云南大理某邊坡穩(wěn)定性分析

趙月耀，譚 喨，徐秉杰

（1.云南省有色地質(zhì)局勘測(cè)設(shè)計(jì)院，云南 昆明 650000；2.云南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，云南 昆明 650000；3.西南有色昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)（院）股份有限公司，云南 昆明 650000）

1 工程概況

研究區(qū)位于云南省大理州大理市南部，該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，以北西向斷裂和南北向褶皺為主，處于紅河—洱海斷裂西南側(cè)，區(qū)內(nèi)斷層發(fā)育，褶皺形態(tài)特點(diǎn)是長(zhǎng)圓形褶曲、線形褶曲以及向斜開闊，褶皺大都被斷層破壞。研究區(qū)地處大理—?jiǎng)Υǖ卣饚В瑢儆趶?qiáng)震活動(dòng)帶[9]。根據(jù)收集整理的資料可得，大理抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，研究區(qū)處于區(qū)域地殼次不穩(wěn)定區(qū)。本文將研究區(qū)的西側(cè)和北側(cè)中部，對(duì)其進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性定性分析，并再分別從兩個(gè)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)選擇一個(gè)地質(zhì)剖面，對(duì)其進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性定量分析。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 定性分析——極射赤平投射法

2.1.1 場(chǎng)地西側(cè)邊坡定性分析

場(chǎng)地西側(cè)后緣永久挖方邊坡高11m～16m，為逆向坡。按照工程類比法，根據(jù)對(duì)周邊區(qū)域地質(zhì)情況的調(diào)查分析，西側(cè)邊坡高陡，構(gòu)成邊坡的泥質(zhì)粉砂巖抗風(fēng)化能力、抗沖刷能力差，巖土體邊坡易出現(xiàn)溜滑，局部巖體可能出現(xiàn)掉塊甚至坍塌的現(xiàn)象[1]。從現(xiàn)場(chǎng)的勘察成果看，邊坡因開挖形成，并形成了較大的臨空面，促使土體內(nèi)部原有應(yīng)力改變，導(dǎo)致邊坡變形失穩(wěn)，如果在坡腳部位進(jìn)行開挖或者破壞坡腳的土體，易形成剪應(yīng)力集中帶，會(huì)加速邊坡的變形。泥質(zhì)粉砂巖巖體發(fā)育有產(chǎn)狀分別為25°∠40°和125°∠60°的兩組裂隙。

圖1 場(chǎng)地西側(cè)邊坡赤平投影圖

2.1.2 場(chǎng)地北側(cè)中部邊坡定性分析

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察得知，邊坡上部形成一臨空面，中部下凹，整個(gè)邊坡坡度約為42°～75°，該邊坡由含碎石粉質(zhì)粘土和泥質(zhì)粉砂巖構(gòu)成，其中強(qiáng)—中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖巖體受節(jié)理裂隙切割較為破碎，抗風(fēng)化能力差[2-8]。從極射赤平投影圖（見圖2）可以得出各裂隙及裂隙組合相交形成組合跡線的傾向和傾角。

圖2 場(chǎng)地北側(cè)中部邊坡赤平投影圖

2.2 定量分析——邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

2.2.1 邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)計(jì)算方法

通過定性分析，可綜合各種影響因素，高效地確定邊坡穩(wěn)定狀況及近期可能的演變趨勢(shì)。在設(shè)計(jì)支護(hù)工程實(shí)施方案時(shí)，僅有定性的判斷顯然不夠，還需深入調(diào)查研究，掌握變形破壞跡象、巖體結(jié)構(gòu)特征等更加詳細(xì)的具體的現(xiàn)場(chǎng)資料，測(cè)算穩(wěn)定性系數(shù)及相關(guān)參數(shù)，并運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行下一步穩(wěn)定性計(jì)算，從定量的角度測(cè)算邊坡穩(wěn)定性[10，11]。

巖土工程界主要采用極限平衡條分法計(jì)算土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性，極限平衡法首先假設(shè)一個(gè)破壞面，將滑體劃分成垂直的土條，建立方程，求解后即可求得穩(wěn)定性數(shù)據(jù)。經(jīng)過多年的研究和積累，這發(fā)面的研究已經(jīng)很深入。本文用于計(jì)算邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的方法為瑞典條分法、圓弧滑動(dòng)法。

