城市人工岩质边坡稳定性评价:以鞍山市区对炉街崩塌为例

2011-12-06李仁锋娄新刚孙艳荣康志勇

中国矿业 2011年5期

李仁锋,娄新刚,孙艳荣,康志勇

(辽宁省冶金地质勘查局地质勘查研究院,辽宁鞍山114038)

随着近年来经济迅速发展,以建筑为主的人类工程活动造成了大量的高陡边坡,致使原来许多地质灾害中低易发区内,也形成了许多地质灾害隐患。鞍山市地处辽东山地和下辽河平原的过渡地带,市区地貌以平原为主,局部有小丘陵,自然状态下不易发生崩塌、滑坡地质灾害。但是,由于近年来建筑活动开挖形成了多处边坡,2010年汛期,罗马假日小区、碧湖园小区、莘营隧道出口、人事局北静湖边坡、对炉街42号居民楼等多处发生了滑坡、崩塌地质灾害。因此,对边坡的稳定性进行评价,有针对性开展治理工作,成为国土部门的重要任务。

对炉街42号居民楼位于鞍山市区中部,因当地对炉山而得名。主要为居民区,建筑密集,地形起伏较大,多处形成陡坡,坡体最大高差为12.21m,边坡坡度在 60～90°之间。2010年 8月发生了崩塌地质灾害,并造成该楼居民楼西侧山墙表面破损。发生崩塌的坡下及坡顶各有一栋六层居民楼,威胁人数众多,其稳定性问题显得尤为重要。

1 边坡特征

崩塌所在边坡长98m,宽50m,坡向为北东向至南东向,坡高4～18.5 m。边坡主要是由建筑楼房时开挖形成,坡向80～120°,坡面近直立突出状。坡顶上两栋居民楼,坡顶地面起伏较小。坡面上植被发育,以灌木为主。

边坡为岩质边坡,岩性为古元古界辽河群浪子山组石英岩。坡顶及中部平台为新生界第四系覆盖,厚度小于0.5m。属坡积物,岩性为黏土夹砂。

坡面有一条断层通过,从区域地质图上看,应为汤岗子断裂分支。走向230°,产状140°∠62°。断层宽约0.4m,为一压性构造。

坡面节理裂隙发育,初步统计有三组,编号和产状为: ①115°∠76～84°; ②100°∠57°; ③160°∠59°。

发生崩塌处距边坡北缘31m,发生在第一个平台边缘。崩塌体长约12m,宽约2m,高约2m,总体约48m3。边坡坡脚距对炉街 42栋楼西山墙1.5m。边坡坡顶距另一栋居民楼东山墙不足1m。

2 基于极限平衡法的边坡稳定性分析

边坡稳定性分析方法,大致可以分为以下几类:定性分析方法、定量分析方法、非确定性分析方法、物理模拟方法。定量分析法就是在定性分析的基础上,对边坡稳定性进行量化计算,得出稳定安全系数。其基本研究内容是基于力学分析和物理上的合理性要求,求解抗滑稳定的最小安全系数和确定对应于最小安全系数的滑动面的位置。边坡抗滑稳定分析的定量计算方法成果很多,主要有极限平衡法、极限分析法和有限元法。

极限平衡法 (Limit eguilibfium method)是根据作用于岩土体中潜在破坏面上,块体沿破坏面的抗剪力与该块体沿破坏面的剪切力之比,求该块体的稳定性系数。分析岩体和土体稳定性时,假定一破坏面,取破坏面内土体,为脱离体计算出作用于脱离体上的力,即达到静力平衡时所需岩土的抗力或抗剪强度,与破坏面实际所能提供的岩土的抗力或抗剪强度相比较,以求得稳定性安全系数的方法,或根据所给定的安全系数求允许作用外荷载的方法。不考虑地震以及地下水作用时的公式如下:式中:k为安全系数;N为结构面上的正压力(kN);T为结构面上的下滑力(kN);R为平行于结构面方向的抗滑力(kN);W为滑体重力(kN);Ai为第i岩层总面积(m2);N1为重力在垂直于结构面方向的分力(kN);T1为重力在平行于结构面方向的分力(kN);Np为外荷载在垂直于结构面方向的分力(kN);Tp为外荷载在平行于结构面方向的分力(kN);H为边坡的高度(m);α为结构面倾角(°);c为结构面黏聚力(KN/m2);φ为结构面摩擦角(°);γi为第i岩层容重(KN/m3);Px为水平方向外荷载作用(kN);Py为竖直方向外荷载作用(kN)。

