順層結(jié)構(gòu)邊坡穩(wěn)定性一般性分析

王希寶, 袁 松, 黎良仆, 陳柯竹

(四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 四川 成都 610017)

0 引言

順層巖質(zhì)邊坡是指坡體內(nèi)的優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面與邊坡具有相同傾向的層狀巖質(zhì)邊坡。順層巖質(zhì)邊坡破壞方式主要有：順層滑動(dòng)和潰屈破壞。順層滑動(dòng)是指前緣坡腳臨空并具有明顯、潛在的順傾向滑動(dòng)面而發(fā)生的整體失穩(wěn)順層下滑，這在順層邊坡開挖中經(jīng)常出現(xiàn)。潰屈破壞是邊坡前緣坡腳處受阻而發(fā)生的破壞形式，是順層巖質(zhì)高邊坡的典型破壞模式。

順層邊坡滑動(dòng)一般指順沉積巖層面，有時(shí)也指順巖漿巖或變質(zhì)巖中傾向開挖坡面外的長(zhǎng)大貫通的優(yōu)勢(shì)節(jié)理面，此類巖內(nèi)部一般平整度較差，充填少。按沉積巖層面與自然山體交線出露位置，順層巖質(zhì)邊坡可分為坡面出露型和坡背出露型兩大類(見圖1)，其邊坡特征見表1。

(a) 坡面出露型

(b) 坡背出露型

表1 兩種順層邊坡特征分類自然特征工程地質(zhì)特征坡面出露型原始坡面坡角小于巖層傾角,巖層層面出露于地表地表水易于滲入坡背出露型原始坡面坡角大致與巖層傾角平行,大多數(shù)情況下坡面即為層面,表面見大面積基巖出露,植被稀少常見順層滑動(dòng)

工程實(shí)踐中，順層巖質(zhì)邊坡開挖后發(fā)生失穩(wěn)破壞的情況很多[1]，具有滑移速度快、距離遠(yuǎn)、牽引式逐級(jí)滑動(dòng)的特點(diǎn)，一旦啟動(dòng)后處治困難。順層巖質(zhì)邊坡設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于如何確定滑移失穩(wěn)的范圍和層面抗剪強(qiáng)度[2]。關(guān)于滑移失穩(wěn)范圍的確定，行業(yè)內(nèi)主要有3種意見，一是基于工程地質(zhì)類比法取3～5倍開挖坡高，二是采用邊坡變形監(jiān)測(cè)確定影響范圍，三是采用巖土數(shù)值法計(jì)算。方法一只考慮開挖坡高因素，簡(jiǎn)單易操作，但文獻(xiàn)[3]模型試驗(yàn)結(jié)果表明影響范圍受巖層傾角影響很大；方法二在勘察設(shè)計(jì)階段無法應(yīng)用；方法三對(duì)技術(shù)人員能力要求較高,存在較大的應(yīng)用難度。文獻(xiàn)[3]選擇典型工點(diǎn)針對(duì)坡面出露型順層巖質(zhì)邊坡開展的模型試驗(yàn)和數(shù)值分析表明，開挖變形影響范圍沿層面長(zhǎng)度與切層厚度之比為6.5～7.8，坡背出露型為4～6.5，該結(jié)論是根據(jù)典型工點(diǎn)研究得出，是否適用于一般情況還需要進(jìn)一步研究。文獻(xiàn)[4]建立了順層邊坡巖體失穩(wěn)破壞長(zhǎng)度的計(jì)算式，但理論性略強(qiáng)，不利于推廣；文獻(xiàn)[5]建議對(duì)于有裂縫未滑動(dòng)的順層邊坡，防治范圍取開挖深度的 2.0～3.0 倍，已變形滑動(dòng)的則取為3.0～4.5倍，其具有一定參考價(jià)值，但過于籠統(tǒng)，且針對(duì)性不強(qiáng)。

本文以受沉積巖層面控制的順層邊坡為研究對(duì)象，根據(jù)前述2種順層巖質(zhì)邊坡類型，采用極限平衡法分析討論其穩(wěn)定性計(jì)算方法與滑坡推力計(jì)算模型范圍，推導(dǎo)得出了不同工況下穩(wěn)定性計(jì)算公式，具有力學(xué)原理清晰、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于使用的特點(diǎn)。

