含孤石边坡的稳定性分析

2022-12-22张鹏程

西部探矿工程 2022年10期

卢刚，张鹏程，黄东

（江苏省有色金属华东地质勘查局，江苏南京 210009）

在工程建设中，尤其是在花岗岩、凝灰岩等岩性分布的风化堆积区，在残积层、全风化层等地层中，常常会遇到“孤石”，其与周围岩土体在性质上有明显区别，且具有分布不确定性、埋藏边界的隐蔽性等特点。通常情况下，是将孤石视作周围土体进行处理，由于两者的物理力学指标差异较大，给工程设计与施工带来了一定的不确定性。国内外不少学者对此开展了相关的研究。曾国春[1]等对不同形状孤石、不同周围岩土介质对地质雷达探测孤石的影响进行研究。杜甫志等[2]对花岗岩孤石的分布位置进行了分区，以定性为主分析了不同孤石分布位置对边坡（基坑）稳定性的影响，并提出了相应的处理措施。刘晓华[3]等对风化花岗岩孤石边坡的稳定性和破坏机理进行了研究，对花岗岩孤石进行了概化，建立了孤石赋存的边坡模型，分析了孤石完全嵌入、部分出露以及孤石完全嵌入时不同角度的边坡的稳定性。

本文在上述研究的基础，采用数值模拟方法对孤石的大小及分布位置对边坡稳定性影响进行分析。

1 孤石边坡模型

参照文献，建立如图1～图4所示的孤石边坡模型。模型1分别模拟孤石位于坡面上、中、下不同位置时的情况（图1）；模型2在模型1的基础上，对孤石的尺寸进行了缩小，考虑孤石尺寸变小的情况，位于坡面上不同位置的情况（图2）；模型3考虑孤石位于坡体内时孤石在上、中、下不同位置时的情况（图3）；模型4为不含孤石情况，用于与上几个模型分析进行对比（图4）。

计算所采用的材料参数如表1所示。

表1 计算参数

2 孤石边坡稳定性分析

2.1 有限元强度折减理论

2.1.1 基本原理

强度折减法很好地将强度储备安全系数与边坡的整体稳定安全系数统一了起来。其实质是以边坡初始抗剪强度为τ初值不断折减，以寻找恰好使边坡处于临界失稳状态的抗剪强度值τ'（简称临界抗剪强度）。此时的临界抗剪切强度值为：

对应的，经过折减后的剪切强度参数c'和φ'为

2.1.2 边坡失稳的判据

一般来说，评判边坡整体失稳的判据有三种[4-5]：

（1）按照国际上惯用的以计算不收敛作为破坏判据。排除人为出错的基础上，在有限元程序中设定的收敛准则下计算不收敛，即以有限元静力平衡计算中采用力和位移收敛失败、静力平衡方程组无解作为边坡整体失稳的判据。但由于计算的收敛性受计算假定、计算方法和收敛准则等的影响，计算结果会有一定误差。

（2）边坡上特征点的位移与折减系数关系曲线发生突变作为边坡整体失稳的判据。此判据可以反映边坡变形过程，当边坡达到破坏状态时，滑面上的位移将突然加大、产生突变，具有较明确的物理意义。

（3）以滑面上塑性区从发生—发展—直至完全贯通，作为边坡整体失稳的判据[6]。塑性区贯通意味着滑面上各点均达到极限平衡状态，但边坡内塑性区的分布由于受坡体材料弹性模量和泊松比等的影响，该判据也有一定的局限性。

根据以上各种判据的特点在实际操作中应根据边坡具体情况选取以上三种判据之一进行判断，更合理的应该选取两种以上判据进行综合判断。

由于破坏后的边坡由稳定状态转变为失稳状态，将产生很大的位移，并无限发展。因此，在Plaxis中应用强度折减法计算所得到的位移大小没有实质意义[7]。

2.2 边坡稳定性分析

各模型各种情况下计算的边坡安全系数如表2所示。各模型各种情况下边坡稳定性分析结果如图5～图14所示。

表2 边坡稳定分析结果表

2.3 孤石对边坡稳定性影响分析

从模型1的边坡稳定分析结果可以看出，当孤石位于坡体的中、上部位时，边坡的稳定性要低于不存在孤石的情况，由于孤石的重度大于土体的重度，对潜在滑动体的下滑力贡献更大，且孤石位于中部时稳定性稍高于孤石位于上部时，表明孤石位于中部时，其贡献的抗滑力较位于上部时要大；当孤石位于边坡的下部时，由于孤石本身的强度较大，潜在滑动面的具有明显的饶石特征，潜在滑动面向下凸起，滑坡体中有明显的阻滑段，因此其稳定性高于孤石位于上、中位置以及不存在孤石的情况。

模型2相对模型1而言，孤石的体积变小，从稳定性分析结果来看，孤石处于不同位置时，其边坡稳定性情况与模型1得到的边坡稳定性情况基本一致。与模型1对比，当孤石都位于潜在滑体的上部时，模型2得到的安全系数要大于模型1得到的安全系数，其由于模型2中孤石体积减小，其产生的滑动力较模型1的情况有所减少，因而其稳定性稍有提高；当孤石位于潜在滑体的中部时，其稳定性稍小于模型1中对应的情况，推测可能是孤石在中部时，其体积变小，贡献的抗滑力的较小；当孤石位于潜在滑体的下部时，相对于模型1，稳定性低于模型1的对应情况，应为孤石体积变小，贡献的抗滑力变小的原因。

模型3在模型2的基础上，孤石进一步嵌入坡体，在孤石位于上、中位置时，其对边坡稳定性的影响小于孤石嵌入坡体较浅时的情况，稳定性高于模型2的对应情况；孤石位于坡体下部时，潜在滑面明显加深，可能由于滑体的体积增大，其稳定性略低于模型2。从模型3来看，孤石嵌入坡体越深，对边坡的稳定性影响逐渐减小。