易慶波
(1中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院巖土工程有限公司,貴州 貴陽(yáng) 550081;2中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,貴州 貴陽(yáng) 550081)
中國(guó)是一個(gè)高原、丘陵和山地面積較多的國(guó)家,約占陸地面積的67%。同時(shí),我國(guó)也是一個(gè)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生十分頻繁的國(guó)家。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),每年由于地質(zhì)災(zāi)害造成的各方面經(jīng)濟(jì)損失在幾十億到幾百億元不等。在我國(guó)大部分地區(qū)特別是西南、西北及中南部,邊坡失穩(wěn)塌滑等地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重影響了我國(guó)的基礎(chǔ)建設(shè)。
對(duì)于建筑邊坡,一般來(lái)講,高邊坡是指高度大于30 m的巖質(zhì)邊坡和大于20 m的土質(zhì)邊坡[1]。高陡巖質(zhì)邊坡因地質(zhì)構(gòu)造和卸荷作用使得巖體受多組結(jié)構(gòu)面切割作用而形成不穩(wěn)定塊體,這些塊體沿某組或幾組結(jié)構(gòu)面組合滑動(dòng),從而產(chǎn)生了崩塌或落石[2-4]。研究區(qū)高邊坡地質(zhì)條件復(fù)雜,巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育。通過(guò)對(duì)邊坡工程地質(zhì)條件分析的基礎(chǔ)上,采用定性分析方法和傳統(tǒng)極限分析法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行綜合分析,為邊坡的開(kāi)挖與支護(hù)提供可靠經(jīng)濟(jì)合理的措施與依據(jù),為同類(lèi)邊坡的穩(wěn)定分析評(píng)價(jià)提供參考借鑒。
在邊坡形成過(guò)程中,由于地應(yīng)力和自重應(yīng)力等應(yīng)力狀態(tài)的演變,邊坡巖體在不同時(shí)期將發(fā)生不同方式、不同規(guī)模和不同程度的變形,隨著變形量的不斷積累,坡體應(yīng)力和位移超過(guò)自身的承受能力,就會(huì)發(fā)生破壞。斜坡的變形和破壞是兩個(gè)主要的發(fā)展階段,變形的生長(zhǎng)是伴隨著時(shí)間的推移不斷進(jìn)行的,通常,在野外,經(jīng)常觀(guān)察到巖體內(nèi)部發(fā)育有各種不同的變形跡象,比如松動(dòng)的巖體以及坡體內(nèi)部的彎曲褶皺、張剪裂隙、錯(cuò)動(dòng)位移等等現(xiàn)象,這是巖體變形發(fā)展過(guò)程中的產(chǎn)物,其沒(méi)有發(fā)生明顯的破壞但正在不斷向破壞階段演化。巖體的累進(jìn)性變化達(dá)一定量值的時(shí)候,即發(fā)生諸如崩落、滑動(dòng)等失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)方式,通常,在邊坡的坡腳都會(huì)存在堆積體,這就是邊坡巖體破裂解體堆積起來(lái)的,而對(duì)于滑坡體來(lái)說(shuō),滑坡發(fā)生后,其仍然在繼續(xù)運(yùn)動(dòng),并會(huì)在后續(xù)不斷發(fā)生多次滑坡,這就是破壞后的繼續(xù)運(yùn)動(dòng),代表了巖體破壞后的演化階段,對(duì)邊坡巖體的變形狀況進(jìn)行適時(shí)了解,有助于掌握邊坡的演化過(guò)程,有利于分析判斷邊坡的破壞機(jī)制、穩(wěn)定狀況,并對(duì)邊坡巖體的發(fā)展演化趨勢(shì)作出合理的預(yù)測(cè)。
