綜合評價法確定巖質順向坡軟弱結構面的強度參數

楊朝發，劉發祥

(貴州有色地質工程勘察公司，貴州貴陽 550005)

綜合評價法確定巖質順向坡軟弱結構面的強度參數

楊朝發，劉發祥

(貴州有色地質工程勘察公司，貴州貴陽 550005)

巖質邊坡的勘察相對較為簡單，不像土質邊坡那樣當巖土結構復雜時使得勘察較為困難，但當巖質邊坡為順向坡、且有軟弱夾層時，其軟弱結構面抗剪強度指標的確定一直是勘察人員難以把握的問題。結合工程實例，通過結構面大型現場直剪試驗、規范查表法及反算法等綜合評價法，確定了巖質邊坡軟弱結構面的抗剪強度指標，并對各方法進行了詳細的介紹和分析，以供類似工程作對比參考。

巖質邊坡;順向坡;軟弱結構面;強度參數;綜合評價法;勘察

0 引言

近年來，巖質邊坡順層滑坡頻繁發生，造成巨大的經濟損失及人員傷亡，其危害性極大。巖質順向坡引起了相關人員的重視［1，2］。多數巖質順向坡的滑動，均為其間存在某一層或幾層軟弱結構面，由于其本身抗剪強度指標較低及人工切腳影響，其沿軟弱結構面滑動的可能性極大［2］。按照要求，其結構面(特別是軟弱結構面)的抗剪強度指標一般應通過原位測試確定，但當前并非所有工程均能做到，主要是由于巖體(特別是軟弱結構面)的現場剪切試驗費用較高、試驗時間較長、試驗條件不成熟等原因，大多數工程均參照相關規范進行查表取值。工程實踐研究表明，不同軟弱結構面強度參數求取方法得出的結果差異較大，給設計人員的使用帶來相當困難。本文以貴州某小區巖質順向坡的勘察工程為例，通過對軟弱結構面進行現場直剪試驗，并結合規范查表法、反算法等方法綜合確定了巖質邊坡軟弱結構面參數，為支護設計提供符合工程實際的相關參數。

1 工程概況

貴陽市某小區位于貴陽市金陽新區，根據設計標高及位置關系，擬建場地的ABC區段建設將在其北西側形成13.5 m高的基坑邊坡及14.6 m高的小區道路邊坡。邊坡頂部為已修建好的其它小區A1、2、3、4、5、6號樓，因此認為該邊坡為破壞后果嚴重的一級建筑邊坡工程。根據調查和鉆探結果綜合分析，初步認為潛在的滑移面為邊坡中含泥質軟弱結構面。

2 邊坡巖土結構特征

①第四系雜填土(Qml):主要由粘土、碎石、磚塊等組成，結構松散，不均勻，厚度在0～5.1 m之間。

②第四系紅粘土(Qdl+el):褐黃色，結構致密、質細、均勻，呈硬塑狀，場地層厚一般為0～3.0 m。

③三疊系關嶺組(T2g):主要為灰～灰白色白云巖、泥灰巖，層間夾薄層泥巖(軟弱夾層)，中厚層狀，細～中晶結構，節理較為發育。

④軟弱夾層(軟弱結構面):灰綠、灰色，薄層，主要為泥巖組成，在其白云巖與泥灰巖層間有分布，呈強風化，遇水易軟化。

3 邊坡特征及破壞模式分析

3.1 邊坡特征

根據設計提供的總平面圖，受征地條件限制，為滿足平場、開挖要求，將進行切坡，切坡后將形成長257 m、高14.6 m的人工邊坡，且已部分開挖(本文以BC段為例)。

BC段位于擬建場地的東側中段，邊坡頂為某單位的已建小區，距離紅線6.0～8.0 m，有一定放坡條件。開挖將形成10.0～15.0 m高的基坑巖質邊坡，坡向為130°，其巖土構成主要為中風化基巖，層間夾薄層泥巖，泥巖的結構面表面平整光滑、無膠結，且延展性較好，因此，根據《建筑邊坡工程技術規范》(GB 50330－2002)的評價標準判斷，該邊坡巖體軟弱結構面的結合程度為結合很差的類型［3，4］。

