花岗岩孤石的稳定性评价研究

王 平， 李志波

(深圳市工勘岩土集团有限公司,广东 深圳 518000)

因花岗岩球状风化作用在残积土或全强风化岩体中分布的微风化—中风化似球状坚硬块体通常被称为“孤石”或“风化球”，广泛分布于中国东南沿海花岗岩地区。花岗岩地区有些孤石出露于山区地表，在持续风化剥蚀、人类工程活动等作用的影响下，地表孤石容易产生崩塌等现象，对其下方区域造成危害。

当前关于危岩稳定性的研究较多也较为成熟，廖伟杰等[1]在巴东县链子岩崩塌采用赤平投影、三维优势结构面滑动法及平面滑动极限平衡法进行综合分析；田野[2]根据危岩影响因素及破坏模式进行稳定性分析与趋势预测；杨俭波等[3]对黑岩屋崩塌进行了坠落式破坏分析。孤石的稳定性也有一些学者研究，如杜甫志等[4]关于人工边坡和基坑部位孤石破坏模式的初步探讨；陈洪凯等[5-6]推导出嵌入型危石滑移破坏的稳定性分析公式等。

笔者通过多年花岗岩山区地质灾害调查工作的经验，总结了珠江三角洲地区孤石稳定性影响因素与破坏模式，拟订了花岗岩山区孤石的稳定性定性分析与定量评价的方法，并在实际工作中不断改进和完善，取得了良好的效果。

1 孤石稳定性影响因素与破坏模式

1.1 孤石的形态及分布特征

刘治军等[7]指出花岗岩地区地表孤石通常成群、成线状分布，亦有少数地区为孤立零星分布。笔者认为，花岗岩孤石大多为似球形、椭圆形的次圆状，按成因分为原生孤石和滚石，前者是指孤石位于原地，未产生滚动和大的位移，后者是指曾经失稳已产生了明显移位的孤石。原生孤石通常分布于山脊、沟谷上游或沟头、山顶、山体中上部，通常以单体型式成群、成线状分布，较多个体长轴向上耸立于地表，部分孤石会不同程度嵌入坡残积土或全强风化岩体之中。滚石通常分布于沟谷底部、山体中下部，有叠摞现象，大部分个体长轴贴近地面、呈平躺状态。

1.2 影响孤石稳定性的主要因素

地质体的稳定性分析离不开影响因素的分析与总结。笔者在总结深圳、广州、惠州地区多个工程案例后发现，对花岗岩孤石的稳定性有影响的因素较多，可分为内在因素和外部因素。

1.2.1内在因素

主要有孤石所处的地形地貌、孤石形态特征、孤石结构特征、孤石及下伏土体物质组成等方面。

(1) 孤石所处的地形地貌。地壳抬升区的花岗岩山区侵蚀、剥蚀作用较为发育，其临空条件及基底条件在持续变差，总体上稳定性较差，地壳暂时平稳地区的花岗岩孤石稳定性次之，地壳下降区主要以堆积作用为主，花岗岩孤石分布少且稳定性一般较好。低山、高丘陵和人工边坡的坡度较陡，孤石的立地条件普遍较差，稳定性普遍偏低；中—低台地的地形较缓，孤石立地条件相对较好，稳定性相对较好。

《深圳地质》[8]将花岗岩地表孤石分为石蛋、石锥、石柱、石蘑菇等微地貌类型，同样的立地条件和外部条件下，整体稳定性由差到好大致可按如下排列：石柱→石锥→石蛋崖→石蛋→石墙→石蘑菇、石莲。

(2) 孤石形态特征。孤石的稳定性与其形态特征直接相关，可按临空条件、悬空程度、高径比三个主要指标评价。孤石临空面多、临空面坡度陡时，其稳定性较差，反之稳定性相对较好；孤石底部悬空、形成凹腔时，其锁固段薄弱且长度较短，稳定性较差，反之稳定性相对较好；呈石柱状耸立于地表的孤石，高径比较大，重心较高，易受震动(地震、工程振动)的影响，容易失稳，反之长边贴地、平躺状态的孤石则整体稳定。

