含孤石邊坡的穩(wěn)定性分析

盧 剛，張鵬程，黃 東

（江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局，江蘇南京 210009）

在工程建設(shè)中，尤其是在花崗巖、凝灰?guī)r等巖性分布的風化堆積區(qū)，在殘積層、全風化層等地層中，常常會遇到“孤石”，其與周圍巖土體在性質(zhì)上有明顯區(qū)別，且具有分布不確定性、埋藏邊界的隱蔽性等特點。通常情況下，是將孤石視作周圍土體進行處理，由于兩者的物理力學指標差異較大，給工程設(shè)計與施工帶來了一定的不確定性。國內(nèi)外不少學者對此開展了相關(guān)的研究。曾國春[1]等對不同形狀孤石、不同周圍巖土介質(zhì)對地質(zhì)雷達探測孤石的影響進行研究。杜甫志等[2]對花崗巖孤石的分布位置進行了分區(qū)，以定性為主分析了不同孤石分布位置對邊坡（基坑）穩(wěn)定性的影響，并提出了相應的處理措施。劉曉華[3]等對風化花崗巖孤石邊坡的穩(wěn)定性和破壞機理進行了研究，對花崗巖孤石進行了概化，建立了孤石賦存的邊坡模型，分析了孤石完全嵌入、部分出露以及孤石完全嵌入時不同角度的邊坡的穩(wěn)定性。

本文在上述研究的基礎(chǔ)，采用數(shù)值模擬方法對孤石的大小及分布位置對邊坡穩(wěn)定性影響進行分析。

1 孤石邊坡模型

參照文獻，建立如圖1～圖4所示的孤石邊坡模型。模型1分別模擬孤石位于坡面上、中、下不同位置時的情況（圖1）；模型2在模型1的基礎(chǔ)上，對孤石的尺寸進行了縮小，考慮孤石尺寸變小的情況，位于坡面上不同位置的情況（圖2）；模型3考慮孤石位于坡體內(nèi)時孤石在上、中、下不同位置時的情況（圖3）；模型4為不含孤石情況，用于與上幾個模型分析進行對比（圖4）。

計算所采用的材料參數(shù)如表1所示。

表1 計算參數(shù)

2 孤石邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 有限元強度折減理論

2.1.1 基本原理

強度折減法很好地將強度儲備安全系數(shù)與邊坡的整體穩(wěn)定安全系數(shù)統(tǒng)一了起來。其實質(zhì)是以邊坡初始抗剪強度為τ初值不斷折減，以尋找恰好使邊坡處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)的抗剪強度值τ'（簡稱臨界抗剪強度）。此時的臨界抗剪切強度值為：

對應的，經(jīng)過折減后的剪切強度參數(shù)c'和φ'為

2.1.2 邊坡失穩(wěn)的判據(jù)

一般來說，評判邊坡整體失穩(wěn)的判據(jù)有三種[4-5]：

（1）按照國際上慣用的以計算不收斂作為破壞判據(jù)。排除人為出錯的基礎(chǔ)上，在有限元程序中設(shè)定的收斂準則下計算不收斂，即以有限元靜力平衡計算中采用力和位移收斂失敗、靜力平衡方程組無解作為邊坡整體失穩(wěn)的判據(jù)。但由于計算的收斂性受計算假定、計算方法和收斂準則等的影響，計算結(jié)果會有一定誤差。

（2）邊坡上特征點的位移與折減系數(shù)關(guān)系曲線發(fā)生突變作為邊坡整體失穩(wěn)的判據(jù)。此判據(jù)可以反映邊坡變形過程，當邊坡達到破壞狀態(tài)時，滑面上的位移將突然加大、產(chǎn)生突變，具有較明確的物理意義。

（3）以滑面上塑性區(qū)從發(fā)生—發(fā)展—直至完全貫通，作為邊坡整體失穩(wěn)的判據(jù)[6]。塑性區(qū)貫通意味著滑面上各點均達到極限平衡狀態(tài)，但邊坡內(nèi)塑性區(qū)的分布由于受坡體材料彈性模量和泊松比等的影響，該判據(jù)也有一定的局限性。

根據(jù)以上各種判據(jù)的特點在實際操作中應根據(jù)邊坡具體情況選取以上三種判據(jù)之一進行判斷，更合理的應該選取兩種以上判據(jù)進行綜合判斷。

由于破壞后的邊坡由穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭Х€(wěn)狀態(tài)，將產(chǎn)生很大的位移，并無限發(fā)展。因此，在Plaxis中應用強度折減法計算所得到的位移大小沒有實質(zhì)意義[7]。

2.2 邊坡穩(wěn)定性分析

各模型各種情況下計算的邊坡安全系數(shù)如表2所示。各模型各種情況下邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果如圖5～圖14所示。

表2 邊坡穩(wěn)定分析結(jié)果表

2.3 孤石對邊坡穩(wěn)定性影響分析

從模型1的邊坡穩(wěn)定分析結(jié)果可以看出，當孤石位于坡體的中、上部位時，邊坡的穩(wěn)定性要低于不存在孤石的情況，由于孤石的重度大于土體的重度，對潛在滑動體的下滑力貢獻更大，且孤石位于中部時穩(wěn)定性稍高于孤石位于上部時，表明孤石位于中部時，其貢獻的抗滑力較位于上部時要大；當孤石位于邊坡的下部時，由于孤石本身的強度較大，潛在滑動面的具有明顯的饒石特征，潛在滑動面向下凸起，滑坡體中有明顯的阻滑段，因此其穩(wěn)定性高于孤石位于上、中位置以及不存在孤石的情況。

模型2相對模型1而言，孤石的體積變小，從穩(wěn)定性分析結(jié)果來看，孤石處于不同位置時，其邊坡穩(wěn)定性情況與模型1得到的邊坡穩(wěn)定性情況基本一致。與模型1對比，當孤石都位于潛在滑體的上部時，模型2得到的安全系數(shù)要大于模型1得到的安全系數(shù)，其由于模型2中孤石體積減小，其產(chǎn)生的滑動力較模型1的情況有所減少，因而其穩(wěn)定性稍有提高；當孤石位于潛在滑體的中部時，其穩(wěn)定性稍小于模型1中對應的情況，推測可能是孤石在中部時，其體積變小，貢獻的抗滑力的較?。划敼率挥跐撛诨w的下部時，相對于模型1，穩(wěn)定性低于模型1的對應情況，應為孤石體積變小，貢獻的抗滑力變小的原因。

模型3在模型2的基礎(chǔ)上，孤石進一步嵌入坡體，在孤石位于上、中位置時，其對邊坡穩(wěn)定性的影響小于孤石嵌入坡體較淺時的情況，穩(wěn)定性高于模型2的對應情況；孤石位于坡體下部時，潛在滑面明顯加深，可能由于滑體的體積增大，其穩(wěn)定性略低于模型2。從模型3來看，孤石嵌入坡體越深，對邊坡的穩(wěn)定性影響逐漸減小。

3 結(jié)論

本文通過Plaxis對含孤石的邊坡的穩(wěn)定進行了分析，得出了如下結(jié)論：

（1）孤石在坡體不同位置對邊坡的穩(wěn)定性影響不同，同樣的孤石，當其越靠近坡體上部時，穩(wěn)定性有越小的趨勢。

（2）孤石嵌入坡體的深度增加時，潛在滑面有逐漸加深的趨勢，孤石對邊坡的穩(wěn)定性影響有越小的趨勢。

（3）坡體中孤石越大，其對邊坡的穩(wěn)定性影響越大。