參數(shù)確定。

(2) 順層邊坡開挖應(yīng)建立在充分勘查及支擋設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上。本場(chǎng)地在發(fā)現(xiàn)軟弱夾層后，立即建議停止對(duì)阻抗段的開挖，必要時(shí)采用回填反壓的方式，避免造成重大人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。

(3) 根據(jù)抗剪試驗(yàn)結(jié)果，邊坡區(qū)完全開挖后，極端不利條件下，邊坡易發(fā)生平面滑動(dòng)破壞。由于邊坡下部為人員密集區(qū)，且該滑面僅有一層，未出現(xiàn)互層狀情況，建議對(duì)軟弱夾層以上巖體全部清除。