緩傾切向巖質邊坡順層滑動典型工程案例研究

王家琳，龐 平，李香福，龍 舉

(1.貴州地質工程勘察設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550008；2.貴州省地質礦產勘查開發(fā)局111地質大隊，貴州 貴陽 550008)

邊坡工程按照巖層傾向與坡向的關系可以劃分為順向邊坡、反向邊坡、斜向邊坡與直立邊坡[1]，一般情況，順向邊坡屬于不穩(wěn)定坡體結構，直立與反向邊坡屬于整體穩(wěn)定性較好的坡體結構，斜向邊坡相較于順向邊坡，邊坡穩(wěn)定性主要控制因素可能由外傾結構面轉換為邊坡巖體強度。白云峰等[2]通過室內模型試驗結合渝懷鐵路沿線順層滑坡特征，提出巖層走向與邊坡走向夾角等于30°為順向邊坡的上限值，當夾角大于30°時，邊坡穩(wěn)定性明顯增強，該結論與《建筑邊坡工程技術規(guī)范》對于外傾結構面[3]的劃分標準一致，規(guī)范將結構面傾向與邊坡坡向夾角小于30°的結構面定義為外傾結構面，邊坡可能失穩(wěn)模式為沿著外傾結構面破壞。

巖層傾角對邊坡穩(wěn)定性及破壞模式有重要影響，林杭等[4]運用FLAC3D對層狀巖質邊坡進行數值模擬，認為順向邊坡穩(wěn)定性隨結構面傾角在[10°,60°]之間呈兩邊大中間小的形態(tài)分布，當結構面傾角為30°時，邊坡穩(wěn)定性系數最小。陳從新等[5]對巖層傾角影響順層巖質邊坡穩(wěn)定性的模型試驗中發(fā)現：若巖層傾角與層面內摩擦角近似相等，邊坡不會立即失穩(wěn)變形，邊坡變形發(fā)生在開挖結束后一段時間內，時間間隔與巖層面抗剪強度、傾角相關。趙曉等[6]對軟弱夾層發(fā)育的切向邊坡失穩(wěn)模式進行研究，認為層間軟弱夾層與巖體中的結構面組合會形成大量潛在不穩(wěn)定塊體，不利于邊坡穩(wěn)定。劉光華等[7]運用模糊數學對緩傾角順向邊坡穩(wěn)定性進行研究，將15°～30°的順向坡劃分為緩傾順向邊坡，他認為影響緩傾順向邊坡的穩(wěn)定性主要有5種因子，而降雨、前緣開挖是強影響因素。

1 工程概況

本次研究的邊坡位于某房地產項目臺地建筑4#、6#樓西側，邊坡長約200 m，高度7.0～13 m，邊坡坡向為118°，坡角約為80°，邊坡巖層產狀為160∠13°，為緩傾角切向巖質邊坡。邊坡坡腳為擬建4#、6#樓及園區(qū)道路，坡腳場平開挖標高為1 257.0～1 259.75 m，坡頂為擬建幼兒園，幼兒園與坡腳線的平面距離約為60 m，幼兒園與坡頂線之間的區(qū)域為原始地貌，無建筑物。

邊坡坡面形態(tài)于4月中旬基本成型，但坡面并未進行支護處理，邊坡周邊仍在進行場坪開挖的工程建設活動。7月初為陰雨天氣，連續(xù)降雨，至7月9日晚，邊坡發(fā)生失穩(wěn)變形。邊坡失穩(wěn)表現為前緣局部滑坡，后緣出現拉張裂縫，邊坡失穩(wěn)發(fā)生在晚上，邊坡破壞未造成人員傷亡及財產損失(見圖1)。

圖1 邊坡失穩(wěn)變形遠景照

2 邊坡巖體及變形破壞特征

2.1 邊坡巖土構成

邊坡巖性為三疊系下統(tǒng)安順組(T1a)白云巖，風化程度為中等風化，巖石呈灰色、灰紫色，薄至中厚層狀，巖體破碎至較破碎，性脆，屬于較硬巖。邊坡巖石層間發(fā)育有泥質軟弱夾層，厚度0.3～1.5 cm，軟弱夾層物質成分為粉質粘土。

2.2 地質構造

研究區(qū)位于揚子準臺地黔北臺隆遵義斷拱貴陽復雜構造變形區(qū)，場地內斷層、褶皺構造不發(fā)育，下伏基巖呈單斜產出，產狀為160°∠13°。邊坡巖體主要發(fā)育有兩組陡傾節(jié)理裂隙：一組產狀為155°∠87°，一組產狀為70°∠85°，節(jié)理裂隙面起伏粗糙，發(fā)育間距4～6條/m，延伸長度0.1～1.6 m，巖屑充填，結合一般，屬硬性結構面(圖2)。

