基于不同结构面组合的岩质高边坡稳定性分析

易庆波

(1中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院岩土工程有限公司,贵州 贵阳 550081;2中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司,贵州 贵阳 550081)

0 引言

中国是一个高原、丘陵和山地面积较多的国家,约占陆地面积的67%。同时,我国也是一个滑坡等地质灾害发生十分频繁的国家。据不完全统计,每年由于地质灾害造成的各方面经济损失在几十亿到几百亿元不等。在我国大部分地区特别是西南、西北及中南部,边坡失稳塌滑等地质灾害严重影响了我国的基础建设。

对于建筑边坡,一般来讲,高边坡是指高度大于30 m的岩质边坡和大于20 m的土质边坡[1]。高陡岩质边坡因地质构造和卸荷作用使得岩体受多组结构面切割作用而形成不稳定块体,这些块体沿某组或几组结构面组合滑动,从而产生了崩塌或落石[2-4]。研究区高边坡地质条件复杂,岩体节理裂隙较发育。通过对边坡工程地质条件分析的基础上,采用定性分析方法和传统极限分析法对边坡稳定性进行综合分析,为边坡的开挖与支护提供可靠经济合理的措施与依据,为同类边坡的稳定分析评价提供参考借鉴。

1 岩质边坡变形破坏机制

1.1 岩质边坡变形破坏的类型

在边坡形成过程中,由于地应力和自重应力等应力状态的演变,边坡岩体在不同时期将发生不同方式、不同规模和不同程度的变形,随着变形量的不断积累,坡体应力和位移超过自身的承受能力,就会发生破坏。斜坡的变形和破坏是两个主要的发展阶段,变形的生长是伴随着时间的推移不断进行的,通常,在野外,经常观察到岩体内部发育有各种不同的变形迹象,比如松动的岩体以及坡体内部的弯曲褶皱、张剪裂隙、错动位移等等现象,这是岩体变形发展过程中的产物,其没有发生明显的破坏但正在不断向破坏阶段演化。岩体的累进性变化达一定量值的时候,即发生诸如崩落、滑动等失稳运动方式,通常,在边坡的坡脚都会存在堆积体,这就是边坡岩体破裂解体堆积起来的,而对于滑坡体来说,滑坡发生后,其仍然在继续运动,并会在后续不断发生多次滑坡,这就是破坏后的继续运动,代表了岩体破坏后的演化阶段,对边坡岩体的变形状况进行适时了解,有助于掌握边坡的演化过程,有利于分析判断边坡的破坏机制、稳定状况,并对边坡岩体的发展演化趋势作出合理的预测。

(1)岩质边坡变形的主要方式

实际上,边坡的变形在边坡的形成过程中就发生发展着,表现为累进性的时间效应,主要有松动和蠕变两种方式。

①松动

边坡由于临空面的形成,使边坡坡面岩体应力集中,加之岩体内部的弹性应变能得到释放,岩体发生卸荷回弹(unloading rebound)。岩体向临空面方向发生回弹变形,坡体内部势必发育卸荷裂隙,形成卸荷带(unloading zone),也可以称为松动带。松动的岩体内部裂隙发育,其将岩体切割成破碎的块体,致使岩体向临空方向移动,在边坡开挖后,是岩体松动变形的初始阶段。

②蠕变

蠕变(slope creep)是一种微小的变形,坡体随蠕变的发展而不断松弛。蠕变的形成机制为岩土的粒间滑动形成的塑性变形,或者是沿岩石微裂纹的错动,或者是由岩体中一系列裂隙扩展所致。岩体可近似看作是弹塑性材料,蠕变是在塑性屈服极限之前的变形,其长期发生着一系列的缓慢而持续的累进性位移变化,这个阶段剪应力小于岩体的抗剪强度。根据蠕变发生的位置,可分为表层蠕变和深层蠕变。