關(guān)于層面抗剪強(qiáng)度確定方法，除了傳統(tǒng)的工程地質(zhì)類比法、室內(nèi)外試驗(yàn)法之外，文獻(xiàn)[3]討論了由結(jié)構(gòu)面粗糙度確定其抗剪強(qiáng)度的方法，但現(xiàn)場(chǎng)操作較困難。本文進(jìn)一步完善了采用純摩試驗(yàn)獲取結(jié)構(gòu)參數(shù)的操作方法。

1 坡面出露型穩(wěn)定性分析

1.1 受層面控制的順層邊坡

地層受構(gòu)造作用不強(qiáng)烈、切層節(jié)理不發(fā)育、層面控制斜坡穩(wěn)定性時(shí)，邊坡穩(wěn)定性受穿過坡腳的最不利層面控制。穩(wěn)定性計(jì)算如式(1)所示，切層坡面見圖2,其中α為邊坡開挖坡角，β為斜坡坡角。

圖2 切層坡面

(1)

式中：FS為穩(wěn)定性系數(shù)；γ為巖體重度；S為順層滑動(dòng)巖體面積，m2；θ為層面傾角(或視傾角)，°；c為層面內(nèi)聚力，kPa；φ為層面內(nèi)摩擦角，°；L為控制性層面長(zhǎng)度，m。

假設(shè)由通過坡腳控制性層面切割的順層滑動(dòng)巖體為一理想三角形塊體，通過三角形面積等效關(guān)系可將公式(1)整理成式(2)或式(3)。

(2)

(3)

式中：h為邊坡開挖高度，m；d為順層滑動(dòng)巖體厚度，m。

據(jù)上述公式可見，受層面控制的坡面出露型簡(jiǎn)單順層邊坡穩(wěn)定性系數(shù)只與邊坡開挖高度或切層厚度這一幾何參數(shù)有關(guān)，與坡口外自然斜坡傾向傾角無關(guān)，即無論坡口外自然斜坡是仰坡、平坡或下坡(見圖3)，穩(wěn)定性系數(shù)均相等。趨勢(shì)上，該工況穩(wěn)定性系數(shù)與開挖高度呈反比，開挖坡面越陡，穩(wěn)定性越低。

圖3 不同斜坡坡面傾向

根據(jù)上述分析，可以得到兩個(gè)有益的結(jié)論：

1) 層面抗剪強(qiáng)度包含黏聚力貢獻(xiàn)時(shí)，穩(wěn)定性隨開挖坡高增大而降低，以無黏聚力穩(wěn)定值為漸近值。工程設(shè)計(jì)時(shí)可通過降低坡高提高邊坡穩(wěn)定性達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范要求。層面內(nèi)聚力對(duì)水敏感時(shí)，宜采取有效措施防止控制性層面浸水。

2) 不規(guī)則坡體穩(wěn)定性計(jì)算。按照體積(面積)等效的原則，將不規(guī)則自然坡面等效(BA′∥CA)為開挖坡高為h′的標(biāo)準(zhǔn)三角形后，即可根據(jù)式(3)計(jì)算穩(wěn)定性(見圖4)。采用該方法也可用于快速分析和比較同類邊坡穩(wěn)定性。

圖4 不規(guī)則坡面的等效計(jì)算示意

1.2 受切層節(jié)理(共軛X節(jié)理)控制的順層邊坡

共軛節(jié)理(Conjugate joints)是指巖石受剪切應(yīng)力破裂形成的裂隙，屬于剪切節(jié)理的一種。理論上應(yīng)變橢球體的兩組最大剪切面的夾角為90°，在兩組剪切面上同時(shí)發(fā)育兩組剪切節(jié)理，稱為共軛節(jié)理。沉積巖受單向壓力作用時(shí)，易形成一組顯著優(yōu)勢(shì)的垂直于層面的共軛節(jié)理。受節(jié)理控制的切層型順層坡面具有不一樣的性質(zhì)(見圖5)。

圖5 受層面和切層節(jié)理控制的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)

如圖5所示，三角形OAB為通過坡腳的控制性層面與開挖坡面、自然斜坡構(gòu)成的滑動(dòng)巖體。根據(jù)前述結(jié)論，OAB與OAC的穩(wěn)定性相同，以層面為x軸，O點(diǎn)到C點(diǎn)的穩(wěn)定性呈線性降低。根據(jù)圖4的等效原理，四邊形OXDA穩(wěn)定性小于OAB和OAC，即穩(wěn)定性最小值位于CB段某處。設(shè)該處距離點(diǎn)C距離x[x≤dcot(θ-β)]，推導(dǎo)出四邊形OXDA穩(wěn)定性計(jì)算式為：

