土巖組合高邊坡穩(wěn)定性分析與治理

黃凱湘，溫忠義，彭衛(wèi)平

(廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣東 廣州 510060)

1 引 言

我國的丘陵約有100萬平方千米，占全國總面積的10%，丘陵地帶較適宜工農(nóng)業(yè)開發(fā)和經(jīng)濟建設(shè)。隨著城市建設(shè)快速發(fā)展和建設(shè)用地日益緊張，在丘陵地帶開挖山體造地的工程建設(shè)也日益增多，常形成土巖組合的高邊坡，易產(chǎn)生滑坡、崩塌等地質(zhì)災害，對人身安全和工程質(zhì)量構(gòu)成重大隱患。綜合評價土巖組合高邊坡穩(wěn)定性并設(shè)計治理，減少對周邊建筑物及環(huán)境的不良影響，可促進丘陵地區(qū)的山體轉(zhuǎn)為建設(shè)用地開發(fā)利用，最大限度實現(xiàn)土地資源增值。

本文以廣東省清遠市某大型小區(qū)內(nèi)土巖組合高邊坡為研究對象，提出了定性評價、極射赤平投影法、有限元強度折減法結(jié)合的綜合性穩(wěn)定性評價方法，并根據(jù)邊坡土體和巖體的穩(wěn)定性和變形模式，分別提出土體和巖體的系統(tǒng)治理設(shè)計方法，可供同類工程借鑒和參考。

2 邊坡場地環(huán)境與工程地質(zhì)條件

2.1 工程概況及地形地貌

邊坡性質(zhì)為永久性邊坡，安全等級為一級，設(shè)計使用年限為50年。

場地屬低山丘陵地貌單元，由采石場爆破開挖形成土巖組合高邊坡，如圖1所示。山頂最高點標高 172.0 m，已開挖坡面坡頂現(xiàn)狀最高標高 171.0 m，現(xiàn)狀坡腳標高 66.4 m～127.9 m，變化大，坡率 1∶0.2～1∶1.5，主要由兩級較大的開挖平臺和多級開挖馬道組成，最大開挖平臺寬約 25 m，馬道寬 2 m～4 m不等。坡頂未開挖區(qū)植被較發(fā)育，已開挖區(qū)坡面裸露，坡腳大量破碎巖塊雜亂堆積，如圖2所示。

圖1 邊坡中部照片

圖2 邊坡破碎巖塊雜亂堆積在坡腳

2.2 場地巖土層

邊坡由基巖和覆蓋層組成?；鶐r為晚侏羅世侵入的巖漿巖，巖性主要為青灰色中粒斑狀黑云母二長花崗巖，巖質(zhì)堅硬密實、強度高，抗風化作用強，其物理力學性質(zhì)對邊坡的穩(wěn)定性有利，可使邊坡保持較高的高度和較陡的坡度。

覆蓋土層主要為殘積土和全強風化巖等，主要由砂質(zhì)黏性土組成，厚度約 5 m～15 m，遇水易軟化。

2.3 場地結(jié)構(gòu)面情況

邊坡中下部中微風化巖體較完整，受構(gòu)造擠壓及邊坡爆破卸荷作用，表層節(jié)理裂隙發(fā)育。

采用三維激光掃描儀掃描邊坡全景，從海量點云數(shù)據(jù)中量取大量結(jié)構(gòu)面，結(jié)合現(xiàn)場結(jié)構(gòu)面調(diào)查情況，共獲取結(jié)構(gòu)面198處，采用結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計軟件Dips進行最優(yōu)結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(圖3)，得出最優(yōu)結(jié)構(gòu)面：J110°∠79°、J2303°∠78°、J3266°∠41°、J4145°∠37°。其中以J1J2組陡傾結(jié)構(gòu)面最為發(fā)育，常以面狀出露，形成基巖光板；J3J4組傾坡外，兩者傾向片狀，為典型的X節(jié)理現(xiàn)象，該兩組結(jié)構(gòu)面出露相對較少，但局部貫通性較好，成為最不利結(jié)構(gòu)面，楔形塊體易沿此組結(jié)構(gòu)面出現(xiàn)滑移式失穩(wěn)破壞。