(2)岩质边坡破坏的基本类型

随着时间的推移,岩质边坡的变形发展到一定程度,将导致边坡的失稳破坏。按照其破坏方式,岩质边坡的基本失稳模式大致可分为如表1所示的几种类型。

表1 岩质边坡破坏基本类型

1.2 边坡变形破坏的地质力学模式

在早期,根据边坡岩体变形破坏过程中的力学机制,将边坡岩体的变形破坏机制划分为六种基本地质力学模式[5],分别为:蠕滑(滑移)-拉裂;滑移-压致拉裂;滑移-拉裂;滑移-弯曲;弯曲-拉裂(倾倒);塑流-拉裂,或者为六种模式的复合。西南地区地质条件复杂,内、外地质营力活跃,高边坡变形破坏机制也因此而复杂多变,除了通常的失稳模式外,近20年来,还揭露了若干类典型的高边坡变形破坏机制和大型滑坡发生模式[6]:①滑移-拉裂-剪断“三段式”机制,②“挡墙溃屈”机制,③倾倒变形机制,④压缩-倾倒变形机制,⑤阶梯状蠕滑-拉裂机制,⑥顺倾向层状岩体边坡的滑移(弯曲)-剪断机制。

2 边坡稳定性分析

2.1 边坡稳定性分析方法

2.1.1 定性分析

边坡稳定性分析中的定性分析法具有多种,诸如类比分析法、历史成因分析法、图解分析等。历史成因分析法重视工程地质第一性资料的分析,正确对边坡的总体认识和初始资料的掌握对定量评价边坡的稳定性起着关键的作用。类比法主要是针对相似度较高的边坡工程之间的对比分析,其中相似度可以从地质环境条件、边坡高度、边坡坡角、开挖施工情况等综合评价。图解法是借助于图形直观反映空间物体对象之间的相互位置关系,以便形象地进行定性分析。图解分析法以赤平极射投影为基础。

极射赤平投影是用来表示空间物体之点、线、面相互间的角距关系的一种平面投影。通过这种方法,可以把物体在三维空间上的几何要素反映在投影平面上来进行分析,实现将复杂的空间问题转化为简单的平面问题来处理。

图1为极射赤平投影原理的空间示意图[3]。假如空间一结构面的产状为90°∠α°,通过投影球南极S′向该平面发射射线,得到其在赤道平面上的投影圆NCSD,其中圆内部分NCS(图2)就是该空间平面的上半球赤平投影图。在边坡的赤平投影稳定性分析中,将边坡面和主要结构面投影到赤平图上,综合分析其反映的空间位置关系,从而判断其稳定性及可能失稳的形式。

图1 极射赤平投影原理

图2 空间任意平面的赤平投影圆

2.1.2 定量分析

在定性分析的基础上,对边坡稳定性的分析用一个确定的量值来评价,即定量分析。其中这个量值只是一个相对概念[7]。主要有极限平衡分析法和数值模拟计算。

极限平衡法是根据静力平衡原理来对滑块进行计算的,将滑体上的抗滑力与下滑力的比值作为稳定系数来进行评价。假定潜在滑面上岩土抗剪强度τ与垂向应力σ的关系如下:

τ=c+σtanφ或τ=c′+(σ-u)tanφ′

式中:c、c′分别为滑动面的粘聚力和有效粘聚力;φ、φ′分别为滑动面的内摩擦角和有效内摩擦角;σ为作用在滑动面上的有效应力;u为作用在滑动面上的孔隙水压力。

极限平衡法根据潜在滑动面及假设条件的不同又可分为多种方法,各种方法分别有其特点及适用范围,在计算时,需要根据边坡破坏类型及滑动面的形态,选择适当的方法来计算边坡的稳定性。下面介绍平面滑动和楔形体滑动两种形式的计算方法。

(1)平面滑动

对于顺层状岩质边坡或者存在外倾软弱结构面的岩质边坡,坡体一般会发生沿岩层面或软弱结构面的平面滑动。在这类边坡中,在坡顶或坡面往往会出现不同程度的张拉裂缝。其计算模型如图3所示。

图3 平面破坏计算模型

QAcosθ+Wsinθ+Vcosθ-S=0

(1)

N+QAsinθ-Wcosθ+Vsinθ=0

(2)

根据库伦破坏准则和稳定性系数的定义:

(3)

联立(1)、(2)、(3)三式可得到边坡的稳定系数为:

(4)

公式(1)-(4)中:

W—滑动块体重量;N—滑动平面上的法向力;V—张裂隙中的静水压力;U—作用于滑动面AD上的静水压力;QA—作用于滑体重心上的水平力,如地震力等;θ—滑动面倾角;L—滑动面的长度;γW—裂隙水容重;ZW—裂隙水柱高度;Z—张裂隙深度;H—边坡高度。

如式(6)～式(9)所示:在相关后的每路信号中包括一次谐波或二次谐波的倍频分量,以及一次谐波和二次谐波的和频和差频分量等高频信号,以及经过甲烷气体吸收相位移动引起的低频信号[7],将上述4路信号通过低通滤波器滤除高频分量后,则只剩下对应谐波的同相和正交低频分量,以及部分低频噪声[8],可表示为下式:

(2)楔形体滑动

当两组结构面的倾向相反,其与边坡临空面及坡顶面切割形成独立的楔形体,当两组结构面组合交线的倾向与边坡面的倾向基本一致,且组合交线的倾角小于边坡倾角但大于其内摩擦角时,容易发生楔形块体滑动。如图4所示,采用极限平衡法计算时,假定在滑动期间楔形块体与两个结构面均保持接触;假定没有倾倒破坏或旋转滑动发生;滑体沿两滑动面的交线下滑,且滑动交线出露在坡面上。根据静力平衡原理,首先将滑体自重W分解为垂直交线BD的分量N和平行交线的分量(即滑动力Wsinα),然后将N投影到两个滑动面的法线方向,求得作用于滑动面上的法向力NA和NB:

图4 楔形体滑动计算模型

(5)

(6)

则楔形体的稳定系数为:

(7)

式中:NA、NB分别为结构面A、B的法向压力;cA、cB分别为结构面A、B的粘聚力;φA、φB分别为结构面A、B的内摩擦角;SA、SB分别为结构面A、B的面积;θA、θB分别为组合交线的法线与结构面A、B法线的夹角;W为楔形滑体重量;α为组合交线的倾角;UA、UB分别为结构面A、B上的孔隙水压力。

2.2 某建筑高边坡稳定性分析

2.2.1 边坡总体特征

某建筑边坡为岩质顺向坡,坡脚到坡顶征地红线范围内的人工边坡坡高最高为56 m,边坡长122 m,边坡总体走向为南北向,边坡立面呈弧形状展布。在坡脚平坦地区拟建三栋29层住房,坡脚距离建筑边轴线为3～8 m,边坡安全等级为一级。拟建建筑设计±0.00标高为1200.00 m,边坡后缘为一山体,最高点高程1318.60 m。边坡表层节理裂隙发育,形成大量楔形块体。图5所示为研究区总平面图,图中反映了基本地质信息,边坡坡顶范围和总体布局,边坡与建筑物的相对应关系等,其中岩体为白云岩,其强风化白云岩厚度为2～3.5 m。

图5 研究区平面图

2.2.2 边坡失稳模式分析

现状边坡总体特征为岩质顺向坡,坡面方向为256°,总体坡角65°,岩层产状为245°∠36°。原始边坡在自然状态下稳定性比较良好,坡面植被较发育,由于开采石材,山体被开挖临空形成高陡边坡,在爆破动力、降雨及建筑施工对坡脚的开挖等因素下,致使边坡坡体产生了局部的失稳破坏。对于边坡整体稳定性而言,起着主导因素的还是岩层面,边坡的潜在滑动面是岩层面,岩层倾向与边坡倾向夹角为11°,基本为顺倾向,且岩层倾角小于边坡坡角,因此,边坡可能会发生沿岩层面顺向滑动的平面破坏。而对于局部,由于风化及卸荷作用,边坡表部主要发育有两组节理,即:①207°∠56°,②316°∠52°,这两组节理切割形成楔形体,并且两组结构面的交线倾向坡外,交线倾角小于边坡角,将构成外倾的楔形体,所以会发生楔形块体局部失稳破坏。

2.2.3 极射赤平投影分析

将边坡内主要的结构面及岩层面的空间关系经过赤平投影法反映在赤平面上,得到如图6所示的赤平极射投影图。图中反映了岩层面245°∠36°、节理面J1:207°∠56°,J2:316°∠52°与边坡面PM:256°∠65°的空间组合关系。经过赤平投影分析,岩层面与坡面成小角度相交,且层面倾角小于坡角,则边坡会发生沿层面的顺向滑动,造成边坡整体不稳定,危害性极大。另外,岩层面被节理J2切割形成外倾楔形体,则可能发生楔形体破坏。边坡内主要的两组结构面相交形成外倾楔形体,即J1、J2切割构成外倾楔形体,交线倾角小于边坡坡角,这些部位将构成边坡的危岩体,局部不稳定造成崩落掉块,造成建筑和人身安全。