1-三疊系下統(tǒng)安順組；2-滑坡；3-地表裂縫；4-地層產狀；5-坡腳線；6-坡頂線；7剖面編號；8-標高

2.3 水文地質條件

研究區(qū)地下水類型主要為碳酸鹽巖巖溶裂隙水，含水介質為溶洞—裂隙，賦存形式以裂隙流為主，管道流次之，滲透不均勻。地下水主要補給來源為大氣降雨，降雨通過地表裂縫滲入地下轉為地下水。總體而言，研究區(qū)穩(wěn)定性地下水位遠低于邊坡坡腳，穩(wěn)定地下水位對邊坡影響小，但降雨入滲會對邊坡穩(wěn)定性造成影響。

2.4 巖體物理力學參數

邊坡巖體為中風化白云巖，巖石重度為27.0 kN/m3，巖石飽和單軸抗壓強度標準值為frk=31.5 MPa，屬于較硬巖，巖體抗剪強度粘聚力Ck=200 kPa，內摩擦角φk=35°。層間軟弱夾層成分為粉質粘土，重度為20.4 kN/m3，含水量為19.6%，比重為2.71，孔隙比為0.57，飽和度93.7%，重塑土抗剪強度粘聚力標準值Ck=34.4 kPa，內摩擦角標準值φk=16.2°。

2.5 邊坡變形破壞特征

2.5.1 邊坡基本特征

邊坡為巖質邊坡，巖性為灰色、黃紫色薄至中厚層白云巖，坡角為80°，坡高7.0～13 m，邊坡長約200 m。邊坡坡向為118°，巖層產狀為160∠13°，邊坡坡向與巖層產狀夾角為42°，為緩傾角切向巖質邊坡。邊坡安全等級為一級，為永久性邊坡，規(guī)范[8]要求邊坡穩(wěn)定系數不小于1.35。

2.5.2 邊坡可能破壞模式及穩(wěn)定性

邊坡坡向為118°，坡角為80°，巖層產狀為160∠13°，兩組節(jié)理產狀分別為155°∠87°和70°∠85°，采用赤平投影定量分析邊坡可能破壞模式見圖3。邊坡為切向邊坡，邊坡可能破壞模式為層面與節(jié)理切割形成的塊體產生順層滑動，巖層間存在泥質軟弱層，選擇該層為潛在滑移面進行穩(wěn)定性計算，同時采用破裂角定量計算切向邊坡穩(wěn)定性，破裂角取45°+φ/2=62.5°，計算參數采用邊坡巖體及巖層面室內試驗值，計算公式見(1)：

(1)

式中：W為單寬滑體自重(kN/m3)；F為穩(wěn)定性系數；C為滑動面粘聚力標準值(kPa)；φ為滑動面內摩擦角標準值(°)；α為滑面的傾角(°)；L為單寬滑體滑面長度(m)。通過計算，邊坡沿破裂角及軟弱夾層破壞的穩(wěn)定性系數F分別為4.582和2.342，邊坡穩(wěn)定性系數大于邊坡穩(wěn)定安全系數。

圖3 邊坡赤平投影分析圖

2.5.3 邊坡變形特征

邊坡在7月9日晚發(fā)生失穩(wěn)變形，邊坡失穩(wěn)表現為前緣局部滑坡，后緣出現拉張裂縫，邊坡坡面出現明顯錯動跡象。

滑坡出現在4#樓西北側，滑坡體長約55 m，寬約20 m，滑體厚約3 m，滑坡土石方量約為3 300 m3，滑坡方向為150°。滑坡發(fā)生后采取的應急處置方案為前緣堆土反壓治理(見圖1)。

邊坡后緣出現2條延伸很長的地表裂縫，地裂縫LF1平面上呈“√”狀，裂縫長軸走向為25°，與邊坡走向基本一致，裂縫短軸走向為100°，裂縫LF1地表寬度為0.3～1.5 cm，延伸長度約為185 m；裂縫LF2發(fā)育長度約為52 m，走向為15°，裂縫地表寬度0.5～2.5 cm，裂縫走向與邊坡走向基本一致，裂縫南端延伸至滑坡邊界(見圖1和圖4)。6#樓西北側邊坡的坡面出現明顯錯動，錯動距離0.1～0.5 m(見圖5)。

圖4 坡頂地表拉張裂縫 圖5 坡面褥滑變形斷口

本次研究的邊坡坡向與巖層傾向夾角為42°，邊坡為切向邊坡，從變形跡象判斷，坡體發(fā)生了順向滑移。現狀條件下，坡體變形特征與按照室內試驗值計算的坡體穩(wěn)定性結果吻合度差。