3.2 邊坡破壞模式分析

根據邊坡勘察成果和地表實地調查，勘察區巖體中除層面外主要存在2組節理，產狀分別為45°∠85°(J1)和110°∠70°(J2)，其性質為張節理，巖淺部節理平均間距0.1～0.3 m，結合差，發育深度較深。巖層產狀為115°∠20°(S0)，開挖坡面為130°∠65°。根據上述參數繪制邊坡的赤平極射投影圖如圖1所示。

圖1 赤平投影圖

經對上述赤平投影圖分析得知，該邊坡沿兩組節理面J1、J2均穩定，沿層面(軟弱結構面)S0不穩定，其邊坡主要的破壞形式為沿S0順層滑動，其滑動面為其間的軟弱夾層，因此，勘察設計的關鍵就是確定該軟弱夾層的強度指標。

4 軟弱結構面參數的確定

4.1 現場大型直剪試驗及其成果

4.1.1 試驗點的選擇

試驗點的選擇根據現場地形地貌條件、巖體出露分布情況、邊坡特征及便于試驗操作等因素綜合考慮，其水平剪切力同邊坡臨空方向一致。

4.1.2 試驗設備

本試驗在試坑中進行，垂直壓力采用平臺堆載為反力系統(以6根工字鋼梁為次梁鋪置竹膠板形成一個長4.8 m、寬2.0 m的堆載平臺，其上均勻堆載砂袋，堆載量約100 kN)，水平剪力以試坑壁為反力系統;正應力及水平剪應力加壓系統均為油壓千斤頂;正應力測力裝置由200 kN傳感器及應變儀組成，水平剪應力測力裝置為200 kN測力計，測力裝置于試驗前在室內進行率定，現場根據加荷標準及率定值逐級加荷;傳力系統由傳力柱、鋼墊塊、滾軸、承壓板等組成;位移量測系統由大行程百分表、磁性表座、萬能表架、量表支架等組成。

4.1.3 試驗方法

采用“平推法”進行現場大剪試驗，其加荷方式為:在試樣修整完畢、設備安裝好后，施加法向應力，由于試件變形使垂直壓力下降時應隨時補壓，待垂直壓力穩定、垂直變形達到相對穩定后，開始均勻施加水平推力，各試驗點的剪應力按預估最大荷載的8%～10%分級等量施加，每級剪切荷載施加5 min施加下一級剪切荷載，直到測力計讀數不再升高時即可認為巖體已產生剪切破壞，當剪切變形急劇增加或剪切位移達到50 mm可終止試驗。按上述方法在不同垂直壓應力下進行試驗，試驗結果見圖2、圖3和表1。

圖2 P－τ關系回歸曲線

圖3 剪切位移與剪應力關系曲線

表1 主要試驗成果表

表1的結果是在天然狀態下得到的，可以看出，內摩擦角的峰值是殘余值的1.36倍，粘聚力的峰值是殘余值的1.52倍，二者的比例關系比較一致，但殘余值的降低幅度比較大。由此可見，采用現場原位剪切試驗可以得出不同物理條件下的指標，其指標具有明確的物理意義，這更有利于設計時根據計算工況進行選用。但缺點是試驗數據有限，代表性不強，為了與規范中的標準值一致，在沒有足夠統計樣本時需憑以往經驗進行一定折減后作為標準值采用。根據相關資料的研究數據分析［5］，結合該場地巖體室內試驗數據的變異特征和以往經驗，分別對內摩擦角和粘聚力的實測值采用0.90和0.85的折減系數進行折減，即:ck峰=74.2 kPa，φk峰=17.4°; ck殘=48.8 kPa，φk殘=12.8°。

4.2 規范法確定軟弱結構面強度參數

規范法實際上是根據定性評價結果確定力學參數的方法，根據文獻［3］，若無現場試驗結果時，可按表2對結構面的強度參數進行取值。

表2 結構面抗剪強度指標標準值

根據該邊坡軟弱結構面實際情況，不具備文獻［3］中注明的不利情況，其力學特征最接近于軟弱結構面中的結合很差類型，按照一般情況下，取中值為:ck=35.0 kPa，φk=15.0°。