图6 结构面赤平极射投影图

2.2.4 边坡沿结构面滑动破坏模式

根据赤平投影分析,该边坡为岩质顺向坡,岩层面倾角小于边坡坡角,边坡整体容易发生顺层滑动,边坡在开挖过程中形成的人工边坡可能存在的破坏模式为平面直线滑动,故边坡的整体稳定性计算按平面直线滑动破坏模式进行。由于贵阳地区地震基本烈度小于Ⅵ度,勘测中没有发现后缘拉裂缝,所以应用公式(8)进行边坡的稳定性计算时,不考虑地震力及后缘拉裂缝和地下水的作用,公式(4)简化为:

(8)

同时,由于暴雨情况的影响,计算中要考虑雨水的作用,将暴雨简化为岩层面的物理力学性质的变化,特别是抗剪强度参数c、φ的降低,带入滑体及结构面相关参数即可求得边坡的稳定系数,计算结果如表2所示。

表2 边坡平面滑动稳定性计算

2.2.5 边坡三维楔形块体局部失稳模式

图7所示为边坡表层局部危岩体的发育情况,节理的组合将岩体切割成楔形块体,部分节理面充填黄褐色泥质薄膜,在边坡暴露条件下,楔形岩体滑动掉块。楔形体破坏是节理岩质边坡中一种重要的结构破坏形式,在实际岩质边坡工程中十分常见[8]。边坡岩体中存在大量的结构面,在丰富的实测资料基础上,对各种结构面进行综合统计,分析其与边坡面的组合关系,找出优势结构面进行重点分析,对于可能形成楔形体的结构面提出必要的计算参数。关于结构面组合的潜在破坏模式,通过极射赤平投影分析可找出其关键组合块体。

图7 楔形危岩体

如2.2.3节中采用赤平极射投影法对边坡结构面不同组合情况下形成的楔形体进行了定性分析,本节利用理正岩土计算软件中岩质边坡稳定分析的三维楔形体分析方法对结构面不同组合情况下三维楔形体的稳定性进行了分析,最终选出两组主要结构面的最不利组合。

根据实测节理1、节理2构成的楔形体各个要素,采用极限平衡法公式(5)、公式(6)、公式(7)进行稳定性计算,计算过程及结果如表3所示。

表3 三维楔形体稳定性计算

在楔形体滑动的计算中,节理面参数c、φ按照暴雨情况下进行取值,根据计算结果可知楔形块体剩余下滑力为1600 kN,稳定性系数为0.951<1,楔形体处于不稳定状态。在现场调查中,已经有局部块体发生滑动,特别是在下雨的情况下,局部块体滑动的可能性很大,因此,建议采用篷布盖住坡面以防雨水冲刷与浸透,同时应及早对边坡上这些楔形危岩体进行治理,以确保安全。

3 结论

岩质高边坡的稳定性评价与治理方案的研究具有重要的理论和实践指导意义,能为边坡工程的治理提供安全、经济、美观的技术依据。影响边坡稳定性的因素是多方面的,例如边坡形态、地层岩性、地质构造、岩体结构、地下水、卸荷效应、各种地质营力、风化作用和工程活动等诸多条件,边坡稳定性分析宜综合分析,抓住重点。正确分析边坡的变形破坏方式与力学机制是稳定性合理评价的前提与关键。在现场工程地质调查与勘察的基础上,采用定性分析法、极限平衡法等对边坡的稳定性做出评判。通过对某建筑高边坡变形破坏类型及失稳力学机制分析,从赤平投影定性分析到极限平衡法分析边坡滑动破坏模式及其稳定性,得出该边坡主要是顺层面的直线滑动及沿结构面组合形成的楔形体滑动破坏,其中直线滑动整体欠稳定,局部楔形体滑动不稳定,需要加强边坡支护治理措施。