3 邊坡變形機制研究

3.1 滑面抗剪強度反演分析

邊坡滑移面為含有泥質夾層的巖石層面，泥質夾層力學參數是影響坡體穩(wěn)定性的重要參數，本次研究依據坡體變形現狀特征采用反演分析的方法來反算滑動面力學參數，而在采用反演法分析法的過程中徐漢斌[9]等認為滑坡不同發(fā)展階段對應不同的穩(wěn)定系數。本次研究采用GPS實測2條沿邊坡主變形方向的工程地質剖面，編號為1—1＇剖面和2—2＇剖面，其中1—1＇剖面布置在滑坡變形區(qū)域且同主滑方向一致，結合原始地形圖恢復已滑塌部分剖面的地面線。反演過程采用雙參數反演，反演結果見表1，反演中存在C、φ兩個未知參數，選擇邊坡主滑方向的2條剖面按照公式(1)建立極限平衡方程組求解，反演中假定2條剖面的滑帶土質均勻，力學參數相同，忽略靜水壓力作用，1—1＇剖面坡體前緣已經發(fā)生滑塌，反演中取穩(wěn)定性系數Fs1=0.95； 2—2＇剖面坡頂出現有地表裂縫，坡面出現0.1～0.5 m的明顯錯動，但滑體并未順坡下滑，故取穩(wěn)定性系數Fs2=1.00進行反演計算。

表1 滑帶土抗剪強度反演計算結果表

通過反演計算，滑帶土抗剪強度粘聚力C=13.1 kPa，內摩擦角φ=7.1°。滑帶為軟弱夾層被降雨浸蝕弱化而成，故采集軟弱夾層重塑土進行室內飽和直剪試驗，軟弱夾層粘聚力標準值C=34.4 kPa，內摩擦角標準值φ=16.2°，滑帶土反演力學參數低于軟弱夾層的室內試驗值，邊坡滑帶按照室內試驗值與反演值判斷穩(wěn)定性結果見表2。通過對比，室內試驗值計算的邊坡穩(wěn)定性與實際邊坡變形特征吻合度差，分析原因，筆者認為一方面軟弱夾層取樣的代表性對室內試驗結果有較大影響，另一方面筆者認為室內試驗值忽略了軟弱夾層所處的環(huán)境條件變化對力學參數造成的不利影響。邊坡從4月份開挖成型到7月份發(fā)生變形失穩(wěn)，坡面未做處理，軟弱夾層在長時間的日光暴曬、浸水等因素反復作用下，力學參數發(fā)生降低變化，且邊坡所處的周邊環(huán)境在進行場平開挖，機械振動降低了軟弱夾層與層面的結合程度。

表2 軟弱夾層不同方法取值工況下邊坡穩(wěn)定性對照表

3.2 邊坡變形影響因子分析

3.2.1 邊坡變形影響因子劃分

1)泥質軟弱夾層

邊坡巖石層間發(fā)育有軟弱夾層，軟弱夾層物質成分為粉質粘土，厚度0.3～1.5 cm，軟弱夾層構成邊坡滑移變形的潛在滑面，軟弱夾層抗剪強度隨時間在日光暴曬、雨水浸蝕等因素反復作用下會逐漸降低，同時邊坡周邊開挖時的機械振動降低了軟弱夾層與層面的結合程度，當滑體下滑力大于抗滑力時，邊坡發(fā)生滑移失穩(wěn)，軟弱夾層構成邊坡失穩(wěn)變形的滑帶。軟弱夾層為邊坡滑移失穩(wěn)變形的內部控制因素。

2)巖層傾角

邊坡巖層產狀為160°∠13°，巖層傾角較緩但傾向坡外，層間軟弱夾層與貫通裂縫切割形成的巖塊褥滑方向與巖層產狀基本一致，滑面傾角等于軟弱夾層真傾角，巖層傾角略小于軟弱夾層內摩擦角室內實驗值但遠大于滑面內摩擦角反演值。

3)邊坡巖體結構面

邊坡巖體發(fā)育的層理、節(jié)理裂隙破壞了巖體的完整性，節(jié)理近似垂直，未貫通節(jié)理通過巖橋進行連接，邊坡開挖卸荷后將在坡體內部產生很大的拉應力集中現象，研究表明坡體后緣一定范圍內拉應力隨著距坡頂線距離的增大而增大，當拉應力大于巖橋的抗拉強度時，巖橋將產生拉張裂縫，拉張裂縫促使巖橋兩側的節(jié)理裂隙貫通發(fā)展成為破裂面，破裂面與軟弱夾層分別構成滑體的后緣邊界以及底邊界。

