浅析山地建筑物边坡稳定性分析方法及研究
2015-02-01刘家军
刘 家 军
(云南大姚县住房与城乡建设局，云南 大姚 675003)
浅析山地建筑物边坡稳定性分析方法及研究
刘 家 军
(云南大姚县住房与城乡建设局，云南 大姚675003)
摘要：以坡地建筑物边坡变形破坏机理为切入点，探讨了坡地建筑物边坡稳定性分析方法和内容以及影响因素，并进一步探讨了边坡变形的破坏模式以及判定准则，结合工程处理案例，按照所探讨的边坡稳定性分析方法、变形破坏模式、变形破坏判据等得出某坡地建筑物的边坡是以平面滑动及楔形体滑动的破坏模式为主，并根据边坡稳定性分析结果，提出了山地建筑物设计应当注意的事项。
关键词：坡地边坡;稳定性分析;破坏模式及判据;处理措施
1概述
云贵高原耕地少，山地多，近年来，云南省委、省政府提出了“城镇上山、工业上山”战略规划以充分利用山坡地建筑房屋，一方面可少占耕地，保护基本农田，充分利用土地资源，同时，山地又较其他地区地质条件要好，多层建筑采用天然地基浅基础，浅层承载力一般均能满足要求，可适当降低造价。但由于山地地质条件较为复杂，在这种复杂场地上建造房屋除了针对房屋结构设计、地基处理、山地场地稳定性等需要综合考虑外，还需要重点考虑山坡场地边坡的稳定性问题。山地边坡失稳将对工程建设、工程运行和社会影响产生严重的后果。国内外边坡发生破坏性事故的情况也较为频繁，因此，对山地边坡进行稳定性分析是山地房屋建筑面临的一个重大工程技术问题。笔者根据多年从事工程施工和工程建设的实践，总结归纳了几种传统的边坡稳定性分析方法，结合工程案例，采用传统的边坡稳定性分析方法对某山地房屋边坡稳定性进行了比较分析。
2边坡变形破坏的机理
边坡变形破坏的机理就是研究在特定的工程地质条件下，边坡从开始变形到破坏全过程所产生的一系列力学的、物理的和化学的变化，它揭示的是边坡变形破坏的内在规律，从而可以对边坡稳定性的现状及发展趋势作出正确的评价并建立符合实际的数学模型。
2.1边坡变形破坏机理研究的内容和方法
目前，对该机理的研究主要是围绕潜在失稳分离面的形成和发展变形破坏的力学过程来进行，其主要内容包括边坡岩体变形的地质模式、力学作用过程及判断、影响边坡稳定性的各种因素的定量分析等。
(1)山地边坡岩体变形的地质模式。
由于工程建设的不断发展，边坡变形和破坏的实例越来越多，从而使对其进行归纳分析、建立相应的地质模式成为可能。山地边坡变形的地质模式主要包括工程地质岩组特征、岩体结构特征、岩体应力条件、水文地质条件、边坡破坏形态及变形破坏的力学原理和时间效应等。
(2)力学作用原理及判据。
山地边坡以变形表明其发展，以失稳破坏宣告其消亡形成新的边坡，从统计物理学角度出发，变形长期积累的量变过程是一个线性过程，质变是一个非线性非稳定态过程，深刻揭示该过程并抓住该过程变化的临界点，就可以对山地边坡的失稳作出正确预报。山地边坡的破坏需要较长时间的演变过程，在这一过程包含着复杂的岩体力学作用机理，是应力状态和岩体强度之间矛盾发展的结果。
(3)影响山地边坡稳定性的因素。
山地边坡的变形和破坏是受其内在的一些基本因素和外界的一些诱发因素制约的，因此，深入研究这些因素作用于山地边坡的机理，就可以准确地预报山地边坡的变形发展。
2.2边坡岩体的破坏机制及判据
岩体的破坏机制是指破坏的力学过程，破坏判据是破坏时应力应变条件的表达式，亦称破坏准则。由于岩体本身性质的差异和受力条件不同，一般有脆性破坏和延性破坏两种形式，其破坏机制归纳为张破裂、剪破裂及塑性流动等三种类型。
(1)张破裂破坏机制的判定准则：①最大正应变理论。大量的试验资料表明，在无围压和低围压条件下，轴向压力作用下张破裂面大多与σ1作用的方向平行，可根据广义的胡克原理推导出产生张破裂的岩石应力判据；②裂纹扩展准则。试验研究认为：岩体介质内部存在着随机分布的裂纹，当荷载达到一定值时将会在最利于破裂的裂纹端部产生应力集中现象而使裂纹扩展，因此，可根据应力在裂纹周边产生切向应力和径向应力导出裂纹端部开始破裂的条件。
(2)剪破裂破坏机制的判定准则：岩石剪破裂的判据一般采用熟知的库仑-莫尔准则。
(3)塑性流动破坏机制的判定准则：对于塑性流动，可以根据压应力的剪切效应进行判定。