圖3 結(jié)構(gòu)面等密度圖

2.4 地下水情況

已開挖坡體坡面較干燥，未見地下水排出，僅在降雨后局部中微風化巖裂隙有少量地下水滲出。地下水主要為孔隙潛水和裂隙水，水量小埋藏深，主要受大氣降水補予。

場地屬亞熱帶季風區(qū)，水量豐富，是廣東省三大降雨量高值區(qū)之一。場地表層節(jié)理裂隙發(fā)育，導致多處危巖體，不穩(wěn)定巖體與穩(wěn)定巖體之間有裂隙分開。在雨季張開的裂隙可能充滿雨水，巖塊底部孔隙水壓力抵消部分巖塊自重進而減少阻滑力，巖塊后緣裂隙水壓力增加傾向坡外下滑力，導致雨季危巖體易發(fā)生傾倒式破壞。

2.5 邊坡不良地質(zhì)現(xiàn)象

邊坡上部因開挖裸露土體在暴雨下沖刷溝槽明顯，如圖4所示。中下部中微風化巖體卸荷節(jié)理裂隙發(fā)育，形成切割體，局部危巖體和崩塌等發(fā)育，如圖5所示。

圖4 坡頂表層沖刷溝壑

圖5 結(jié)構(gòu)面切割形成危巖體

3 邊坡穩(wěn)定性定量計算

3.1 極射赤平投影法計算結(jié)構(gòu)面切割體穩(wěn)定性

(1)優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面及極射赤平投影圖

現(xiàn)場調(diào)查及點云數(shù)據(jù)解譯顯示，西側(cè)坡體主要發(fā)育陡傾結(jié)構(gòu)面J1J2J3，東側(cè)坡體主要發(fā)育陡傾結(jié)構(gòu)面J1J2J4，產(chǎn)狀見上文。以東側(cè)坡體為例說明結(jié)構(gòu)面作用下中微風化巖切割體的穩(wěn)定性，坡體傾向約155°，平均坡角約42°，局部陡坎70°～90°。

優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面及坡面的極射赤平投影圖如圖6所示。

圖6 優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面與坡面極射赤平投影圖

(2)結(jié)構(gòu)面組合關(guān)系分析

①一組結(jié)構(gòu)面的分析

結(jié)構(gòu)面J1、J2與邊坡的走向均相反或者大角度相交，屬于穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)面J4傾向與坡面相同，傾角接近，當遇到陡坎時，屬于不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

②二組結(jié)構(gòu)面的分析

a. 結(jié)構(gòu)面J1、J2組合時，結(jié)構(gòu)面組合交線的傾向與坡面相反，屬于穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

b. 結(jié)構(gòu)面J1、J4組合時，結(jié)構(gòu)面組合交線的傾向與坡面相同，傾角接近，當遇到陡坎時屬于不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

c. 結(jié)構(gòu)面J2、J4組合時，結(jié)構(gòu)面組合交線的傾向與坡面相同，傾角與小于坡面平均坡腳，屬于不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

③三組結(jié)構(gòu)面的分析

結(jié)構(gòu)面J1、J2、J4同時組合成楔形體切割時，滑動方向由順坡向緩傾結(jié)構(gòu)面J4控制，當遇到坡面陡坎時，楔形體不穩(wěn)定。

3.2 有限元軟件ABAQUS強度折減法計算邊坡整體穩(wěn)定性

(1)計算剖面

計算模型采用坡體中部典型剖面，剖面形態(tài)由三維激光掃描儀生成，工程地質(zhì)情況由鉆孔揭露和現(xiàn)場調(diào)查得到。計算采用大型通用有限元軟件ABAQUS，導入剖面并按實際情況劃分巖土層，包括可塑粉質(zhì)黏土層、堅硬砂質(zhì)黏性土層、全風化花崗巖層、強風化花崗巖層、中微風化花崗巖層，如圖7所示。

