降雨条件下复杂地质边坡稳定性动态分析

2023-09-22蔡益丰李志宽沈朱斌

北方交通 2023年9期

蔡益丰,李志宽,沈朱斌

(浙江工业大学土木工程学院杭州市 310014)

0 引言

人类工程活动是最常见影响边坡稳定性的因素之一,因边坡工程的不确定性和复杂性,导致边坡稳定性难以准确把握,一直是工程界关注的热点问题。

因极限平衡法计算简单,物理意义明确,近些年来使用较多。韦楼等[1]运用BISHOP和JANBU极限平衡法结合某实际工程,分析高边坡加固前后两种方法的不同结果,通过对比,BISHOP法得到的安全系数要比JANBU法得到的高;董利军[2]采用基于M-C准则的简化BISHOP法对某公路大桥的两个边坡进行了三种工况(天然工况、饱水工况和饱水加地震工况)的稳定性分析,为边坡的支护设计提供了合理的依据和参考;马欢等[3]采用Geo-Studio软件中的极限平衡法分析了库水位变化、降雨及其共同作用等工况下边坡稳定性变化规律。王康三等[4]运用SLIDE软件并分别采用BISHOP法、JANBU法、FELLENIUS法以及SPENCER法对云南某输水隧洞洞口边坡在正常、暴雨、地震工况下进行稳定性分析。

SLIDE软件自带极限平衡法,能够快速地进行动态分析模拟,蕴含工程设计的实用性强。因此,文章将运用SLIDE软件对四川某工程隧洞口边坡进行稳定性分析。

1 工程背景

研究区位于四川盆地东南部川东平行岭谷中的璧山向斜槽谷内,为丘陵地貌,区内地形以侵蚀剥蚀地形为主,长江边为堆积地形。出水塔处为斜坡地形,地面高程250.0～301.0m,地形坡度25°～35°。隧洞口边坡设计采用放坡明挖,共设置5级马道,马道高程分别为293m、281m、269m、257m、248.4m,高程257m,初级马道宽8m,其余马道宽2m。边坡开挖坡比1∶1。

隧洞口基面高程240.0m,隧洞口及出水塔开挖将形成54～60m的高边坡,为岩质边坡,局部边坡残留覆盖层,为崩坡积的粉质粘土夹碎块石,厚约2～2.6m,土质边坡稳定性较差。基岩为侏罗系遂宁组紫红色、砖红色泥岩、泥质粉砂岩夹薄层粉砂岩、砂岩,强风化层厚约1.5～3.0m,以下岩石弱风化,岩层近水平,地下水位埋深一般9.8～19.2m,岩质边坡稳定性较好。但泥岩、泥质粉砂岩存在抗风化能力弱,具有易失水干裂、遇水软化的特点,影响边坡稳定性。因此,隧洞口边坡开挖存在边坡稳定问题。

2 参数确定

研究区露出地层主要为侏罗系上统遂宁组及第四系岩性,具体如下:

(1)崩坡积

为褐红色碎块石土、粉质粘土夹碎石,碎块石粒径多2～15cm,含量约30%～60%,厚度一般13m,局部可达4～5m,主要分布于山丘坡脚。

(2)Ⅱ级阶地

Ⅱ级阶地为基座阶地,主要为卵砾石夹土中密～密实,卵石粒径多2～10cm,少量直径约15cm,含量约60%,厚度一般5～16m,局部可达22.1m。主要分布于出水隧洞边坡。

计算所需的地层参数综合室内试验、现场标准贯入试验结果并结合国家相关规范参数确定。已知天然含水率和饱和含水率,根据含水率的变化,按照刘明扬等[5]推导的公式确定得到降雨后的c、φ值。具体边坡物理力学参数见表1。

表1 边坡岩土体物理力学参数

3 模型选择

3.1 SLIDE建模及分析方法

该边坡由抗风化能力弱的泥岩、泥质粉砂岩组成,具有易失水干裂、遇水软化的特点,隧洞口边坡开挖存在稳定问题。选取该边坡的地质剖面,利用SLIDE软件建立二维模型。

第1层为强风化砂岩,厚度为2～5m;第2层为弱风化泥质粉砂岩,厚度为3～7.5m;第3层为弱风化砂岩,厚度为9～12m;第4层为微风化砂岩,厚度为11m左右;第5层为微风化以及弱风化泥岩和砂岩的互层,岩质较好且泥岩占比较大,c、φ值采用泥岩数值计算。

SLIDE软件对边坡安全系数的计算已经比较成熟,采用mohr-coulomb强度准则,计算方式为极限平衡理论。

力矩平衡:

