赤平投影在鎮(zhèn)江某巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用

陳新德，張映滿，解國愛

(1.南京大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京 210023； 2.江蘇省地質(zhì)工程勘察院,江蘇 南京 210012)

0 前 言

巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性主要受地質(zhì)構(gòu)造、巖體結(jié)構(gòu)、地形地貌、水的影響及其他因素，其中組成邊坡的巖體結(jié)構(gòu)由巖塊及復雜多變的結(jié)構(gòu)面通過不同的方式組成，巖塊、巖體結(jié)構(gòu)面的結(jié)合能力及結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀等因素，是影響巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的主要因素，巖質(zhì)邊坡的各種結(jié)構(gòu)面是影響巖質(zhì)邊坡的首要因素[1-2]。

巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析大體上包括定性分析法和定量分析法兩類，目前，巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析大多采用定性分析方法[3-5]。本文以赤平投影原理為基礎(chǔ)，通過在吳氏網(wǎng)上能直觀將人工邊坡、天然邊坡及結(jié)構(gòu)面(層理、節(jié)理、斷層等)的走向、傾向、傾角等要素表示出來，通過邊坡變形破壞的邊界條件，進一步分析結(jié)構(gòu)面(不連續(xù)面)之間的組合關(guān)系、邊坡巖體的失穩(wěn)形態(tài)及滑動方向[6-8]。結(jié)合對鎮(zhèn)江句容某巖質(zhì)邊坡的實例分析，表明赤平投影法對巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析簡單直觀、準確快速。

1 赤平投影方法原理

采用赤平極射投影方法，分析地質(zhì)構(gòu)造中各構(gòu)造面、構(gòu)造線及它們之間的空間方位與角距的關(guān)系。對于構(gòu)造面來說，其原理是使構(gòu)造面切割一個假想的圓球(即投影球)，以球面的上極或下極為發(fā)射點，將該構(gòu)造面與下半球或上半球球面的交線軌跡投影到赤道平面上，以求其方位與角距間的關(guān)系。對于構(gòu)造線來說，其原理是使構(gòu)造線通過投影球的球心，以球面的上極或下極為發(fā)射點，將該構(gòu)造線與下半球或上半球球面的交點投影到赤道平面上，以求其方位與角距間的關(guān)系。以上極為發(fā)射點者為下半球投影，以下極為發(fā)射點者為上半球投影[9-10]。

2 赤平投影法分析巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的方法

巖質(zhì)邊坡滑動主要分為平面滑動和鍥形狀滑動兩大類。平面滑動一般出現(xiàn)在順層巖質(zhì)邊坡中或只發(fā)育一組結(jié)構(gòu)面的巖體邊坡中，且結(jié)構(gòu)面走向與邊坡走向平行或近平行(夾角小于20°)，滑動面傾角小于邊坡坡角。楔形狀滑動出現(xiàn)在兩組結(jié)構(gòu)面的走向與邊坡走向斜交，兩組結(jié)構(gòu)面交線在坡面上出露，且交線的傾伏角小于邊坡傾角。

2.1 平面滑動邊坡穩(wěn)定性分析

在層面或其他結(jié)構(gòu)面走向與邊坡面走向一致的條件下，邊坡穩(wěn)定性條件分析，可分為四種情況。

1)不穩(wěn)定條件。層面傾向與坡面傾向相同，同時層面傾角小于坡面傾角(見圖1(a))。

圖1 平面滑動邊坡穩(wěn)定性分析

2)基本穩(wěn)定條件。坡面傾角等于層面傾角(見圖1(b))。

3)穩(wěn)定條件。層面傾向與坡面傾向相同，層面傾角大于坡面傾角(見圖1(c))。

4)最穩(wěn)定條件。層面傾向與坡面傾向相反(見圖1(d))。

2.2 楔形狀滑動邊坡穩(wěn)定性分析

兩組結(jié)構(gòu)面組成楔形狀滑動的穩(wěn)定條件，可分為五種情況

1)不穩(wěn)定條件。結(jié)構(gòu)面(J1)和結(jié)構(gòu)面(J2)投影大圓弧交點(I)，即兩個結(jié)構(gòu)面的交線，位于人工坡面大圓弧Sc與天然坡面大圓弧Sn之間，結(jié)構(gòu)面交線在天然邊坡和人工邊坡均出露(見圖2(a))。