(3) 孤石结构特征。分为孤石与坡面的接触形式和孤石内部结构特征两种。

孤石底座与坡面的接触程度较差时，其稳定性较差，反之稳定性相对较好。通常有以下现象时说明其接触条件差：①孤石底座与坡面存在空隙，接触面未胶结，抗剪强度、抗拉强度低；②接触面倾向与坡向近似一致，倾角较陡，易产生滑移。

孤石本身的结构较差时，其稳定性较差，反之稳定性相对较好。通常有以下现象时，说明孤石自身结构较差：①孤石内部存在有张开的裂隙，裂隙贯通率较高，裂隙倾角较陡，可能产生倾倒式破坏，裂隙倾向临空面，可能沿裂面产生滑移式破坏；②孤石本身发育有较为密集的节理、裂隙，节理裂隙部分已张开，岩体较为破碎，容易产生块体崩塌。

1.2.2外部因素

外部因素主要包括降雨、地震、根劈作用、土壤侵蚀、侧向土压力与人类工程活动等方面。

(1) 降雨。①降雨对土体的浸润与软化导致基底土体强度降低、接触面抗剪强度减小；②降雨灌入孤石内部裂隙及危石围岩(含土体)之中，产生动、静水压力且增大了自重及侧向压力，对危石稳定性极为不利；③降雨导致基座土体侵蚀、流失，锁固段长度或厚度减少、倾覆点后移，危石应力状态改变而产生失稳。

(2) 地震。地震时在坡体会产生水平及垂直方向的惯性力，增加孤石的倾覆力矩与下滑力，可能导致孤石瞬间失稳。高径比较大的孤石重心较高，地震等振动作用有放大效应[9]，受地震影响更大。

(3) 根劈作用。当孤石边界或孤石内部长有植被时，植物根系的生长会产生侧向膨胀力[10]，孤石临空侧的约束较弱，岩体会向临空面方向持续变形乃至破坏。

(4) 土壤侵蚀。花岗岩残积土及全、强风化岩体为特殊性岩土，其抗水蚀性差，易受水力侵蚀产生水土流失。孤石所处山坡植被缺乏时，将产生较为严重的土壤侵蚀现象，会导致孤石底部抗滑段长度缩减、倾覆点后移，使孤石的稳定性骤降。

(5) 侧向土压力。很多孤石1～3面临空、靠山侧倚靠土体，孤石承受来自后方的侧向土压力，在土压力作用下有向临空面变形破坏的趋势。

(6) 人类工程活动。人类工程活动对孤石稳定性产生影响的因素主要有加载、爆破、切坡等方面。

① 加载。在孤石顶部或后缘坡体修建房屋、道路等，对孤石形成直接加载，或增加孤石后部的土压力，均会导致孤石稳定性的降低。

② 爆破。爆破作用形成的瞬时震动波，可能直接导致孤石失稳(类似地震)，长期受爆破影响时，孤石内部的节理、裂隙将会扩张、贯通，影响其稳定性。

③ 切坡。在孤石周围切坡，可能使孤石所在的坡体产生卸荷、变形，导致孤石基座的松脱和接触程度降低，还有可能导致孤石重心的偏移，造成受力状态的变化而产生失稳。

④ 其他。其他人类活动也有可能导致孤石稳定性降低，如砍伐树木等。

1.3 孤石的变形破坏模式

本研究主要论述孤石体自身的变形破坏模式，孤石所在的山坡(边坡)携裹孤石整体崩、滑的案例不在本文的讨论范围之内。

(1) 滑移式破坏。孤石沿基底接触面产生滑移，或孤石块体沿外倾临空的内部结构面或组合结构面产生滑移。

(2) 倾倒式破坏。孤石以底部某点(或很小的区域)为圆心有转动的趋势，产生倾覆力矩，拉开锁固段产生变形破坏，或危石内部的块体产生倾覆。

(3) 坠落式破坏。孤石内有悬空的块体，块体剪断锁固段岩体产生自由落体式崩塌，该种破坏模式本文不进行深入探讨。

2 孤石的稳定性评价

2.1 定性评价

自然历史分析法是斜坡稳定性定性分析最常用的方法，该方法对研究斜坡稳定性的区域规律尤为适用[11]，通过研究斜坡形成的地质历史和所处的区域地质环境、斜坡的地貌和地质结构、发展演化阶段及变形破坏形迹来分析斜坡稳定性的影响因素，从而作出初步评价。笔者在深圳市某孤石群勘查中利用自然历史分析法的原理拟订了斜坡地表花岗岩孤石的定性分析方法[12]，并在其后的工作中验证与不断完善，形成了较为成熟的定性分析方法(表1)。该方法综合考虑了孤石的所处环境、形态特征、结构特征、破坏模式、根劈作用等。