(1)

力平衡:

(2)

式中:c′为有效粘聚力;φ′为有效内摩擦角;μ为孔隙水压力;N为基底法向应力;D为线荷载;β,R,ω为几何参数;α为基底倾角。

对比天然和降雨状态下边坡稳定性变化,分析得出更合理更经济的坡率。

降雨对边坡力学参数的弱化规律参考刘明扬等[5]推导的公式:

c=c0x-0.089(x2-5.93x+12.56)

(3)

(4)

3.2 计算模型

3.2.1初步设计下的计算模型

计算滑动面呈圆弧形,采用简化BISHOP法对模型计算分析,并利用JANBU修正法以及SPENCER法进行比较。按照初步设计开挖的要求,运算结果得到天然状态下安全系数见图1。

图1 初设计天然状态下计算结果

此边坡天然状态下安全系数最小值由JANBU修正法得到为1.004,且安全系数小于2的面主要集中在坡顶。边坡整体处于基本稳定状态,无滑坡危险。

降雨饱和状态下的边坡安全系数见图2。

图2 初设计饱和状态下计算结果

由计算结果可知,安全系数最小值由JANBU修正法得到为0.918,强风化砂岩层以及弱风化泥质粉砂岩层将发生滑移,长约15m、高约7m的坡体可能发生滑动,将严重影响施工人员的安全以及施工进展。随着雨水入渗,各岩层达到饱和状态,粘聚力下降,边坡稳定性下降,导致滑坡。上部岩土体存在滑移危险,下部岩土体较稳定,可放缓上部开挖比例,加大下部开挖比例,通过优化开挖比例减小开挖方量,同时提高边坡的稳定性。

3.2.2优化坡率后的计算模型

根据现场岩石试验成果,坡率建议值见表2。

表2 岩(土)体开挖坡比建议值

根据表2的要求,取强风化砂岩层开挖坡比为1∶2,弱风化泥质粉砂岩层开挖坡比为1∶1.25,弱风化砂岩层为1:0.8。优化坡率后的剖面图见图3。

注:1.岩性边界线,弱风化上限;2.岩性边界线,微风化下限;3.粉质粘土夹碎石;4.海拔标注;5.水位线;6.初设计边坡开挖线;7.优化后边坡开挖线。图3 优化后边坡剖面图对比

重新建立模型后进行计算,得到降雨饱和状态下的边坡稳定性见图4。

图4 优化后边坡降雨饱和状态下计算结果

计算得到边坡最小的安全系数为1.137,边坡在降雨饱和状态下开挖也将处于稳定状态,且优化后的边坡稳定性高于优化前天然状态下的边坡稳定性。

4 结果分析

4.1 极限平衡计算分析

隧洞口开挖后,将在仰坡形成高约54～60m的高边坡,为岩质边坡,水平层状坡,局部边坡残留覆盖层,为崩坡积的粉质粘土夹碎块石,厚约0.6～2.6m,土质边坡稳定性较差,降雨后发生灾害概率极大。基岩为侏罗系遂宁组砂岩、粉细砂岩夹泥岩、泥质粉砂岩,强风化层厚约1.5～3m,以下岩石弱风化。极限平衡分析方法计算结果见表3。

表3 极限平衡分析方法计算结果统计

使用极限平衡分析方法对开挖边坡进行稳定性分析,对比三种工况对应的稳定性数据,在强降雨作用下,从天然状态转化为饱和状态,结合非饱和抗剪

强度理论得到基质吸力的降低直接导致材料抗剪强度的降低;降雨入渗导致岩土体内部含水量增加,坡体吸水造成重量增加,间接促进滑体向下发生滑动;边坡各层岩土体的力学参数受粒径分布、孔隙比、颗粒几何形态及含水量等各种因素影响,含水量的增加促使颗粒内部发生滑动和错动,导致黏聚力和内摩擦角的降低和减小,使得在坡率为1:1的开挖过程中上部岩土体发生滑移,导致边坡失稳。

4.2 边坡治理建议

根据图5分析得知,仰坡为水平层状岩质边坡,层面外倾不利于边坡稳定;两组结构面裂隙L1、裂隙L2内倾,对边坡稳定有利;裂隙L1与裂隙L2的交线、岩层面与裂隙L2的交线倾向与坡面相反,对边坡稳定有利;但岩层面与裂隙L1、岩层面与裂隙L2的交线倾向坡外,倾角分别为3°、2°裂隙组合线切割边坡,形成外倾楔形体但由于交线倾角较小,总体稳定性较好,与计算分析结果相吻合。要素统计结果见表4、表5。