圖2 楔形狀滑動邊坡穩(wěn)定性分析

2)較不穩(wěn)定條件。結(jié)構(gòu)面(J1)和結(jié)構(gòu)面(J2)投影大圓弧交點(I)位于天然坡面(Sn)大圓弧的外側(cè)，表示結(jié)構(gòu)面交線比天然邊坡平緩，但在坡頂面上沒有出露點(見圖2(b))。

3)基本穩(wěn)定條件。結(jié)構(gòu)面(J1)和結(jié)構(gòu)面(J2)投影大圓弧交點(I)位于人工坡面(Sc)大圓弧上，表示結(jié)構(gòu)面交線傾伏角與人工邊坡傾角相同，邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)(見圖2(c))，此時的開挖坡角即為穩(wěn)定邊坡角[6]。

4)穩(wěn)定條件。兩結(jié)構(gòu)面J1和J2的投影大圓弧交點I位于開挖邊坡面大圓弧Sc的內(nèi)側(cè)，兩組軟弱結(jié)構(gòu)面交線比人工邊坡傾角陡，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)(見圖2(d))

5)最穩(wěn)定條件。結(jié)構(gòu)面J1和J2的投影大圓弧交點I位于開挖邊坡面大圓弧Sc的相對半圓內(nèi)，軟弱結(jié)構(gòu)面交線傾向坡體內(nèi)部，表示此時邊坡最穩(wěn)定(見圖2(e))。

巖質(zhì)邊坡受兩組相交的結(jié)構(gòu)面切割時，構(gòu)成滑移體多數(shù)是楔形體，在赤平投影圖中，結(jié)構(gòu)面交線的傾伏向，就是楔形體的滑動方向，如圖2(a)和圖2(b)中交線I的傾伏向即為楔形體的滑動方向。

上述平面滑動和楔形狀滑動的邊坡穩(wěn)定性分析和穩(wěn)定坡角的推斷中，沒有考慮結(jié)構(gòu)面(滑動面)的抗剪強度，即假定結(jié)構(gòu)面的粘聚力和內(nèi)摩擦角值均很小，因而一律把滑動面上的巖體當不穩(wěn)定體對待，這是偏安全的。另外，平面滑動分析中，當結(jié)構(gòu)面的走向與邊坡走向大于20°，或者楔形狀滑動分析中，當兩個結(jié)構(gòu)面交線傾伏向與邊坡傾斜方向大于20°，此時人工開挖的邊坡應(yīng)該屬于較穩(wěn)定條件，在利用赤平投影分析時，需要另行考慮。當然，邊坡的穩(wěn)定或破壞總是許多因素綜合作用的結(jié)果，赤平投影分析法只是為邊坡穩(wěn)定性研究提供一個初步推斷。

3 應(yīng)用工程實例

3.1 工程地質(zhì)概況

擬建場地位于江蘇省鎮(zhèn)江市句容市丁家邊G312國道北側(cè)，寧鎮(zhèn)山脈中段北麓，規(guī)劃為住宅(別墅)用地。項目位于鎮(zhèn)江寶華鎮(zhèn)境內(nèi)，地處寧鎮(zhèn)山脈中段北麓，屬低山丘陵地貌單元。擬建場地地勢北高南低，呈“兩山夾一谷”地形，現(xiàn)狀各處坡體穩(wěn)定，兩側(cè)山頂標高均約110 m，中間低谷標高約60 m，起伏較大。場地紅線沿線高程約60～120 m，規(guī)劃室外整平標高為65～90 m，最大開挖深度24 m，最大填方深度15 m。開挖、回填將導致與原地面形成人造邊坡，坡高一般為5～15 m，最大可達24 m，邊坡安全等級屬二級。未經(jīng)處理的坡體對場地內(nèi)建筑物的施工及后期使用有較大安全隱患。

場地內(nèi)揭示的土層主要為第四系全新統(tǒng)(Q4)粉質(zhì)黏土與更新統(tǒng)(Q3)下蜀組黏性土與殘積土，基巖為三疊系下統(tǒng)(T1)青龍組灰?guī)r。

場地下水主要為孔隙潛水與基巖裂隙水。孔隙潛水主要賦存于層填土以及層殘積土中，接受大氣降水入滲補給，蒸發(fā)排泄或向西沖水庫排泄，水位動態(tài)受季節(jié)變化、地形地勢以及填土厚度影響明顯，層內(nèi)的孔隙水具微承壓性。基巖裂隙水分布于灰?guī)r溶蝕裂隙與溶洞中。場地內(nèi)灰?guī)r溶蝕現(xiàn)象明顯，溶隙3～10 cm，局部被黏性土充填。