(1)巖質(zhì)邊坡變形的主要方式
實(shí)際上,邊坡的變形在邊坡的形成過(guò)程中就發(fā)生發(fā)展著,表現(xiàn)為累進(jìn)性的時(shí)間效應(yīng),主要有松動(dòng)和蠕變兩種方式。
①松動(dòng)
邊坡由于臨空面的形成,使邊坡坡面巖體應(yīng)力集中,加之巖體內(nèi)部的彈性應(yīng)變能得到釋放,巖體發(fā)生卸荷回彈(unloading rebound)。巖體向臨空面方向發(fā)生回彈變形,坡體內(nèi)部勢(shì)必發(fā)育卸荷裂隙,形成卸荷帶(unloading zone),也可以稱(chēng)為松動(dòng)帶。松動(dòng)的巖體內(nèi)部裂隙發(fā)育,其將巖體切割成破碎的塊體,致使巖體向臨空方向移動(dòng),在邊坡開(kāi)挖后,是巖體松動(dòng)變形的初始階段。
②蠕變
蠕變(slope creep)是一種微小的變形,坡體隨蠕變的發(fā)展而不斷松弛。蠕變的形成機(jī)制為巖土的粒間滑動(dòng)形成的塑性變形,或者是沿巖石微裂紋的錯(cuò)動(dòng),或者是由巖體中一系列裂隙擴(kuò)展所致。巖體可近似看作是彈塑性材料,蠕變是在塑性屈服極限之前的變形,其長(zhǎng)期發(fā)生著一系列的緩慢而持續(xù)的累進(jìn)性位移變化,這個(gè)階段剪應(yīng)力小于巖體的抗剪強(qiáng)度。根據(jù)蠕變發(fā)生的位置,可分為表層蠕變和深層蠕變。
(2)巖質(zhì)邊坡破壞的基本類(lèi)型
隨著時(shí)間的推移,巖質(zhì)邊坡的變形發(fā)展到一定程度,將導(dǎo)致邊坡的失穩(wěn)破壞。按照其破壞方式,巖質(zhì)邊坡的基本失穩(wěn)模式大致可分為如表1所示的幾種類(lèi)型。
表1 巖質(zhì)邊坡破壞基本類(lèi)型
在早期,根據(jù)邊坡巖體變形破壞過(guò)程中的力學(xué)機(jī)制,將邊坡巖體的變形破壞機(jī)制劃分為六種基本地質(zhì)力學(xué)模式[5],分別為:蠕滑(滑移)-拉裂;滑移-壓致拉裂;滑移-拉裂;滑移-彎曲;彎曲-拉裂(傾倒);塑流-拉裂,或者為六種模式的復(fù)合。西南地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜,內(nèi)、外地質(zhì)營(yíng)力活躍,高邊坡變形破壞機(jī)制也因此而復(fù)雜多變,除了通常的失穩(wěn)模式外,近20年來(lái),還揭露了若干類(lèi)典型的高邊坡變形破壞機(jī)制和大型滑坡發(fā)生模式[6]:①滑移-拉裂-剪斷“三段式”機(jī)制,②“擋墻潰屈”機(jī)制,③傾倒變形機(jī)制,④壓縮-傾倒變形機(jī)制,⑤階梯狀蠕滑-拉裂機(jī)制,⑥順傾向?qū)訝顜r體邊坡的滑移(彎曲)-剪斷機(jī)制。
2.1.1 定性分析
邊坡穩(wěn)定性分析中的定性分析法具有多種,諸如類(lèi)比分析法、歷史成因分析法、圖解分析等。歷史成因分析法重視工程地質(zhì)第一性資料的分析,正確對(duì)邊坡的總體認(rèn)識(shí)和初始資料的掌握對(duì)定量評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性起著關(guān)鍵的作用。類(lèi)比法主要是針對(duì)相似度較高的邊坡工程之間的對(duì)比分析,其中相似度可以從地質(zhì)環(huán)境條件、邊坡高度、邊坡坡角、開(kāi)挖施工情況等綜合評(píng)價(jià)。圖解法是借助于圖形直觀(guān)反映空間物體對(duì)象之間的相互位置關(guān)系,以便形象地進(jìn)行定性分析。圖解分析法以赤平極射投影為基礎(chǔ)。