3山地边坡变形破坏形式、影响因素及稳定性分析方法
3.1变形破坏形式
在开挖过程中，由于山地边坡岩体的原始平衡状态遭到破坏，边坡应力将重新分布以求达到新的平衡。在新的应力条件下，坡体可能发生局部或整体性的变形和破坏。当边坡岩体中出现外界贯通的破坏面而使被分割的岩体以一定的加速度脱离母体时，称为山地边坡岩体的破坏。其变形和破坏的形式主要有以下几种类型。
(1)蠕动：在上部岩体的重力作用下，使表部岩层发生长期缓慢地变形及松动现象，其以岩块间的剪切位移及岩块的歪斜扭转为主要特征；
(2)滑坡：又分为均质滑坡、顺层滑坡及切层滑坡；
(3)崩坍：崩坍多发生在由坚硬岩层组成的高陡山地边坡地段，其特征是由多组软弱面切割的岩体沿山地边坡倾倒翻滚坠落到坡脚，除地质因素影响以外，风化和水的作用以及爆破开挖等均对崩坍的产生和发展有直接的影响；
(4)倾倒：边坡岩块受几何形状、产状、裂隙水以及结构应力变化的影响，以某一点(或棱线)为转动轴心绕其向外侧临空面转动的现象称为倾倒。初始阶段，岩块以角位移(转动)为其主要变形形式，继而使边坡岩体松动、架空，可视其为大规模滑动的前兆；
(5)坍塌：是一种在边坡较陡、发生自上而下、由外向内逐层坍落破坏的现象。其破坏面很不规则，大多参差不齐，主要受裂隙切割面的控制；
(6)坍滑：兼有滑坡与坍塌两种特征，有一定的滑动面，但岩体又不是整体滑动。
3.2影响因素
边坡稳定的影响因素有内在因素(地质因素)和外在因素，其中内在因素是基本因素。
3.3坡地建筑物边坡稳定性分析方法
边坡稳定性分析的目的是要正确得出边坡稳定状况的结论，为制定开挖安全措施提供依据。基本、简便、实用的分析方法主要有自然历史法、力学分析法、工程类比法。当然，还有许多其他的分析方法，如应力应变分析法、模型试验法、随机评价法、系统工程分析法等。笔者在文中采用的分析方法是前三种简便的分析方法，将三种方法互相验证、互相补充，经过综合分析后确定移民搬迁安置点边坡的稳定性。
(1)自然历史分析法：它是其他分析方法的基础，为力学计算方法决定边界条件和选择参数，为工程地质类比法提供比拟依据。分析时，根据工程地质及水文地质条件，研究坡体的岩体结构特征和变形破坏迹象并进一步联系边坡的自然环境和历史条件的发展变化，查明促使边坡稳定性发生变化的主导因素，得出定性的结论。
(2)力学分析法：力学分析法是一种广泛适用的方法，它可以得出稳定性的定量评价，其可靠性取决于计算参数和边界条件、软弱面抗剪指标选择，因此，力学分析法必须以正确的地质分析为基础，其又分为以下两种：
①力学计算法：主要利用抗滑力与下滑力之比来判断边坡的稳定性，即K=抗滑力/下滑力，式中，K为稳定系数。当K=1时,边坡处于临界状态(极限平衡状态)；K>1时，边坡稳定；K<1时，边坡不稳定。
②赤平极射投影法：即赤平投影法。该方法是边坡稳定分析中常用的图解法之一，常用吴尔弗投影网作为投影工具。利用该方法进行斜坡稳定性分析时，常需应用力学计算法予以验证。赤平投影法的特点是能以二维平面图形表示物体几何要素的空间方位，并能方便求得它们之间夹角与组合的关系。为了对滑动体形态和几何尺寸等作出明确解答，常将赤平投影、垂直投影和比例投影方法结合运用。
(3)工程地质类比法：工程地质类比法是应用自然历史分析法认识和了解各种斜坡的工程地质因素，把已有的天然斜坡或人工边坡的研究成果或经验应用到条件相似的斜坡的研究分析中去。进行类比时，应使类比条件尽可能相似。
4工程案例分析
某坡地房屋建筑物最大高度约20 m,长约150 m,底宽约20 m,边坡坡角约77°，轴线方向为N40.5°～65.5°E。岩性为千枚岩、花岗片麻岩,风化强烈,局部胶结较差,节理裂隙较发育，覆盖层较厚，由残积土、坡积层组成，强风化厚度约为4.5 m,经过对结构面组合进行稳定性分析得知,边坡稳定受结构面控制,表现为块体组合局部失稳。
4.1山地边坡部位主要发育有三组节理裂隙
(1)平均走向N54°W，倾向SW，倾角40°，主要为片状节理；
(2)平均走向N77°E，倾向NW或SE，倾角80°；
(3)平均走向N9°W，倾向NE，倾角76°。
