廣東丘陵地區(qū)某巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析及破壞機理研究

摘" 要：以廣東丘陵地區(qū)某巖質(zhì)邊坡為例，采用定性和定量分析方法進行邊坡穩(wěn)定性分析及破壞機理研究。分析發(fā)現(xiàn)，定量分析中數(shù)值極限分析結(jié)果略高于剛體極限平衡法分析結(jié)果；通過現(xiàn)場采樣，室內(nèi)實驗獲得的土體基本物理力學(xué)參數(shù)普遍偏低，計算所得安全系數(shù)偏低；對邊坡穩(wěn)定性敏感因素c、φ、γs進行分析，總體而言φ值對邊坡穩(wěn)定性的影響較大。通過提高地下水位線的方式模擬暴雨工況，模擬分析結(jié)果偏低，過于保守，對后續(xù)邊坡的防治易造成浪費。采用邁達(dá)斯SoilWorks軟件，對邊坡在暴雨工況下的降雨入滲情況進行分析，其結(jié)果顯示暴雨工況下雨水入滲深度和邊坡孔隙水壓力變化均有限，這與實際情況基本相符。對于遇水易軟化的巖質(zhì)邊坡，降雨因素對邊坡穩(wěn)定性影響較大，當(dāng)降雨強度大于雨水入滲速率，在持續(xù)暴雨條件下，該類巖質(zhì)邊坡易發(fā)生由坡頂破壞引發(fā)的崩塌型破壞。

關(guān)鍵詞：巖質(zhì)邊坡；邊坡穩(wěn)定性；敏感因素；破壞機理；滲流分析

中圖分類號：TU43" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）33-0043-05

Abstract： Taking a rock slope in hilly area of Guangdong as an example， qualitative and quantitative analysis methods are used to analyze the slope stability and study the failure mechanism. The analysis found that the numerical limit analysis results in the quantitative analysis were slightly higher than the rigid body limit equilibrium method analysis results; through on-site sampling， the basic physical and mechanical parameters of soil obtained in indoor experiments were generally low， and the calculated safety factor was low; the sensitivity factors for slope stability were analyzed by analyzing the factors c， φ， and γs; overall， the φ value has a greater impact on slope stability. By increasing the groundwater level line to simulate heavy rain conditions， the simulation analysis results are low， too conservative， and easily cause waste in subsequent slope prevention and control. Midas SoilWorks software was used to analyze the rainfall infiltration of the slope under heavy rain conditions. The results showed that the rainfall infiltration depth and slope pore water pressure changes under heavy rain conditions are limited， which is basically consistent with the actual situation. For rock slopes that are easy to soften when exposed to water， rainfall factors have a great impact on slope stability. When the rainfall intensity is greater than the rainwater infiltration rate， under continuous heavy rain conditions， this kind of rock slopes are prone to collapse caused by slope top failure.

Keywords： rock slope; slope stability; sensitive factor; failure mechanism; seepage analysis

地質(zhì)災(zāi)害因區(qū)域氣象條件、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造及坡體植被覆蓋程度、人類工程活動特點、地層巖性、巖土結(jié)構(gòu)等存在區(qū)域性差異，開展區(qū)域性質(zhì)的地質(zhì)災(zāi)害防治研究對于全面、系統(tǒng)掌握地質(zhì)災(zāi)害隱患，及時采取合理有效的防范措施具有重要意義。本文以廣東丘陵地區(qū)某破碎巖質(zhì)邊坡為例，采用不同的分析方法對破碎巖質(zhì)邊坡進行穩(wěn)定性分析和破壞機理研究，研究成果對進一步開展廣東丘陵地區(qū)邊坡防治研究工作具有重要意義。

1" 工程概況

項目所在山體位于廣東丘陵地區(qū)某市市中心，整山平面面積約31 400 m2，外圍周長約1 km。山頂被開發(fā)建成了文化體育公園，山腳四周被削坡建造了民房、學(xué)校和工廠，原始山體地形地貌受到破壞，四周形成高度2～24 m的邊坡，先后有10處發(fā)生崩塌型地質(zhì)災(zāi)害，已治理1處，目前有9處需要治理，治理范圍總長約577 m。邊坡按走向位置、高度，劃分為6段進行設(shè)計治理。KLM段為其中較復(fù)雜的一段，邊坡高陡且坡腳距居民建筑物很近，坡腳居民活動頻繁。該段邊坡潛在崩塌、滑坡的發(fā)育程度中等～強，潛在危害程度大，為本次分析研究段邊坡。

2" 邊坡坡體基本特征

KLM段邊坡長約90 m，坡高10～24 m，坡度較陡，坡角50～66°，局部達(dá)80°。邊坡總體走向北偏西，總坡向55°，坡面多呈直線型。坡體主要由強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖組成，坡腳距建筑物1.0～3.0 m不等?？辈槠陂g，該段邊坡鉆探深度30.2 m范圍未見地下水（孔口高程31.21 m，坡腳地面高程8.84 m）。根據(jù)其他區(qū)段鉆孔資料，穩(wěn)定水位埋深介于坡腳地面以下2.9～5.5 m。該段邊坡巖層產(chǎn)狀180°∠20°，發(fā)育4組不同的構(gòu)造節(jié)理裂隙，節(jié)理特征見表1。