極射赤平投影是用來(lái)表示空間物體之點(diǎn)、線(xiàn)、面相互間的角距關(guān)系的一種平面投影。通過(guò)這種方法,可以把物體在三維空間上的幾何要素反映在投影平面上來(lái)進(jìn)行分析,實(shí)現(xiàn)將復(fù)雜的空間問(wèn)題轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的平面問(wèn)題來(lái)處理。
圖1為極射赤平投影原理的空間示意圖[3]。假如空間一結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀為90°∠α°,通過(guò)投影球南極S′向該平面發(fā)射射線(xiàn),得到其在赤道平面上的投影圓NCSD,其中圓內(nèi)部分NCS(圖2)就是該空間平面的上半球赤平投影圖。在邊坡的赤平投影穩(wěn)定性分析中,將邊坡面和主要結(jié)構(gòu)面投影到赤平圖上,綜合分析其反映的空間位置關(guān)系,從而判斷其穩(wěn)定性及可能失穩(wěn)的形式。
圖1 極射赤平投影原理
圖2 空間任意平面的赤平投影圓
2.1.2 定量分析
在定性分析的基礎(chǔ)上,對(duì)邊坡穩(wěn)定性的分析用一個(gè)確定的量值來(lái)評(píng)價(jià),即定量分析。其中這個(gè)量值只是一個(gè)相對(duì)概念[7]。主要有極限平衡分析法和數(shù)值模擬計(jì)算。
極限平衡法是根據(jù)靜力平衡原理來(lái)對(duì)滑塊進(jìn)行計(jì)算的,將滑體上的抗滑力與下滑力的比值作為穩(wěn)定系數(shù)來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。假定潛在滑面上巖土抗剪強(qiáng)度τ與垂向應(yīng)力σ的關(guān)系如下:
τ=c+σtanφ或τ=c′+(σ-u)tanφ′
式中:c、c′分別為滑動(dòng)面的粘聚力和有效粘聚力;φ、φ′分別為滑動(dòng)面的內(nèi)摩擦角和有效內(nèi)摩擦角;σ為作用在滑動(dòng)面上的有效應(yīng)力;u為作用在滑動(dòng)面上的孔隙水壓力。
極限平衡法根據(jù)潛在滑動(dòng)面及假設(shè)條件的不同又可分為多種方法,各種方法分別有其特點(diǎn)及適用范圍,在計(jì)算時(shí),需要根據(jù)邊坡破壞類(lèi)型及滑動(dòng)面的形態(tài),選擇適當(dāng)?shù)姆椒▉?lái)計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性。下面介紹平面滑動(dòng)和楔形體滑動(dòng)兩種形式的計(jì)算方法。
(1)平面滑動(dòng)
對(duì)于順層狀巖質(zhì)邊坡或者存在外傾軟弱結(jié)構(gòu)面的巖質(zhì)邊坡,坡體一般會(huì)發(fā)生沿巖層面或軟弱結(jié)構(gòu)面的平面滑動(dòng)。在這類(lèi)邊坡中,在坡頂或坡面往往會(huì)出現(xiàn)不同程度的張拉裂縫。其計(jì)算模型如圖3所示。
圖3 平面破壞計(jì)算模型
QAcosθ+Wsinθ+Vcosθ-S=0
(1)
N+QAsinθ-Wcosθ+Vsinθ=0
(2)
根據(jù)庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則和穩(wěn)定性系數(shù)的定義:
(3)
聯(lián)立(1)、(2)、(3)三式可得到邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為:
(4)
公式(1)-(4)中:
W—滑動(dòng)塊體重量;N—滑動(dòng)平面上的法向力;V—張裂隙中的靜水壓力;U—作用于滑動(dòng)面AD上的靜水壓力;QA—作用于滑體重心上的水平力,如地震力等;θ—滑動(dòng)面傾角;L—滑動(dòng)面的長(zhǎng)度;γW—裂隙水容重;ZW—裂隙水柱高度;Z—張裂隙深度;H—邊坡高度。