FS=cotθtanφ+

(4)

對(duì)上式求極值，可得穩(wěn)定性系數(shù)最低位置并計(jì)算穩(wěn)定性，也可采用Excel試算法或CAD作圖法確定最不利切層節(jié)理(拉裂縫)位置。

作圖法具體做法：設(shè)任意X點(diǎn)位置，DX為切層節(jié)理，過D點(diǎn)做XA的平行線與OA的延長(zhǎng)線交于點(diǎn)E，如前所述，因OXDA的面積與OXEA相等，則根據(jù)OE的垂高可計(jì)算得到OXDA的穩(wěn)定性系數(shù)。自CB連線方向依次作圖，可逼近得到位置最高的E點(diǎn)，即為穩(wěn)定性最低的裂縫位置(見圖6)。

圖6 作圖法確定穩(wěn)定性最不利拉裂縫位置

2 坡背出露型穩(wěn)定性分析

選取自然坡面與層面平行的特殊情況，分析因坡腳開挖導(dǎo)致的順層邊坡穩(wěn)定性。

2.1 天然工況

巖層發(fā)育切層節(jié)理裂隙情況，以最外緣節(jié)理裂隙為后緣情況(見圖7)，順層邊坡穩(wěn)定性系數(shù)見式(5)。隨后緣切層節(jié)理裂隙距坡口越遠(yuǎn)，切割順層巖體穩(wěn)定性越低。對(duì)節(jié)理裂隙距坡口距離x求極限，可得此類邊坡穩(wěn)定性系數(shù)極小值如式(6)、(7)所示，其值與開挖切層厚度d或開挖坡高h(yuǎn)呈反比。若計(jì)算極值小于1.0，則邊坡將發(fā)生失穩(wěn)。理論上，其失穩(wěn)后緣可以發(fā)生在極限平衡(FS=1.0)點(diǎn)以上任意位置。

圖7 等厚順層坡面

(5)

隨邊坡高度增加，穩(wěn)定性系數(shù)降低，求極限(x→∞)可得最小值:

(6)

或

(7)

某符合圖7構(gòu)造特征的順層巖質(zhì)邊坡典型算例，不同距離x處的的穩(wěn)定性系數(shù)和設(shè)計(jì)工況下的剩余下滑力(不考慮降雨與地下水)如圖8所示，隨距離增加,穩(wěn)定性逐漸降低并趨近于極小值，降低幅度前大后小，但剩余下滑力基本呈線性增加。從設(shè)計(jì)角度，以遠(yuǎn)距離節(jié)理裂隙作為后緣邊界進(jìn)行支擋設(shè)計(jì)沒有必要,也是極其浪費(fèi)的[6～7]?？梢訤S=1.0位置計(jì)算剩余下滑力作為支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)。

圖8 穩(wěn)定性系數(shù)、剩余下滑力與拉裂隙位置關(guān)系

2.2 降雨(裂隙充水)工況

降雨時(shí)，坡面地表徑流自上而下滲入并充填節(jié)理裂隙，根據(jù)裂隙發(fā)育情況分為單裂隙和多裂隙。實(shí)際上單裂隙充水是多裂隙充水的特殊情況。

2.2.1單裂隙充水

單裂隙充水工況見圖9,圖中dh為裂隙靜水壓力高度。

圖9 單裂隙充水時(shí)滑體受靜水壓力

巖體同時(shí)承受拉裂隙靜水壓力和揚(yáng)壓力，則有穩(wěn)定性系數(shù)FS：

(8)

式中：γw為水重度。

求極限(x→∞)，得

(9)

2.2.2多裂隙充水

多裂隙充水工況見圖10。

圖10 多裂隙充水時(shí)滑體受靜水壓力

假設(shè)所有裂隙均完全充水，順滑面方向靜水壓力除最外圍裂隙處均為內(nèi)力(上下抵消，不影響滑體整體受力)，則有穩(wěn)定性系數(shù)FS：

(10)

求極限(X→∞)，得

(11)