3" 邊坡穩(wěn)定性分析及破壞機理研究

3.1" 定性分析

工程上常采用的邊坡穩(wěn)定性分析方法包括定性分析法和定量分析法。本次采用赤平投影法對KLM坡段進行平面破壞、楔體破壞和傾倒破壞的定性分析，結(jié)構(gòu)面赤平投影采用吳氏網(wǎng)等角度下半球投影。分析建模采用的地質(zhì)剖面如圖1所示，赤平投影分析結(jié)果如圖2所示。

從赤平投影分析圖（圖2）可見，KLM坡段存在不利于邊坡穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)面，當(dāng)坡角達(dá)到70°時，邊坡沿節(jié)理面2與3交割線發(fā)生楔體破壞的可能性大，邊坡不穩(wěn)定；當(dāng)坡角達(dá)到80°時，邊坡沿節(jié)理面2與3交割線、3與4交割線發(fā)生楔體破壞的可能性大，邊坡不穩(wěn)定。此外，由圖2可知KLM坡段發(fā)生平面破壞和傾倒破壞的可能性不大。平面破壞和傾倒破壞的分析結(jié)果與實際邊坡的破壞形式有誤差，分析原因主要是赤平投影分析未考慮巖體風(fēng)化、破碎程度及外界影響因素，如降雨、地震等的影響。

3.2" 定量分析

對該段邊坡的定量穩(wěn)定性分析，采用邁達(dá)斯SoilWorks軟件和理正邊坡綜合治理軟件進行模擬分析，計算模型根據(jù)實測地形、鉆探揭露和野外實地調(diào)查進行坡面控制和巖土體層位推斷，地下水采用鉆孔揭露水位結(jié)合地形推斷。計算工況：自然工況I，邊坡處于天然狀態(tài)下的工況；暴雨工況II，邊坡處于暴雨或連續(xù)降雨狀態(tài)下的工況（按土體飽和狀態(tài)分析）。采用的巖土層物理力學(xué)計算參數(shù)見表2。自然工況下的分析結(jié)果如圖3所示。

從分析結(jié)果和實際邊坡穩(wěn)定性情況來看，自然工況下邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，而采用實驗數(shù)據(jù)進行邊坡穩(wěn)定性模擬分析，分析結(jié)果均顯示邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，由此可見實驗數(shù)據(jù)明顯偏低。分析原因：一是尺寸效應(yīng)問題，二是取樣、實驗方法問題。例如，巖土體抗剪參數(shù)在室內(nèi)實驗過程中受剪面積有限，忽略了巖土體的整體性，實驗數(shù)據(jù)往往偏低。此外，從分析結(jié)果還可以看出數(shù)值極限分析方法（SRM）分析結(jié)果略高于剛體極限平衡法（簡化Bishop法）分析結(jié)果。

此外，為研究各參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果的影響程度，對邊坡穩(wěn)定性敏感因素進行分析，分析范圍c=20.3～38.3 kPa，φ=14.7～32.7°，γs=18.5～23.0 kN/m3。敏感系數(shù)計算基準(zhǔn)值：c=28.3 kPa，φ=16.7°，γs=19.0 kN/m3，分析結(jié)果見表3—表5。

由上述敏感因素分析結(jié)果來看，c值敏感系數(shù)約為31.7%，φ值敏感系數(shù)約為58.1%，γs值敏感系數(shù)約為11.1%，總體而言φ值對邊坡穩(wěn)定性的影響較大。

上面對自然工況下邊坡的穩(wěn)定情況進行了分析，對于暴雨工況，工程上常用的簡單模擬方式是通過直接提高地下水位實現(xiàn)。對于受地下水位影響較大的邊坡，這種方式分析得到的邊坡穩(wěn)定性結(jié)果比較接近實際，但對于地下水位基本維持在坡腳標(biāo)高以下的邊坡，通過提高地下水位模擬暴雨工況與實際情況有較大差異。為進一步分析地下水位對邊坡穩(wěn)定性的影響，筆者采用理正巖土邊坡穩(wěn)定分析系統(tǒng)，通過設(shè)置不同的地下水位方式進行暴雨工況模擬分析，參數(shù)采用2號力學(xué)參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)情況通過軟件分析確定最危險滑動面，分析結(jié)果如圖4所示。

從圖4的分析結(jié)果可以看出，隨著地下水位的不斷上升，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)在不斷降低，邊坡失穩(wěn)的概率大大增加。由此可見地下水位的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他因素的影響。而實際上，從收集到的鉆孔資料來看，山體邊坡穩(wěn)定水位一般低于坡腳標(biāo)高。在邊坡經(jīng)歷過多次臺風(fēng)、暴雨天氣后，邊坡局部發(fā)生了崩塌型邊坡失穩(wěn)，而沒有如理論分析那樣發(fā)生深層滑坡破壞。由此可見，通過提高地下水位方式模擬暴雨工況所得的安全系數(shù)偏低。