場地植被覆蓋茂密，未見基巖出露，在本場地東北側(cè)1.5 km石料廠測得幾處灰?guī)r代表性產(chǎn)狀225°∠25°、345°∠45°與324°∠15°，傾向基本為東北(或東南)，傾角15°～45°。受區(qū)域構(gòu)造影響，裂隙較發(fā)育，兩組主要節(jié)理面正交發(fā)育，產(chǎn)狀185°∠76°、165°∠77°、1°∠55°、135°∠57°與243°∠82°，傾向基本為正南與正北，傾角55°～82°?？刂破麦w穩(wěn)定性的主要為層面(傾向東北，傾角15°～45°)，節(jié)理面(傾向正南、正北，傾角55°～82°)。

場地劃分為8個區(qū)(見圖3)，其中B區(qū)和D區(qū)開挖深度較大，存在滑坡隱患。

圖3 各施工區(qū)現(xiàn)狀及整平標高圖

B區(qū)：該區(qū)呈“峰狀”對稱坡，斜坡高度約20 m，坡長共約200 m，在該區(qū)取多點測得坡向分別為85°、70°與300°、275°，斜坡坡度25°～40°。

D區(qū)：該區(qū)呈“峰狀”對稱坡，斜坡高度約10～15 m，坡長共約190 m，在該區(qū)取多點測得坡向分別為45°～75°與160°～165°，斜坡坡度18°～45°。

3.2 工程地質(zhì)評價

根據(jù)巖體的變形破壞機制，巖體的破壞方式是在軟弱結(jié)構(gòu)面的切割貫通下巖塊沿巖體的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑移，受軟弱結(jié)構(gòu)面的控制[11]。因此，對人工邊坡的穩(wěn)定性評價，首先通過人工邊坡與結(jié)構(gòu)面赤平投影圖對巖滑穩(wěn)定性進行分析判斷，確定巖體穩(wěn)定程度，再根據(jù)各結(jié)構(gòu)面組合交線對巖體滑動方向的進行分析。本文主要針對大厚度開挖區(qū)(B區(qū)與D區(qū))進行赤平極射投影圖，因場地未見基巖出露，產(chǎn)狀按周邊石料廠(345°∠45°)考慮，坡體產(chǎn)狀按自然坡體考慮。

1)B區(qū)。該區(qū)呈“峰狀”對稱坡，在坡兩側(cè)各取一點進行投影分析。西側(cè)坡275°∠40°，東側(cè)坡85°∠25°，開挖最大高度約24 m。開挖后主要形成巖質(zhì)邊坡，坡頂有少量填土及殘坡積土，直立開挖時，坡頂土體不穩(wěn)定。邊坡坡壁巖性為灰?guī)r，溶隙發(fā)育，邊坡巖體為軟巖，屬Ⅳ類巖質(zhì)邊坡。

根據(jù)B區(qū)邊坡與結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀(見表1)做上半球赤平投影圖，如圖4。

表1 B區(qū)邊坡和結(jié)構(gòu)面及其交線產(chǎn)狀表

圖4 B區(qū)西坡與東坡赤平極射投影圖

(1)B區(qū)西坡。通過圖4(a)的結(jié)果分析可知，巖層和2組節(jié)理均與人工開挖邊坡走向呈大角度相交，出現(xiàn)平面滑動可能性不大。

結(jié)構(gòu)面J0與J1交線I1產(chǎn)狀為75°∠0°，正好位于基圓上，說明此交線呈水平狀態(tài)，處于穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)構(gòu)面J0與J2交線I2產(chǎn)狀為302°∠36°，正好落在人工開挖邊坡(Sc)大圓弧上，表示結(jié)構(gòu)面交線傾伏角與人工邊坡傾角相同，邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)構(gòu)面J1與J2交線I3的產(chǎn)狀為79°∠17°，位于邊坡面投影弧相對一半圓內(nèi)，說明2組節(jié)理交線傾伏向與邊坡傾向相反，表示此時邊坡最穩(wěn)定。

(2)B區(qū)東坡。由圖4(b)結(jié)果分析可知，3組結(jié)構(gòu)面與開挖邊坡大角度相交，單個結(jié)構(gòu)面處于穩(wěn)定狀態(tài)。