表1 斜坡花岗岩孤石稳定性定性分析方法Table 1 Qualitative analysis method for stability of slope granite boulders

2.2 计算分析

孤石是危岩的一种形式，其稳定性计算和危岩基本一致。本文仅对一侧倚靠土坡、外侧临空孤石的稳定性计算进行简单分析。将孤石视为刚体，按照潜在破坏模式(滑移式、倾倒式)，在现有危岩稳定性分析的基础上进行完善。

2.2.1分析假设

(1) 孤石为嵌入土体中的刚性块体，为简化计算，不考虑孤石与其侧面岩土体的摩擦力；

(2) 孤石与周围岩土体、与基底岩土体之间无有效黏接，与周围岩土体的抗拉强度为0；

(3) 将空间问题简化为剖面问题，取单位宽度1 m进行计算；

(4) 孤石为一整体；

(5) 孤石位于稳定地下水位以上，降雨期间周边岩土体视为饱和渗流带，未形成自由水面。

2.2.2滑移式破坏模式

将孤石的潜在滑移面视为平面，以边坡平面滑动稳定性计算方法[13]为基础，推导孤石一侧临空、另一侧倚靠于土坡的情况(该状态的孤石普遍存在)，将孤石背侧(倚靠土坡一侧)土体的侧向压力叠加进行推导。作用在孤石上的侧向压力取主动土压力，呈三角形分布(图1)。

图1 孤石抗滑稳定性计算模型Fig.1 Calculation model of anti-sliding stability of boulders

假定背侧土坡直立、孤石直立光滑，单层土体。此时作用在孤石背侧的侧向压力为：

Ka=tan245-φ/2

(1)

(2)

Ea=0.5eah

(3)

式中：Ka为主动土压力系数；ea为墙底的主动土压力(kPa)；Ea为主动土压力合力(kN/m)；φ为土的内摩擦角(°)；c为土的内聚力(kPa)；h为土坡高度(m)(在本文中h=Ht)。

以《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330—2013)A.0.2的公式为基础，考虑孤石北部受侧向压力的平面滑动稳定性公式如下：

(4)

R=Gcosθ-EasinθtanφZ+cZL

(5)

T=Gsinθ+Eacosθ

(6)

式中：Fs为孤石抗滑稳定性系数；R为孤石单宽重力及附加水平力引起的抗滑力(kN/m)；T为孤石单宽重力及附加水平力引起的下滑力(kN/m)；G为孤石单宽自重(kN/m)；θ为孤石与基底的平均倾角(°)；φZ为孤石与基底接触面的综合内摩擦角(°);cZ为孤石与基底接触面的综合内聚力(kPa)；L为潜在有效滑面长度(m)。

孤石与土体接触面的综合抗剪强度(cZ、φZ)的概念是参考三峡库区地质灾害防治技术要求的原理，可取基底土体抗剪强度的0.4～0.7倍，并乘以有效长度所占的比值(扣除基底接触不良段所占长度的比例)[14]。降雨工况下可按饱水考虑，岩土体重度和抗剪强度均取饱和值；孤石或后缘土坡出现裂缝时，应在下滑力和抗滑力中考虑裂隙水压力；地震(或振动)工况下孤石和背侧土坡都要叠加水平附加力。

2.2.3倾倒式破坏

(1) 孤石重心在倾覆点内侧(靠山侧)时，围绕倾覆点O转动，抗倾力矩是由孤石重力提供，倾覆力矩由孤石背侧土压力(合力点位于底部1/3高度处)提供(图2)。由此推导的计算公式如下：

图2 孤石抗倾稳定性计算模型(重心向内)Fig.2 Calculation model of anti-tilt stability of boulders

(7)

MR=G·a

(8)

(9)