如式(6)~式(9)所示:在相關(guān)后的每路信號(hào)中包括一次諧波或二次諧波的倍頻分量,以及一次諧波和二次諧波的和頻和差頻分量等高頻信號(hào),以及經(jīng)過(guò)甲烷氣體吸收相位移動(dòng)引起的低頻信號(hào)[7],將上述4路信號(hào)通過(guò)低通濾波器濾除高頻分量后,則只剩下對(duì)應(yīng)諧波的同相和正交低頻分量,以及部分低頻噪聲[8],可表示為下式:
(2)楔形體滑動(dòng)
當(dāng)兩組結(jié)構(gòu)面的傾向相反,其與邊坡臨空面及坡頂面切割形成獨(dú)立的楔形體,當(dāng)兩組結(jié)構(gòu)面組合交線(xiàn)的傾向與邊坡面的傾向基本一致,且組合交線(xiàn)的傾角小于邊坡傾角但大于其內(nèi)摩擦角時(shí),容易發(fā)生楔形塊體滑動(dòng)。如圖4所示,采用極限平衡法計(jì)算時(shí),假定在滑動(dòng)期間楔形塊體與兩個(gè)結(jié)構(gòu)面均保持接觸;假定沒(méi)有傾倒破壞或旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)發(fā)生;滑體沿兩滑動(dòng)面的交線(xiàn)下滑,且滑動(dòng)交線(xiàn)出露在坡面上。根據(jù)靜力平衡原理,首先將滑體自重W分解為垂直交線(xiàn)BD的分量N和平行交線(xiàn)的分量(即滑動(dòng)力Wsinα),然后將N投影到兩個(gè)滑動(dòng)面的法線(xiàn)方向,求得作用于滑動(dòng)面上的法向力NA和NB:
圖4 楔形體滑動(dòng)計(jì)算模型
(5)
(6)
則楔形體的穩(wěn)定系數(shù)為:
(7)
式中:NA、NB分別為結(jié)構(gòu)面A、B的法向壓力;cA、cB分別為結(jié)構(gòu)面A、B的粘聚力;φA、φB分別為結(jié)構(gòu)面A、B的內(nèi)摩擦角;SA、SB分別為結(jié)構(gòu)面A、B的面積;θA、θB分別為組合交線(xiàn)的法線(xiàn)與結(jié)構(gòu)面A、B法線(xiàn)的夾角;W為楔形滑體重量;α為組合交線(xiàn)的傾角;UA、UB分別為結(jié)構(gòu)面A、B上的孔隙水壓力。
2.2.1 邊坡總體特征
某建筑邊坡為巖質(zhì)順向坡,坡腳到坡頂征地紅線(xiàn)范圍內(nèi)的人工邊坡坡高最高為56 m,邊坡長(zhǎng)122 m,邊坡總體走向?yàn)槟媳毕?邊坡立面呈弧形狀展布。在坡腳平坦地區(qū)擬建三棟29層住房,坡腳距離建筑邊軸線(xiàn)為3~8 m,邊坡安全等級(jí)為一級(jí)。擬建建筑設(shè)計(jì)±0.00標(biāo)高為1200.00 m,邊坡后緣為一山體,最高點(diǎn)高程1318.60 m。邊坡表層節(jié)理裂隙發(fā)育,形成大量楔形塊體。圖5所示為研究區(qū)總平面圖,圖中反映了基本地質(zhì)信息,邊坡坡頂范圍和總體布局,邊坡與建筑物的相對(duì)應(yīng)關(guān)系等,其中巖體為白云巖,其強(qiáng)風(fēng)化白云巖厚度為2~3.5 m。
圖5 研究區(qū)平面圖
2.2.2 邊坡失穩(wěn)模式分析
現(xiàn)狀邊坡總體特征為巖質(zhì)順向坡,坡面方向?yàn)?56°,總體坡角65°,巖層產(chǎn)狀為245°∠36°。原始邊坡在自然狀態(tài)下穩(wěn)定性比較良好,坡面植被較發(fā)育,由于開(kāi)采石材,山體被開(kāi)挖臨空形成高陡邊坡,在爆破動(dòng)力、降雨及建筑施工對(duì)坡腳的開(kāi)挖等因素下,致使邊坡坡體產(chǎn)生了局部的失穩(wěn)破壞。對(duì)于邊坡整體穩(wěn)定性而言,起著主導(dǎo)因素的還是巖層面,邊坡的潛在滑動(dòng)面是巖層面,巖層傾向與邊坡傾向夾角為11°,基本為順傾向,且?guī)r層傾角小于邊坡坡角,因此,邊坡可能會(huì)發(fā)生沿巖層面順向滑動(dòng)的平面破壞。而對(duì)于局部,由于風(fēng)化及卸荷作用,邊坡表部主要發(fā)育有兩組節(jié)理,即:①207°∠56°,②316°∠52°,這兩組節(jié)理切割形成楔形體,并且兩組結(jié)構(gòu)面的交線(xiàn)傾向坡外,交線(xiàn)傾角小于邊坡角,將構(gòu)成外傾的楔形體,所以會(huì)發(fā)生楔形塊體局部失穩(wěn)破壞。