根据边坡的实际情况,依据《工程岩体分级标准》(GB50218-94)规范,选取的有关计算参数为:边坡高度10.4m,结构面倾角:60°,结构面黏聚力:170.0kPa,结构面内摩擦角:33°,石英岩容重为27000kN/m3。坡体计算简化图见图1。结构面选取最陡的一组,倾角80°。坡顶六层居民楼,按均匀线性荷截计算,每层按120kPa,六层720kPa。楼长60m,所以单位宽度上的竖向压力为43200kPa。

图1 坡体计算简化图

将上述参数代入公式中,计算得结果为:岩体重量 104039.9kN,结构面上正压力25567.9kN,总下滑力 145003.0kN,总抗滑力17861.5kN,安全系数0.123。坡体不稳定,与发生崩塌的实际情况符合。

3 三维楔形体稳定分析

岩质边坡常被结构面切割成三维楔形体,楔形体破坏的稳定性通常是采用平移滑动破坏计算法进行分析的。这种平移滑动破坏以楔形体的几何形状或受力条件不同,可分为沿两个结构面的组合交线滑动和沿两个结构面中的某一个结构面滑动,而沿另一结构面呈拉断两种情况。对其进行稳定性分析时,计算不同结构面结合下的稳定系数,稳定系数值最小的破坏方式则应是楔形体的最危险破坏方式 (见图2、图3)。

图2 楔形体计算示意图

图3 结构面2、3赤平投影图

其计算公式如下:

式中:Fs为边坡稳定的安全系数;CA为切面A上单位黏结力 (kPa);CB为切面B上单位黏结力(k Pa);φa为切面A的内摩擦角 (度);φb为切面B的内摩擦角 (度);γ为岩体容重 (kN/m3);γw为水容重 (kN/m3);H为楔体的总高度 (m);X,Y,A,B为楔体的几何系数;ψa为平面A的倾角 (°);ψb为平面B的倾角 (°);ψ5为交线5的倾角 (°);θ13为交点 ①与 ③的角距;θ35为交点 ③与⑤的角距;θ24为交点②与④的角距;θ45为交点④与⑤的角距;θ1·nb为交点①与平面B极点的角距;θ2·na为交点 ②与平面 A 极点的角距;θna·nb为平面A与平面B极点的角距。

边坡面产状:120°∠90°,坡顶面产状:140°∠3°。不同结构面两两组合,计算参数同前,计算结果见表1。

从计算结构上看,三维楔形体可能形成在断层和节理面②、节理面②与节理面③两种组合中,其中前者可能性最大。其他的节理面①与节理面②组合上,均可能发生滑动,但不易形成三维楔形体。因此,最有可能形成崩塌灾害的是断层和节理面②这种情况。发生的崩塌体,正是沿着这个面发育形成的,计算结果与实际情况十分符合。

4 治理工作建议

针对本区边坡陡、节理裂隙发育、建筑密集且距边坡距离近的特点,治理设计建议应采用的方法为:①坡脚下设置挡土墙,减少临空面。②坡面上不稳定体或危岩多分布于边坡中上部,采用锚杆固定后,分别通过支撑绳和缝合绳拉伸来对柔性网部分实现预张拉,从而对整个边坡形成连续支撑。在此基础上,对治理后的边坡采用水泥喷面,防止裂隙进一步发展。③对于较平缓的斜坡面采用削坡、客土、种树播草的方法。④坡顶平台采用浆砌石防护,防治地下水渗入。