4.3 反算法

反算采用的已知參數如下:

V=1402.3 m3，γ=27.3 kN/m3，Ac=88.3 m2，θ =20°，φk=15°，Q=3520 kN(附加荷載，已有11層建筑，按單位荷載20 kN/m2，長16 m)。

反算求得其ck=43.0 kPa。由此可見，反算的結果更接近現場剪切試驗的殘余值，說明邊坡接近臨界穩定的假定是基本符合實際的。

4.4 綜合分析

各種方法得到的指標見表3。

雖然該邊坡還未出現明顯滑移現象，但坡頂有細微裂縫出現，推斷該邊坡處于臨界穩定狀態下，將邊坡穩定系數為Ks=1時進行反算，考慮到內摩擦角的變異性相對較小，取φk=15°反算ck值，式(1)為反算采用的模型公式［3］:

表3 各種方法的抗剪強度指標對比

從表3分析可看出，盡管反算法的模型接近實際，但由于事先需假定其中一個參數為定值，所以得出的結果人為因素偏大，選用哪一個參數作為定值反算需結合2個參數對邊坡進行敏感性分析后才能提出，但其反算的結果至少可以判斷設計計算的取值傾向。由于多數研究都認為現場試驗結果是更為可靠的指標，本項目反算的結果表明選取現場試驗的殘余值更為合理。考慮到本次試驗數據有限、代表性不夠，同時規范法又是對定性評價結果的運用，一般取值偏于保守，基于這一思路，本次勘察選用規范法和現場直剪殘余值的平均值作為最終的設計指標，既照顧到經驗的結果，又充分利用了試驗數據。因此，筆者認為選用ck=42.0 kPa、φk=14.0°進行設計計算更為經濟合理。后期監測結果表明邊坡的運營是安全的。

5 結語

通過上述分析可見，在對已開挖或部分開挖巖質邊坡進行勘察過程中，首先對邊坡的穩定性狀況和破壞模式進行正確分析尤為重要，對正確確定巖質邊坡軟弱結構面的抗剪強度指標具有全局的指導意義。軟弱結構面強度指標的確定無論采用哪一種方法都是不全面的，灰色信息太多，很難得出合理的取值結果，文中的綜合評價法應是確定軟弱結構面強度指標的有效途徑。

［1］陳祖煜.土質邊坡穩定分析——原理·方法·程序［M］.北京:中國水利水電出版社，2003.

［2］陳祖煜，汪小剛，楊健，等.巖質邊坡穩定分析——原理·方法·程序［M］.北京:中國水利水電出版社，2005.

［3］GB 50330－2002，建筑邊坡工程技術規范［S］.

［4］GB 50021－2001，巖土工程勘察規范［S］.

［5］林宗元.巖土工程試驗監測手冊［M］.遼寧沈陽:遼寧科學技術出版社，1991.

Determination of Strength Parameter of Weak Structural Plane of Consequent Rock Slope by Comprehensive Evaluation Method

YANG Chao-fa，LIU Fa-xiang(Nonferrous Geotechnical Investigation Company of Guizhou，Guiyang Guizhou 550005，China)

The investigation of rock slope is easier than that of soil，because geotechnical structure is not that complex.But for the consequent rock slope with weak interlayer，the determination of shear strength indexes of weak structural plane has been difficult to grasp.Combined with the engineering case，according to the comprehensive evaluation by direct shear test，standard lookup method and inverse algorithm，shear strength indexes of weak structure of rock slope were determined，and detail introduction and analysis were made on each method to be reference to similar engineering.

rock slope;consequent slope;weak structural plane;strength parameter;comprehensive evaluation method; investigation

P642.2

A

1672－7428(2012)08－0072－03

2012－02－27

楊朝發(1977－)，男(土家族)，貴州思南人，貴州有色地質工程勘察公司工程師，巖土工程專業，從事巖土工程勘察、設計等研究工作，貴州省貴陽市寶山南路27號凱尼大廈12樓鄭麗轉(550002)，505000688@qq.com。