圖7 邊坡典型斷面示意圖

(2)巖土體參數(shù)

巖土材料本構(gòu)模型采用理想彈塑性模型，屈服準則采用莫爾-庫侖(Mohr-Coulomb)屈服準則，計算所需的巖土參數(shù)為：重度(γ)、彈性模量(E)、泊松比(ν)、內(nèi)摩擦角(φ)和黏聚力(c)。根據(jù)室內(nèi)試驗和工程經(jīng)驗確定有限元分析所使用的物理力學指標，如表1所示。

邊坡巖土體物理力學參數(shù) 表1

采用有限元強度折減法計算邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)和變形趨勢。中微風化花崗巖巖質(zhì)堅硬，不會發(fā)生整體貫通滑動破壞，計算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)時，不對中微風化巖體做強度折減，對上覆土層(全強風化巖和黏性土層)進行強度折減計算。折減后的抗剪強度參數(shù)用下式表達：

①Cm=c/Fv

②φm=arctan(tanφ/Fv)

(3)計算模型

場地位于地震烈度6度區(qū)，施加重力模擬天然工況，按照平面應變問題建立模型。巖土體采用四節(jié)點平面應變單元CPE4，有限單元網(wǎng)格劃分如圖8所示。第一個分析步驟施加地應力，第二個分析步對其φ和c隨著場變量Fv(安全系數(shù))線性增加進行強度折減。

圖8 有限元模型網(wǎng)格劃分

(4)計算結(jié)果

①初始狀態(tài)

現(xiàn)階段該邊坡位移主要位于坡頂粉質(zhì)黏土和砂質(zhì)黏性土覆蓋層(圖9)，最大水平位移為 1.4 cm，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖9 邊坡現(xiàn)狀水平位移云圖

②穩(wěn)定性系數(shù)確定

a. 以數(shù)值計算是否收斂確定的穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.41。

b. 以特征部位的位移拐點確定的穩(wěn)定系數(shù)

選取馬道邊緣一點作為特征點，分析該處水平位移U1與強度折減系數(shù)Fv的變化規(guī)律(圖10)。當Fv=1.36時，位移拐點出現(xiàn)，故以特征部位的位移拐點確定的穩(wěn)定系數(shù)為Fs=1.36。

c. 以是否形成連續(xù)的貫通區(qū)確定的穩(wěn)定系數(shù)

邊坡現(xiàn)狀的塑性區(qū)出現(xiàn)在土巖交界面，隨著邊坡強度折減，塑性區(qū)在坡積土底部臨空面出現(xiàn)，當Fv=1.35時，塑性區(qū)基本貫通，如圖11所示。以是否形成連續(xù)的塑性貫通區(qū)來確定穩(wěn)定系數(shù)時，F(xiàn)s=1.35。

圖11 邊坡塑性區(qū)發(fā)展云圖(Fv=1.35)

三種穩(wěn)定性系數(shù)判別方法得出來的穩(wěn)定性系數(shù)接近，取最低值Fs=1.35，邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

③變形發(fā)展趨勢

如圖11，強度折減后邊坡處于極限平衡狀態(tài)時，邊坡全風化花崗巖及以下穩(wěn)定，上部坡積土和少量殘積土發(fā)生滑動。

3.3 邊坡穩(wěn)定性評價結(jié)論

上部覆蓋土層處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，存在沖刷溝壑等現(xiàn)象，建議加固處理。

邊坡中下部中微風化巖體，整體穩(wěn)定，局部巖體表層結(jié)構(gòu)面發(fā)育，切割體不穩(wěn)定，尤其遇陡坎時，切割體最不穩(wěn)定，已出現(xiàn)局部危巖體和崩塌，建議清除掉節(jié)理裂隙發(fā)育的表層巖石。