一般在連續(xù)降雨工況下，構(gòu)造切層裂隙極易充水，多裂隙充水是最不利情況。同樣的，在進(jìn)行該類順層邊坡處治設(shè)計(jì)時(shí)，也可以FS=1.0位置計(jì)算剩余下滑力作為支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)。

3 結(jié)構(gòu)面參數(shù)確定

3.1 工程類比

類比分為類比規(guī)范查表法和現(xiàn)場(chǎng)同類型邊坡類比法兩種。前者是根據(jù)調(diào)查獲得的層面發(fā)育特征，查規(guī)范表獲得剪切強(qiáng)度；后者是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)繪同類型自然邊坡，反算獲得抗剪強(qiáng)度。一般情況下，查表法準(zhǔn)確度取決于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，偏差較大；而調(diào)繪類比法因假設(shè)自然斜坡穩(wěn)定性系數(shù)較低，故反算參數(shù)一般偏低，容易造成工程浪費(fèi)。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)大型剪切試驗(yàn)[8]

現(xiàn)場(chǎng)大型剪切試驗(yàn)直接針對(duì)目標(biāo)巖體巖層面構(gòu)筑試驗(yàn)條件，因此較室內(nèi)試驗(yàn)更能符合巖土體天然狀態(tài)，得出的結(jié)果更加符合實(shí)際工程，但存在試驗(yàn)制樣復(fù)雜，時(shí)間長(zhǎng)、耗費(fèi)高的特點(diǎn)。

3.3 純摩試驗(yàn)

為了快速獲得巖體節(jié)理特別是層面的抗剪強(qiáng)度，可以采用現(xiàn)場(chǎng)純摩試驗(yàn)。試驗(yàn)具體操作方法和步驟如下。

1) 取樣與制樣：人工開挖切層取樣，試樣包含的結(jié)構(gòu)面尺寸不小于30 cm×30 cm或同等面積，務(wù)必確保結(jié)構(gòu)面接觸狀態(tài)不改變，結(jié)構(gòu)面充填物不流失。

2) 搭建場(chǎng)地平臺(tái)：搭建或選擇一水平場(chǎng)地，準(zhǔn)備試樣底板(木板或鐵板，帶邊棱，帶固定測(cè)角裝置，比如羅盤)。

3) 試驗(yàn)：記錄將試樣固定于底板上，以不大于0.5(°)/s的速度緩慢抬起底板，至上巖塊滑動(dòng)，記錄傾斜角度。在上巖塊綁縛重物(重物質(zhì)量以上巖塊質(zhì)量1/3～1/2為宜)，上下巖塊接觸面原樣重置后再次試驗(yàn)，記錄傾斜角度。該巖塊試驗(yàn)結(jié)束，稱重上巖塊重量與綁縛重物重量，米格紙描出結(jié)構(gòu)面面積。

解聯(lián)立方程組可獲得每個(gè)剪切巖樣的結(jié)構(gòu)面黏聚力和內(nèi)摩擦角，每組試驗(yàn)不少于3個(gè)巖樣，取3組試驗(yàn)參數(shù)平均值作為結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

3.4 根據(jù)已滑坡邊坡邊界條件反算

根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪測(cè)量確定的地面線、滑動(dòng)面特征要素、剪出口與首次滑動(dòng)的后緣位置，可基于2個(gè)獨(dú)立坡面建立穩(wěn)定性計(jì)算方程，求解抗剪強(qiáng)度。

4 結(jié)語

1)受層面控制的坡面出露型簡(jiǎn)單順層邊坡，其穩(wěn)定性與邊坡開挖高度呈反比關(guān)系，以無黏聚力穩(wěn)定值(cotθtanφ)為漸近值。

2)受層面與切層節(jié)理共同控制的坡面出露型順層邊坡，穩(wěn)定性系數(shù)曲線以坡口與過坡腳層面的垂線交點(diǎn)為界，前段為線性下降，后段為凹曲線。導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性最不利的切層拉裂隙位置位于開挖坡口與過坡腳層面與自然斜坡交線之間，可通過求極值、試算或作圖法確定。

3)坡背出露型順層邊坡，穩(wěn)定性隨自然斜坡坡高增加而降低，計(jì)算剩余下滑力選擇的模型范圍宜選擇穩(wěn)定性系數(shù)等于零的位置作為上邊界。