式中：Ft为孤石抗倾稳定性系数；MR为抗倾覆力矩(kN·m)；MQ为倾覆力矩(kN·m)；a为重心铅垂线—倾覆点铅垂线的水平距离(m)；Hs为后缘土坡高度(m);Ht为后缘底线—倾覆点的垂直距离(m)，其余符号意义同前。

(2) 孤石重心在倾覆点外侧(临空侧)时，假设孤石现周边岩土体接触面的抗拉强度为0，因此抗倾力矩为0，危岩体处于失稳状态。自然状态下见有此类孤石暂未失稳，是由于周边植被的支撑力、孤石与周边岩土的摩擦力、孤石与底部岩土的残余抗拉强度等作用力暂时限制了倾覆力矩，其整体力系非常脆弱，暂时稳态随时会被打破，可视为不稳定。

3 讨论

前文提出了孤石稳定性定性评价和计算分析的方法，以下对相关方面进行讨论：

(1) 定性分析方法是否全面。定性分析方法主要考量了孤石所在斜坡的稳定性、孤石的形态特征、结构与接触关系等，对具体的孤石关注较多，而对于地质构造、地层岩性、水文地质条件则未考虑。

孤石和地质构造有很密切的关系，断裂与节理裂隙对孤石的发育有着控制作用。本文主要关心的是单体孤石的稳定性，地表孤石已经脱离母体，可以视为土体，除活动性断裂以外具体的断层对孤石个体实质上已无影响了，因此定性指标对孤石内部结构面、孤石与基底和围岩的接触关系更为看重。

花岗岩孤石本就是沿几组节理物理化学风化后剩余的最坚硬部分[15]，呈中—微风化状态，属硬质岩，岩性较均匀且各地孤石的工程地质性质相差不大，所以定性指标未考虑孤石的岩性差异。

据笔者野外调查发现，原生孤石在山脊、山顶、沟头或上游较为密集，沟谷等汇水量较大的部位以滚石居多且基本无威胁。花岗岩山区第一层地下水通常为上层滞水，其埋藏深、水量贫乏，对孤石几乎无影响。相比地下水，大气降雨及其形成的短时地表径流则影响更大。因此未考虑地下水的因素。

本文的定性评价用于单体孤石的评价，适合于详细调查、勘查(察)阶段，区域性评价时应充分考虑区域地质、水文地质条件的影响。笔者认为，定性评价应抓住主要矛盾，更多考虑个体的差异，如考虑的因素过多，反而会失去针对性。

(2) 定性与定量的关系。定性与定量分析应该是相互依存、相互补充，不应当是对立的关系，分析体系应匹配，计算实质上也是对定性分析主要指标量化的体现。花岗岩山区往往孤石密布、数量众多，且大部分个体是稳定的，实际工作中没必要每个孤石都进行计算分析。可先在现场初步调查，应用定性分析方法分析各单体的稳定性，再对块体较大、有一定危害、定性分析稳定性差的个体进行详细的勘查和计算。

(3) 孤石质量的影响。定性评价细则中，对单体孤石质量无指标控制，实际上孤石尺寸对其稳定性的影响是比较大的。目前掌握的孤石崩塌案例偏少，无足够的数据量来统计，今后可在更多案例的基础上统计分析孤石质量与稳定性的关系。

4 结论与展望

(1) 地表花岗岩孤石单体的稳定性主要受内部因素和外部因素的影响。内部因素主要包括地形地貌、形态特征、结构特征，外部因素主要包括降雨、地震、根劈作用、土壤侵蚀、侧向土压力与人类工程活动。在不同情况下降雨、地震、土壤侵蚀、人类工程活动均可成为主要诱发因素。

(2) 本文在分析了孤石影响因素的基础上，采用自然历史分析法提出了孤石单体稳定性评价的定性评价细则。

(3) 本文将孤石单体的变形破坏模式划分为滑移、倾倒、坠落三种，提出了一侧倚靠土坡、外侧临空孤石单体的滑移、倾倒破坏的计算方法。

(4) 地表花岗岩孤石的受力状态非常复杂，影响因素远比本文所列要多，今后工作中有必要进一步深化地表花岗岩孤石的研究，如：广泛收集孤石失稳案例并深入分析总结，孤石三维稳定性分析，孤石失稳后的运动特征研究等。