2.2.3 極射赤平投影分析
將邊坡內(nèi)主要的結(jié)構(gòu)面及巖層面的空間關(guān)系經(jīng)過(guò)赤平投影法反映在赤平面上,得到如圖6所示的赤平極射投影圖。圖中反映了巖層面245°∠36°、節(jié)理面J1:207°∠56°,J2:316°∠52°與邊坡面PM:256°∠65°的空間組合關(guān)系。經(jīng)過(guò)赤平投影分析,巖層面與坡面成小角度相交,且層面傾角小于坡角,則邊坡會(huì)發(fā)生沿層面的順向滑動(dòng),造成邊坡整體不穩(wěn)定,危害性極大。另外,巖層面被節(jié)理J2切割形成外傾楔形體,則可能發(fā)生楔形體破壞。邊坡內(nèi)主要的兩組結(jié)構(gòu)面相交形成外傾楔形體,即J1、J2切割構(gòu)成外傾楔形體,交線(xiàn)傾角小于邊坡坡角,這些部位將構(gòu)成邊坡的危巖體,局部不穩(wěn)定造成崩落掉塊,造成建筑和人身安全。
圖6 結(jié)構(gòu)面赤平極射投影圖
2.2.4 邊坡沿結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)破壞模式
根據(jù)赤平投影分析,該邊坡為巖質(zhì)順向坡,巖層面傾角小于邊坡坡角,邊坡整體容易發(fā)生順層滑動(dòng),邊坡在開(kāi)挖過(guò)程中形成的人工邊坡可能存在的破壞模式為平面直線(xiàn)滑動(dòng),故邊坡的整體穩(wěn)定性計(jì)算按平面直線(xiàn)滑動(dòng)破壞模式進(jìn)行。由于貴陽(yáng)地區(qū)地震基本烈度小于Ⅵ度,勘測(cè)中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)后緣拉裂縫,所以應(yīng)用公式(8)進(jìn)行邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算時(shí),不考慮地震力及后緣拉裂縫和地下水的作用,公式(4)簡(jiǎn)化為:
(8)
同時(shí),由于暴雨情況的影響,計(jì)算中要考慮雨水的作用,將暴雨簡(jiǎn)化為巖層面的物理力學(xué)性質(zhì)的變化,特別是抗剪強(qiáng)度參數(shù)c、φ的降低,帶入滑體及結(jié)構(gòu)面相關(guān)參數(shù)即可求得邊坡的穩(wěn)定系數(shù),計(jì)算結(jié)果如表2所示。
表2 邊坡平面滑動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算
2.2.5 邊坡三維楔形塊體局部失穩(wěn)模式
圖7所示為邊坡表層局部危巖體的發(fā)育情況,節(jié)理的組合將巖體切割成楔形塊體,部分節(jié)理面充填黃褐色泥質(zhì)薄膜,在邊坡暴露條件下,楔形巖體滑動(dòng)掉塊。楔形體破壞是節(jié)理巖質(zhì)邊坡中一種重要的結(jié)構(gòu)破壞形式,在實(shí)際巖質(zhì)邊坡工程中十分常見(jiàn)[8]。邊坡巖體中存在大量的結(jié)構(gòu)面,在豐富的實(shí)測(cè)資料基礎(chǔ)上,對(duì)各種結(jié)構(gòu)面進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì),分析其與邊坡面的組合關(guān)系,找出優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行重點(diǎn)分析,對(duì)于可能形成楔形體的結(jié)構(gòu)面提出必要的計(jì)算參數(shù)。關(guān)于結(jié)構(gòu)面組合的潛在破壞模式,通過(guò)極射赤平投影分析可找出其關(guān)鍵組合塊體。