為進一步分析暴雨對邊坡穩(wěn)定性的影響，筆者采用邁達(dá)斯SoilWorks軟件中的滲流模塊和邊坡穩(wěn)定性分析模塊對邊坡在暴雨工況下的降雨入滲情況和邊坡穩(wěn)定性情況進行分析，結(jié)果如圖5—圖7所示。

在模擬暴雨工況對邊坡穩(wěn)定性的影響時，筆者按項目當(dāng)?shù)貧v年來的最大降雨強度155.9 mm/d進行模擬，土體的非飽和滲流特性采用V-G模型。從圖5、圖6可以看出，極端強降雨條件下雨水入滲深度和邊坡孔隙水壓力變化均有限，這與實際情況基本相符，也與一些學(xué)者[1-10]對其他地區(qū)邊坡降雨入滲的研究結(jié)論相似。對比自然工況下邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果（圖3）與暴雨工況下邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果（圖7）可以看出，暴雨工況下邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果降低，但降低幅度不大。

此外，通過對暴雨工況的模擬分析，可以看出隨著雨水的入滲，邊坡淺部土體重度在逐漸增加，土體逐漸從不飽和變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)，這使得邊坡的下滑力增大，類似于增加了額外荷載，降低了邊坡淺部穩(wěn)定性。從邊坡的巖土體特性分析，泥質(zhì)粉砂巖具有遇水易軟化的特點，這是廣東丘陵地區(qū)許多邊坡巖土體具有的一個特性，現(xiàn)場崩塌下來的巖塊手捏即碎。所以隨著降雨的持續(xù)進行，邊坡淺部巖土體基質(zhì)吸力消失，抗剪強度降低[4]，邊坡穩(wěn)定性降低。從土體的非飽和滲流特性來看，雨水入滲深度有限，當(dāng)降雨強度大于雨水入滲速率，在持續(xù)暴雨條件下，坡頂會產(chǎn)生大量積水，坡頂荷載增加，坡面徑流增大，邊坡沖刷現(xiàn)象明顯，在持續(xù)暴雨條件下，對于土質(zhì)邊坡易造成坡面嚴(yán)重沖溝的結(jié)果[1]，對于泥質(zhì)粉砂巖這類遇水易軟化的巖質(zhì)邊坡則容易造成由坡頂破壞引發(fā)的崩塌型破壞。

4" 結(jié)論

依托廣東丘陵地區(qū)某巖質(zhì)邊坡項目，從定性、定量分析的角度分析討論了邊坡的穩(wěn)定性及破壞機理。分析探討結(jié)果表明如下。

1）對于巖質(zhì)邊坡，可以采用赤平投影法對邊坡沿節(jié)理面或節(jié)理交割線發(fā)生平面破壞、楔體破壞和傾倒破壞的可能性進行分析，初步判斷邊坡的穩(wěn)定性情況。但因為在分析過程中未考慮巖體風(fēng)化、破碎程度及外界影響因素等，往往結(jié)果與實際存在一定誤差。

2）在對邊坡穩(wěn)定性進行定量分析時，采用試驗數(shù)據(jù)、工程經(jīng)驗數(shù)據(jù)和軟件數(shù)據(jù)庫提供的參考數(shù)據(jù)，分別采用2種方法開展分析研究，發(fā)現(xiàn)數(shù)值極限分析結(jié)果略高于剛體極限平衡法分析結(jié)果。此外，對坡率相同的同一邊坡，對邊坡穩(wěn)定性敏感因素c、φ、γs進行分析，總體而言φ值對邊坡穩(wěn)定性的影響較大。

3）邊坡穩(wěn)定性定量分析中，對暴雨工況的簡單模擬通常采用提高地下水位線的方式，該方式對于地下水位通常低于坡腳標(biāo)高的山體邊坡而言，分析結(jié)果往往偏低，過于保守，對后續(xù)邊坡的防治設(shè)計、施工治理可能會造成一些浪費。

4）從土體的非飽和滲流特性來看，雨水入滲深度有限，當(dāng)降雨強度大于雨水入滲速率，在持續(xù)暴雨條件下，對于土質(zhì)邊坡易造成坡面嚴(yán)重沖溝的結(jié)果，對于風(fēng)化巖質(zhì)邊坡則容易造成由坡頂破壞引發(fā)的崩塌型破壞。這也說明了為什么在采用定量法分析邊坡穩(wěn)定性時，分析結(jié)果中均顯示坡腳塑性變形最大，是最容易破壞的地方，但實際上由坡頂破壞引發(fā)的崩塌型邊坡失穩(wěn)要先于由坡腳破壞引發(fā)的深層滑坡。

5）對于遇水易軟化的巖質(zhì)邊坡，降雨因素對邊坡穩(wěn)定性影響較大，除此以外，影響邊坡穩(wěn)定性的因素還包括地形地貌、地層巖性、巖土結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、坡體植被覆蓋程度及人類工程活動特點等。

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