（1）瑞典條分法。由于不穩(wěn)定邊坡的潛在滑動(dòng)面上任意兩點(diǎn)的斜率各不相同，所以外部荷載的切向分量和法向分量在滑面上的各點(diǎn)都不相同，無法簡(jiǎn)單地按整體劃分計(jì)算。故若將研究區(qū)邊坡簡(jiǎn)單地看作一個(gè)整體來計(jì)算力矩平衡條件時(shí)，潛在滑動(dòng)面上的反力分布不易計(jì)算。計(jì)算φ＞0的土質(zhì)坡面的穩(wěn)定性時(shí)，W的大小和重心位置更加難于求解。為了便于算出邊坡土體的重量，在常見的邊坡穩(wěn)定性分析中，把研究對(duì)象在豎直方向上進(jìn)行切割，劃分為若干條狀土質(zhì)條塊，計(jì)算各個(gè)土質(zhì)條塊的滑動(dòng)力矩等參數(shù)后求和以計(jì)算其安全系數(shù)。瑞典條分法見計(jì)算公式1[12]。

式中：K—邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)；b—條塊寬度，m；W1—在邊坡外水位以上的條塊實(shí)重，kN；W2—在邊坡外水位以下的條塊實(shí)重，kN；Z—邊坡外水位離條塊底面中點(diǎn)的距離，m；μ—穩(wěn)定滲流期或水位降落期邊坡或地基中的孔隙水壓力，kPa；β—條塊的重力線與通過此條塊底面中點(diǎn)半徑之間的夾角，°；rw—水的重度，kN/m3；c、φ—土的抗剪指標(biāo)。

（2）圓弧滑動(dòng)法。圓弧滑動(dòng)法適用于計(jì)算土質(zhì)邊坡、風(fēng)化程度強(qiáng)烈的較大規(guī)模的碎裂結(jié)構(gòu)巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性，見計(jì)算公式2[13]。

式中：Ks—邊坡穩(wěn)定性系數(shù)；ci—第i計(jì)算條塊滑動(dòng)面上巖土體的粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；—第i計(jì)算條塊上的內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值，°；Li—第i計(jì)算條塊滑動(dòng)面長(zhǎng)度，單位為m；θi、αi—第i計(jì)算條塊底面傾角和地下水位面傾角，°；Gi—第i計(jì)算條塊單位寬度巖土體自重，kN/m；Gbi—第i計(jì)算條塊滑體地表建筑物的單位寬度自重，kN/m；Pwi—第i計(jì)算條塊單位寬度的動(dòng)水壓力，kN/m；Ti—第i計(jì)算條塊滑體在滑動(dòng)面切線上的反力，kN/m；Ni—第i計(jì)算條塊滑體在滑動(dòng)面法線上的反力，kN/m；Ri—第i計(jì)算條塊滑動(dòng)面上的抗滑力，kN/m；

2.2.2 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

通過收集整理大理地區(qū)以往地質(zhì)資料、工程地質(zhì)測(cè)繪以及鉆探的相關(guān)文獻(xiàn)資料，結(jié)合前期地質(zhì)勘察資料以及室內(nèi)試驗(yàn)得到各個(gè)基巖土層物理力學(xué)參數(shù)，其中個(gè)別物理力學(xué)性質(zhì)是參照相應(yīng)規(guī)范及累積的治理工程經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合研究區(qū)實(shí)際調(diào)查情況以及不穩(wěn)定斜坡對(duì)結(jié)構(gòu)面的研究成果予以微調(diào)校準(zhǔn)，具體見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)表

2.2.3 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

（1）場(chǎng)地西側(cè)邊坡定量分析。基于前期地質(zhì)勘察試驗(yàn)的結(jié)果，本文運(yùn)用瑞典條分法對(duì)邊坡未治理前的穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行測(cè)算，除表1涉及的土壤重度γ、粘聚力C、內(nèi)摩擦力φ、基底摩擦系數(shù)μ等參數(shù)以外，還需要以下參數(shù)包括：土條寬度b為1m；剖面高度為18.6m；圓弧入口起點(diǎn)以及終點(diǎn)x坐標(biāo)分別為35.000m和90.000m；圓弧出口起點(diǎn)以及終點(diǎn)x坐標(biāo)分別為5.000m和22.700；搜索時(shí)的圓心步長(zhǎng)、入口搜索步長(zhǎng)以及出口搜索步長(zhǎng)均為1.000m；搜索圓弧底的上限、下限為（1000.000m，-1000.000m）。其計(jì)算參數(shù)見表2：

表2 場(chǎng)地西側(cè)邊坡計(jì)算參數(shù)表

結(jié)合上表的參數(shù)最終計(jì)算得到，場(chǎng)地西側(cè)邊坡最不利的滑動(dòng)面圓心為(17.987，17.197)m，半徑為17.156m，在不考慮水作用的情況下，滑動(dòng)安全系數(shù)為1.318，在考慮地下水的情況下，滑動(dòng)安全系數(shù)為1.095，在考慮地震荷載的情況下邊坡滑動(dòng)安全系數(shù)為1.040。