4)邊坡巖性及強度

邊坡巖石構成為薄至中厚層白云巖，巖質性脆，單軸飽和抗壓強度標準值frk=31.5MPa，屬于較硬巖的低值區(qū)，巖石力學強度不高，邊坡開挖卸荷產生的拉應力易使巖石變形而產生拉張裂縫。

5)降雨作用

降雨是邊坡失穩(wěn)變形的重要誘發(fā)因素，雨水的反復浸蝕一方面降低了軟弱夾層的抗剪強度，另一方面也不斷弱化巖石的強度，再且裂隙中充水會產生靜水壓力，靜水壓力增加滑體下滑力的同時也降低了抗滑力。

6)邊坡前緣開挖卸荷

邊坡前緣開挖卸荷導致坡面臨空，坡體應力場發(fā)生變化，坡體拉應力會導致邊坡后緣產生拉張裂縫，盡管邊坡為切向邊坡，但順層方向邊坡存在臨空面，軟弱夾層與后緣拉張破裂面切割形成的不穩(wěn)定塊體及有其可能發(fā)生滑移破壞。

7)周邊環(huán)境施工震動

邊坡在4月份開挖成型后，邊坡周邊在進行場平開挖，開挖方式采用鑿巖機結合挖掘機進行挖方工程，機械振動對軟弱夾層與層面的結合程度造成了不利影響，降低了軟弱夾層的抗剪強度。

3.2.2 邊坡變形影響因子權重研究

針對本次研究邊坡的變形特征，采用層次分析法研究各因子在影響邊坡變形過程中權重程度，評價模型見圖6，采用1～9標度[10]法構造中間層和指標層的判斷矩陣見式(2)～(5)，通過計算中間層的一致性比例為0.009，指標層C1、C2、C3的一致性比例分別為0.028、0.0、0.0，一致性比例均小于0.1，分析過程滿足要求，最終確定邊坡變形影響因子權重見表3。

(2)

(3)

(4)

(5)

通過分析，卸荷開挖、降雨及軟弱夾層是影響邊坡穩(wěn)定性的主控因子，卸荷開挖致使坡體存在臨空面，層間軟弱夾層傾向坡外為潛在滑面發(fā)育提供了物質基礎，降雨作用的不利影響促使軟弱夾層演化為滑移面。

3.3 邊坡變形失穩(wěn)機制分析

邊坡前緣被大規(guī)模挖方卸荷形成陡峻的切向巖質邊坡面，坡體應力場發(fā)生改變，在距坡頂線一定范圍的坡體內部拉應力將隨著離坡頂線距離的增大而逐漸增大，當坡體拉應力大于巖橋巖石抗拉強度時，將在地表及內部產生拉張裂縫，隨著時間推移張拉裂縫逐漸向深部發(fā)展，當張拉裂縫與巖體節(jié)理裂隙貫通形成破裂面后，破裂面便構成滑體的后緣邊界。

圖6 邊坡變形影響因子分析模型

表3 邊坡變形影響因子權重計算表

邊坡巖體層間發(fā)育有軟弱夾層，軟弱夾層與邊坡后緣拉張破裂面將巖體切割成規(guī)模不等的不穩(wěn)定巖塊，盡管邊坡為切向邊坡，但軟弱夾層屬于傾向臨空面的軟弱結構面，力學強度差，軟弱夾層構成了不穩(wěn)定巖體的潛在滑面，塊體滑移方向與巖層傾向基本一致。

軟弱夾層在降雨的反復浸蝕作用下力學強度發(fā)生很大程度較低，同時后緣拉張裂縫中雨水會對塊體產生靜水壓力，靜水壓力增大塊體下滑力的同時會減小塊體抗滑力，加之邊坡周邊施工機械振動的不利影響，當塊體下滑力大于抗滑力時，邊坡巖塊發(fā)生滑移破壞，邊坡的失穩(wěn)模式為順向滑移—拉裂破壞。

4 結語

(1)層間軟弱夾層與后緣拉張破裂面將坡體切割成不穩(wěn)定塊體，大規(guī)模前緣開挖使不穩(wěn)定塊體在順層方向存在臨空面，軟弱夾層在降雨作用、施工震動等因素影響下力學強度不斷降低并演化為滑面，邊坡最終發(fā)生順層滑移—拉裂破壞。

(2)軟弱夾層、巖層傾角、巖體強度及節(jié)理裂隙、降雨作用、前緣開挖卸荷以及施工震動是邊坡穩(wěn)定性的影響因子，其中開挖卸荷、降雨及軟弱夾層是主控因子。

(3)軟弱夾層抗剪強度室內實驗值忽略了工程實際所處的環(huán)境條件，加之取樣代表性等因素影響，抗剪強度室內實驗值用于邊坡防治工程勘察設計時應乘以小于1的折減系數，折減系數宜結合規(guī)范、工程類比及反演分析綜合研究確定。