城市人工巖質邊坡穩定性評價:以鞍山市區對爐街崩塌為例

李仁鋒,婁新剛,孫艷榮,康志勇

(遼寧省冶金地質勘查局地質勘查研究院,遼寧鞍山114038)

隨著近年來經濟迅速發展,以建筑為主的人類工程活動造成了大量的高陡邊坡,致使原來許多地質災害中低易發區內,也形成了許多地質災害隱患。鞍山市地處遼東山地和下遼河平原的過渡地帶,市區地貌以平原為主,局部有小丘陵,自然狀態下不易發生崩塌、滑坡地質災害。但是,由于近年來建筑活動開挖形成了多處邊坡,2010年汛期,羅馬假日小區、碧湖園小區、莘營隧道出口、人事局北靜湖邊坡、對爐街42號居民樓等多處發生了滑坡、崩塌地質災害。因此,對邊坡的穩定性進行評價,有針對性開展治理工作,成為國土部門的重要任務。

對爐街42號居民樓位于鞍山市區中部,因當地對爐山而得名。主要為居民區,建筑密集,地形起伏較大,多處形成陡坡,坡體最大高差為12.21m,邊坡坡度在 60～90°之間。2010年 8月發生了崩塌地質災害,并造成該樓居民樓西側山墻表面破損。發生崩塌的坡下及坡頂各有一棟六層居民樓,威脅人數眾多,其穩定性問題顯得尤為重要。

1 邊坡特征

崩塌所在邊坡長98m,寬50m,坡向為北東向至南東向,坡高4～18.5 m。邊坡主要是由建筑樓房時開挖形成,坡向80～120°,坡面近直立突出狀。坡頂上兩棟居民樓,坡頂地面起伏較小。坡面上植被發育,以灌木為主 。

邊坡為巖質邊坡,巖性為古元古界遼河群浪子山組石英巖。坡頂及中部平臺為新生界第四系覆蓋,厚度小于0.5m。屬坡積物,巖性為黏土夾砂。

坡面有一條斷層通過,從區域地質圖上看,應為湯崗子斷裂分支。走向230°,產狀140°∠62°。斷層寬約0.4m,為一壓性構造。

坡面節理裂隙發育,初步統計有三組,編號和產狀為: ①115°∠76～84°; ②100°∠57°; ③160°∠59°。

發生崩塌處距邊坡北緣31m,發生在第一個平臺邊緣。崩塌體長約12m,寬約2m,高約2m,總體約48m3。邊坡坡腳距對爐街 42棟樓西山墻1.5m。邊坡坡頂距另一棟居民樓東山墻不足1m。

2 基于極限平衡法的邊坡穩定性分析

邊坡穩定性分析方法,大致可以分為以下幾類:定性分析方法、定量分析方法、非確定性分析方法、物理模擬方法。定量分析法就是在定性分析的基礎上,對邊坡穩定性進行量化計算,得出穩定安全系數。其基本研究內容是基于力學分析和物理上的合理性要求,求解抗滑穩定的最小安全系數和確定對應于最小安全系數的滑動面的位置。邊坡抗滑穩定分析的定量計算方法成果很多,主要有極限平衡法、極限分析法和有限元法。

極限平衡法 (Limit eguilibfium method)是根據作用于巖土體中潛在破壞面上,塊體沿破壞面的抗剪力與該塊體沿破壞面的剪切力之比,求該塊體的穩定性系數。分析巖體和土體穩定性時,假定一破壞面,取破壞面內土體,為脫離體計算出作用于脫離體上的力,即達到靜力平衡時所需巖土的抗力或抗剪強度,與破壞面實際所能提供的巖土的抗力或抗剪強度相比較,以求得穩定性安全系數的方法,或根據所給定的安全系數求允許作用外荷載的方法。不考慮地震以及地下水作用時的公式如下:式中:k為安全系數;N為結構面上的正壓力(kN);T為結構面上的下滑力(kN);R為平行于結構面方向的抗滑力(kN);W為滑體重力(kN);Ai為第i巖層總面積(m2);N1為重力在垂直于結構面方向的分力(kN);T1為重力在平行于結構面方向的分力(kN);Np為外荷載在垂直于結構面方向的分力(kN);Tp為外荷載在平行于結構面方向的分力(kN);H為邊坡的高度(m);α為結構面傾角(°);c為結構面黏聚力(KN/m2);φ為結構面摩擦角(°);γi為第i巖層容重(KN/m3);Px為水平方向外荷載作用(kN);Py為豎直方向外荷載作用(kN)。

根據邊坡的實際情況,依據《工程巖體分級標準》(GB50218-94)規范,選取的有關計算參數為:邊坡高度10.4m,結構面傾角:60°,結構面黏聚力:170.0kPa,結構面內摩擦角:33°,石英巖容重為27000kN/m3。坡體計算簡化圖見圖1。結構面選取最陡的一組,傾角80°。坡頂六層居民樓,按均勻線性荷截計算,每層按120kPa,六層720kPa。樓長60m,所以單位寬度上的豎向壓力為43200kPa。