4 治理措施研究

4.1 治理措施

計算采用北京理正軟件設(shè)計研究院所編制的《理正巖土計算》設(shè)計。在計算中根據(jù)總平面、現(xiàn)狀地面標高、相應地質(zhì)鉆孔等情況確定支護設(shè)計分區(qū)、采取的支護型式、計算剖面。邊坡支護設(shè)計方案如下，典型剖面治理如圖12所示。

圖12 邊坡典型剖面支護設(shè)計圖

(1)上部坡殘積土和全強風化巖分布區(qū)

①放坡

充分利用已開挖形成的多級馬道平臺和坡面結(jié)構(gòu)，結(jié)合現(xiàn)狀坡面采用1∶1～1∶1.5坡率進行放坡。

②錨桿格構(gòu)梁或小擋墻

采用錨桿格構(gòu)梁支護。對上部自然坡面較平緩區(qū)域，可不設(shè)錨桿格梁，間隔設(shè)置小擋墻(高約 1 m)，沿坡面縱向布置，預防暴雨沖刷減少水土流失。

③排水工程

坡頂設(shè)置截水溝，布置坡面明溝排水兼做檢查踏步。

④三維網(wǎng)植草防護

所有格梁內(nèi)可采用三維網(wǎng)植草防護。

⑤孤石處理

邊坡開挖時應對孤石進行處理，根據(jù)孤石是否已經(jīng)在土體中生根，決定保留錨固或清除。

(2)中下部中微風化巖巖質(zhì)邊坡

①削坡

充分利用巖體邊坡自穩(wěn)能力，保留現(xiàn)狀坡面結(jié)構(gòu)，或結(jié)合已開挖馬道和坡體現(xiàn)狀采用1∶0.5～1∶1坡率削坡，清除危巖體，防止巖塊掉落或坍塌危險。

②擋石墻

在馬道平臺和坡腳設(shè)置防落石擋石墻。

③安全防護網(wǎng)

在馬道平臺上(較開闊處)設(shè)置安全防護網(wǎng)。

④排水工程

對現(xiàn)有馬道進行修整，確保排水順暢。坡腳設(shè)置排水溝。

⑤客土植草或燕窩槽式復綠

4.2 施工流程

邊坡施工順序：坡頂截水溝施工→自上而下分層開挖和修整已有坡面→分層施工錨桿格梁和馬道及坡面排水溝→坡腳排水溝和擋土墻施工→坡面和坡腳(頂)綠化。對未設(shè)置錨桿格梁支護的巖質(zhì)邊坡體，應該按設(shè)計坡率削坡、清除危巖體，對局部裂隙發(fā)育的中等風化巖，必要時可采用巖石錨噴加固。

4.3 治理效果

工程竣工后運行良好，治理效果較為明顯，達到安全和美觀的統(tǒng)一，如圖13所示。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示邊坡治理后一直處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖13 邊坡治理竣工后航拍圖

5 結(jié)論和建議

(1)廣東清遠銀湖城高邊坡屬于丘陵地區(qū)山體開挖形成的土巖組合高邊坡。上部覆蓋土層處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，存在沖刷溝壑等現(xiàn)象。中下部中微風化巖體整體穩(wěn)定，局部巖體表層結(jié)構(gòu)面發(fā)育，切割體不穩(wěn)定，已出現(xiàn)局部危巖體和崩塌。

(2)對于土巖組合高邊坡，在定性評價的基礎(chǔ)上，可采用極射赤平投影計算中微風化巖體的結(jié)構(gòu)面組合關(guān)系下的穩(wěn)定性，采用有限元強度折減法計算邊坡整體穩(wěn)定性及變形趨勢。

(3)針對土巖組合高邊坡的破壞模式，提出上覆土體采用“放坡、錨桿格構(gòu)梁或小擋墻、三維網(wǎng)植草防護、排水工程、孤石處理”，中下部中微風化巖體采用“削坡、擋石墻、安全防護網(wǎng)、排水工程、客土植草或燕窩槽式復綠”的綜合治理措施。工程竣工后運行良好，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示邊坡治理后一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，論證了該措施的可行性。