圖7 楔形危巖體
如2.2.3節(jié)中采用赤平極射投影法對(duì)邊坡結(jié)構(gòu)面不同組合情況下形成的楔形體進(jìn)行了定性分析,本節(jié)利用理正巖土計(jì)算軟件中巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析的三維楔形體分析方法對(duì)結(jié)構(gòu)面不同組合情況下三維楔形體的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析,最終選出兩組主要結(jié)構(gòu)面的最不利組合。
根據(jù)實(shí)測(cè)節(jié)理1、節(jié)理2構(gòu)成的楔形體各個(gè)要素,采用極限平衡法公式(5)、公式(6)、公式(7)進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算,計(jì)算過(guò)程及結(jié)果如表3所示。
表3 三維楔形體穩(wěn)定性計(jì)算
在楔形體滑動(dòng)的計(jì)算中,節(jié)理面參數(shù)c、φ按照暴雨情況下進(jìn)行取值,根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知楔形塊體剩余下滑力為1600 kN,穩(wěn)定性系數(shù)為0.951<1,楔形體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中,已經(jīng)有局部塊體發(fā)生滑動(dòng),特別是在下雨的情況下,局部塊體滑動(dòng)的可能性很大,因此,建議采用篷布蓋住坡面以防雨水沖刷與浸透,同時(shí)應(yīng)及早對(duì)邊坡上這些楔形危巖體進(jìn)行治理,以確保安全。
巖質(zhì)高邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與治理方案的研究具有重要的理論和實(shí)踐指導(dǎo)意義,能為邊坡工程的治理提供安全、經(jīng)濟(jì)、美觀(guān)的技術(shù)依據(jù)。影響邊坡穩(wěn)定性的因素是多方面的,例如邊坡形態(tài)、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖體結(jié)構(gòu)、地下水、卸荷效應(yīng)、各種地質(zhì)營(yíng)力、風(fēng)化作用和工程活動(dòng)等諸多條件,邊坡穩(wěn)定性分析宜綜合分析,抓住重點(diǎn)。正確分析邊坡的變形破壞方式與力學(xué)機(jī)制是穩(wěn)定性合理評(píng)價(jià)的前提與關(guān)鍵。在現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查與勘察的基礎(chǔ)上,采用定性分析法、極限平衡法等對(duì)邊坡的穩(wěn)定性做出評(píng)判。通過(guò)對(duì)某建筑高邊坡變形破壞類(lèi)型及失穩(wěn)力學(xué)機(jī)制分析,從赤平投影定性分析到極限平衡法分析邊坡滑動(dòng)破壞模式及其穩(wěn)定性,得出該邊坡主要是順層面的直線(xiàn)滑動(dòng)及沿結(jié)構(gòu)面組合形成的楔形體滑動(dòng)破壞,其中直線(xiàn)滑動(dòng)整體欠穩(wěn)定,局部楔形體滑動(dòng)不穩(wěn)定,需要加強(qiáng)邊坡支護(hù)治理措施。