圖1 坡體計算簡化圖

將上述參數代入公式中,計算得結果為:巖體重量 104039.9kN,結構面上正壓力25567.9kN,總下滑力 145003.0kN,總抗滑力17861.5kN,安全系數0.123。坡體不穩定,與發生崩塌的實際情況符合。

3 三維楔形體穩定分析

巖質邊坡常被結構面切割成三維楔形體,楔形體破壞的穩定性通常是采用平移滑動破壞計算法進行分析的。這種平移滑動破壞以楔形體的幾何形狀或受力條件不同,可分為沿兩個結構面的組合交線滑動和沿兩個結構面中的某一個結構面滑動,而沿另一結構面呈拉斷兩種情況。對其進行穩定性分析時,計算不同結構面結合下的穩定系數,穩定系數值最小的破壞方式則應是楔形體的最危險破壞方式 (見圖2、圖3)。

圖2 楔形體計算示意圖

圖3 結構面2、3赤平投影圖

其計算公式如下:

式中:Fs為邊坡穩定的安全系數;CA為切面A上單位黏結力 (kPa);CB為切面B上單位黏結力(k Pa);φa為切面A的內摩擦角 (度);φb為切面B的內摩擦角 (度);γ為巖體容重 (kN/m3);γw為水容重 (kN/m3);H為楔體的總高度 (m);X,Y,A,B為楔體的幾何系數;ψa為平面A的傾角 (°);ψb為平面B的傾角 (°);ψ5為交線5的傾角 (°);θ13為交點 ①與 ③的角距;θ35為交點 ③與⑤的角距;θ24為交點②與④的角距;θ45為交點④與⑤的角距;θ1·nb為交點①與平面B極點的角距;θ2·na為交點 ②與平面 A 極點的角距;θna·nb為平面A與平面B極點的角距。

邊坡面產狀:120°∠90°,坡頂面產狀:140°∠3°。不同結構面兩兩組合,計算參數同前,計算結果見表1。

從計算結構上看,三維楔形體可能形成在斷層和節理面②、節理面②與節理面③兩種組合中,其中前者可能性最大。其他的節理面①與節理面②組合上,均可能發生滑動,但不易形成三維楔形體。因此,最有可能形成崩塌災害的是斷層和節理面②這種情況。發生的崩塌體,正是沿著這個面發育形成的,計算結果與實際情況十分符合。

4 治理工作建議

針對本區邊坡陡、節理裂隙發育、建筑密集且距邊坡距離近的特點,治理設計建議應采用的方法為:①坡腳下設置擋土墻,減少臨空面。②坡面上不穩定體或危巖多分布于邊坡中上部,采用錨桿固定后,分別通過支撐繩和縫合繩拉伸來對柔性網部分實現預張拉,從而對整個邊坡形成連續支撐。在此基礎上,對治理后的邊坡采用水泥噴面,防止裂隙進一步發展。③對于較平緩的斜坡面采用削坡、客土、種樹播草的方法。④坡頂平臺采用漿砌石防護,防治地下水滲入。

表1 三維楔形體穩定分析計算表

5 結語

1)城區內人類活動對地質環境影響大,原有的穩定坡面在不合理的工程情況下,很有可能轉變為不穩定的地質體。

2)基于極限平衡法的邊坡穩定性方法,快捷、參數易取,可迅速的判定斜坡體的穩定性,但不能判定出具體的滑動面。

3)三維楔形體穩定分析,是在赤平投影圖的基礎上進行計算,通過對不同結構面組合的計算,可進一步找到可能發生崩塌的結構面及其滑動方向,為治理設計提供依據。

4)針對本區坡體不穩定,坡面可能發生塊狀崩塌的可能性,建議設計應采用錨桿與SNS柔性網相結合為主的方式,可保證坡體的穩定性。坡腳下設置擋土墻,坡頂平臺采用漿砌石,對于兩側相對較平緩的斜坡面還應采用削坡、客土、種樹播草的方法。

[1] 劉志斌,等.三維楔形體轉動破壞的穩定分析 [J].阜新礦業學院學報 (自然科學版),1997,16(5):513-516.

[2] 梁星,等.降雨入滲對巖質高邊坡穩定性的影響分析 [J].露天采礦技術,2010(4):37-39.

[3] 劉士誠,張述畢,劉六藝,等.瀘定水電站廠房高邊坡上SN S柔性防護系統施工 [J].水利水電施工,2010(1):11-13.

[4] 海龍,梁冰.考慮降雨入滲條件的土體邊坡穩定性分析[J].水資源與水工程學報,2010,21(4):46-50.