4.2基础地质参数
山地边坡基础地质参数：岩石比重：γ=2.6 t/m3；节理内摩擦角：φ=65°；节理内聚力(粘结强度)：C=0；地震加速度：α=0.25 g。
4.3山地边坡轴线与三组主要节理之间的关系
从工程建设地质方面考虑，边坡稳定条件主要取决于软弱面的临界倾角和软弱面间内摩擦角的大小，以及节理裂隙的产状与边坡轴线、边坡的相互关系。软弱面是产生大量塌方或顺层滑坡的主要因素。
(1)边坡轴线与三组主要节理走向夹角的关系见表1。
表1 轴线与节理走向关系表
注:①a为节理倾角；δ为节理走向与边坡轴线的交角；ak为临界倾角(指在一定条件下不会引起滑动的最大倾角)；②稳定性判断:若ak
(2)三组节理的倾角与节理内摩擦角的关系见表2。
表2 倾角与节理内摩擦角关系表
4.4稳定系数
根据公式F=防止滑坡的总力/引起滑坡的总力计算,在勘测设计报告的稳定性分析中,结论是以楔形块滑动破坏方式为主,不计地震力时,边坡稳定系数F=3.5；计入地震力时(α=0.25 g)，其边坡稳定系数F=1.7。因此，在选择上述基础地质参数、边界条件、软弱面抗剪指标等条件下，山地两侧边坡的稳定安全系数是足够的。
在不考虑地震加速度及三组主要节理相互组合的情况下，山地边坡三组单一结构面的岩质边坡力学计算公式为：
F=抗滑力/下滑力=(Gcosatgφ+cl)/Gsina
=(tgφ/tga)+(cl/Gsina)
由于c=0，则公式简化为：F= tgφ/tga
式中G为滑动体重量；a为滑动面倾角；l为滑动面长度；c为滑动面上的内摩擦角与内聚力。
表3 单一结构面F计算表
注：F=1时,极限平衡状态；F>1，边坡稳定；F<1时，边坡不稳定。
4.5破坏模式及滑动方向的判断
(1)破坏模式的判断。
①某一地质不连续面的走向与坡面的走向交角小于22.5°且倾角小于坡面倾角时会产生单滑面破坏模式；
②Makland试验准则:如果两条地质不连续面的交线倾角小于在该相交线方向上的坡面倾角时,则会发生楔型块滑动破坏模式。但如果两个地质不连续面中的任何一个的倾角在坡面倾角和相交线倾角之间,则会在两地质不连续面中倾角较大的一个发生平面滑动破坏模式。据此,根据三组节理面相互组合沿软弱面的滑动方向的赤平投影图可作出如下破坏模式的判断：
平面滑动破坏模式为：坡地建筑物边坡的破坏为平面滑动破坏模式，滑裂面为C组节理面；B组节理与坡面走向(N65.5°E)交角小于22.5°时,节理倾角接近坡面倾角,因此,两边墙还存在潜在的平面滑动破坏模式,滑裂面为B组节理面。
楔型块滑动破坏模式为:由A、B组节理组成的楔型滑动块破坏模式，以及由B、C 组节理组成的楔型滑动块破坏模式。
(2)滑动方向的判断。
在赤平投影中，按软弱面的产状标出它们的倾向线及软弱面的交线。
①若交线在两倾向线之间，则交线为滑动面；②若交线在两倾向线之外,则当中一条倾向线为滑动方向；③若交线与一根倾向线重合,则该倾向线即为滑动方向。
4.6山地建筑物边坡稳定性分析
从山地边坡稳定性分析看，边坡是不稳定的，边坡破坏的模式主要是以平面滑动破坏模式和楔型滑动破坏模式为主要表现形式。因此，为了确保山地房屋建设的施工安全和工程安全，一定要在边坡稳定性分析的基础上，判明影响边坡稳定的主导因素，对山地边坡变形破坏的形式和原因作出判断，为制订山地边坡抗滑移等工程处理措施提供借鉴和依据。
5结语
在山地边坡上设计并建造房屋建筑时，应注意以下几个问题：
(1)各专业应协调设计，以确定适宜场地实际情况的结构设计；
(2)对于地质条件复杂的山地边坡，应进行稳定性分析及计算，从而为抗滑移处理措施提供依据和安全保障；
(3)在山地边坡上进行多种稳定性分析并相互验证，可使边坡防治和处理的设计更有针对性、有效。
刘家军(1970-)，男，云南大姚人，工程师，从事建筑施工及建设管理工作.
(责任编辑：李燕辉)
收稿日期:2015-01-07
文章编号:1001-2184(2015)03-0077-04
文献标识码:B
中图分类号:TV761；TV765；TU19；[TB16]
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