結(jié)構(gòu)面J0與J1交線I1位于基圓上，交線呈水平狀態(tài)，處于穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)構(gòu)面J0與J2交線I2產(chǎn)狀為302°∠36°，位于邊坡面投影弧相對一半圓內(nèi)，兩組節(jié)理交線傾伏向與邊坡傾向相反，此時邊坡最穩(wěn)定。結(jié)構(gòu)面J1與J2交線I3的產(chǎn)狀為79°∠17°，交點位于天然坡面(Sn)大圓弧的外側(cè)，表示結(jié)構(gòu)面交線比天然邊坡平緩，但在坡頂面上沒有出露點，處于較不穩(wěn)定條件。

上述表明B區(qū)西坡開挖后處于較穩(wěn)定狀態(tài)，東側(cè)兩組節(jié)理面可能組成楔形狀滑動，為較不穩(wěn)定狀態(tài)，建議開挖后對B區(qū)東邊坡進行安全支護處理。

2)D區(qū)。該區(qū)呈“峰狀”對稱坡，在坡兩側(cè)各取一點進行投影分析。南側(cè)坡165°∠22°，北側(cè)坡45°∠32°，開挖最大高度約17 m。開挖后主要形成巖質(zhì)邊坡，坡頂有少量填土及殘坡積土，直立開挖時，坡頂土體不穩(wěn)定。邊坡坡壁巖性為灰?guī)r，溶隙發(fā)育，邊坡巖體為軟巖，屬Ⅳ類巖質(zhì)邊坡。

根據(jù)D區(qū)邊坡與結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀(見表2)做上半球赤平投影圖，如圖5。

表2 D區(qū)邊坡和結(jié)構(gòu)面及其交線產(chǎn)狀表

圖5 D區(qū)南坡與北坡赤平極射投影圖

(1)D區(qū)南坡。通過圖5(a)赤平投影圖的結(jié)果分析可知，地層層面J0和節(jié)理J2傾向與坡面傾向相反，屬于最穩(wěn)定條件；節(jié)理J1與坡面傾向相同，節(jié)理面傾角大于坡面傾角，為穩(wěn)定條件。

結(jié)構(gòu)面J0與J1交線I1位于基圓上，結(jié)構(gòu)面交線水平，處于穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)構(gòu)面J0與J2交線I2產(chǎn)狀為302°∠36°，位于邊坡面投影弧相對一半圓內(nèi)，2組結(jié)構(gòu)面交線傾伏向與邊坡傾向相反，此時邊坡最穩(wěn)定。結(jié)構(gòu)面J1與J2交線I3的產(chǎn)狀為79°∠17°，交點位于開挖邊坡面大圓弧Sc的內(nèi)側(cè)，結(jié)構(gòu)面交線比人工邊坡傾角陡，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)D區(qū)北坡。由圖5(b)結(jié)果分析可知，結(jié)構(gòu)面均與開挖邊坡大角度相交，單個結(jié)構(gòu)面處于穩(wěn)定狀態(tài)。

結(jié)構(gòu)面J0與J1交線I1位于基圓上，結(jié)構(gòu)面交線水平，處于穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)構(gòu)面J0與J2交線I2產(chǎn)狀為302°∠36°，位于邊坡面投影弧相對一半圓內(nèi)，層面與節(jié)理J2交線傾伏向與邊坡傾向相反，此時邊坡最穩(wěn)定。結(jié)構(gòu)面J1與J2交線I3的產(chǎn)狀為79°∠17°，兩個結(jié)構(gòu)面的交線，位于人工坡面大圓弧Sc與天然坡面大圓弧Sn之間，結(jié)構(gòu)面交線在天然邊坡和人工邊坡均出露，處于不穩(wěn)定條件。

上述表明D區(qū)南坡開挖后處于穩(wěn)定狀態(tài)，北坡兩組節(jié)理面組成楔形狀滑動，為較不穩(wěn)定狀態(tài)，建議開挖后對D區(qū)北坡進行安全支護處理。

4 結(jié) 語

本文通過闡述赤平投影基本原理與巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評價標準，直觀地反映了各組合交線與邊坡的空間關(guān)系。

1)定性分析了平面滑動和楔形狀滑動的不同穩(wěn)定條件，進而反映了邊坡的整體穩(wěn)定性，為邊坡的防治提供了依據(jù)。

2)以鎮(zhèn)江句容寶華鎮(zhèn)某巖質(zhì)邊坡為實例，采用赤平投影方法，通過對地層層面和兩組主要發(fā)育的節(jié)理進行赤平投影分析，認為該場地B區(qū)東邊坡和D區(qū)北坡處開挖后于較不穩(wěn)定狀態(tài)，建議開挖后進行安全支護處理。

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