（2）場(chǎng)地北側(cè)中部邊坡定量分析。基于前期勘察試驗(yàn)的結(jié)果，本文運(yùn)用圓弧滑動(dòng)法對(duì)邊坡未治理前的穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行測(cè)算，除了表1涉及的土壤重度γ、粘聚力C、內(nèi)摩擦力φ、基底摩擦系數(shù)μ等等參數(shù)以外，還需要以下參數(shù)包括：土條寬度b為1m；剖面高度為23.611m；邊坡坡角為52度；圓弧入口起點(diǎn)以及終點(diǎn)x坐標(biāo)分別為32.000m和90.000m；圓弧出口起點(diǎn)終點(diǎn)x坐標(biāo)分別為9.000m和10.000m；搜索時(shí)的圓心步長(zhǎng)、入口搜索步長(zhǎng)以及出口搜索步長(zhǎng)均為1.000m；搜索圓弧底的上限、下限為（1000.000m，-1000.000m）。其計(jì)算結(jié)果如表3。

表3 場(chǎng)地北側(cè)中部邊坡參數(shù)表

結(jié)合上表的參數(shù)最終計(jì)算得到，場(chǎng)地北側(cè)中部邊坡最不利的滑動(dòng)面圓心為(16.298，27.967)m，半徑為28.691m，在不考慮水作用的情況下，滑動(dòng)安全系數(shù)為1.304，在考慮地下水的情況下，滑動(dòng)安全系數(shù)為1.125，在考慮地震荷載的情況下邊坡滑動(dòng)安全系數(shù)為0.860。

3 各種計(jì)算工況下的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

3.1 計(jì)算工況

根據(jù)邊坡失穩(wěn)的形成機(jī)理以及所在場(chǎng)地的地質(zhì)條件，穩(wěn)定性可以分為三種工況：天然狀態(tài)；暴雨?duì)顟B(tài)，持續(xù)暴雨引起地表徑流和地下水位變化，會(huì)對(duì)穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響；地震狀態(tài)，主要是指地震荷載的影響，未疊加暴雨?duì)顟B(tài)。本文根據(jù)研究區(qū)的地質(zhì)背景以及客觀實(shí)際，其邊坡穩(wěn)定性計(jì)算工況及公式如下[14]：

3.2 邊坡穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)

通過計(jì)算，兩個(gè)邊坡在自然、暴雨以及地震三種狀態(tài)下的穩(wěn)定性分析結(jié)果如表4所示。

表4 典型計(jì)算剖面穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)表

綜上所述，兩個(gè)典型邊坡在天然工況下穩(wěn)定系數(shù)均略高于安全系數(shù)，處于穩(wěn)定—基本穩(wěn)定的狀態(tài)。然而在暴雨及地震工況下，穩(wěn)定系數(shù)大大降低且明顯低于安全系數(shù)，處于欠穩(wěn)定—不穩(wěn)定的狀態(tài)。

4 結(jié)論

以分析理論為基礎(chǔ)，結(jié)合收集整理研究區(qū)的地質(zhì)勘察資料、設(shè)計(jì)資料以及研究區(qū)的地質(zhì)資料，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、邊坡的變形及空間分布情況，將場(chǎng)地西側(cè)和北側(cè)分為兩個(gè)區(qū)，即場(chǎng)地西側(cè)、場(chǎng)地北側(cè)中部對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行了定性分析，然后再從各區(qū)中隨機(jī)選擇一個(gè)典型剖面進(jìn)行定量分析。

通過定性分析結(jié)果表明：場(chǎng)地西側(cè)為巖土質(zhì)邊坡，受節(jié)理裂隙切割較為破碎，易產(chǎn)生滑移破壞導(dǎo)致斜坡失穩(wěn)，危險(xiǎn)性較大；場(chǎng)地北側(cè)中部為強(qiáng)-中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖邊坡，巖體因節(jié)理裂隙的張開和擴(kuò)展而降低了抗剪強(qiáng)度，易發(fā)生坍滑致邊坡失穩(wěn)。通過定量分析結(jié)果表明：兩個(gè)典型邊坡在天然工況下穩(wěn)定系數(shù)均略高于安全系數(shù)，處于穩(wěn)定—基本穩(wěn)定的狀態(tài)。然而在暴雨及地震工況下，穩(wěn)定系數(shù)大大降低且明顯低于安全系數(shù)，處于欠穩(wěn)定—不穩(wěn)定的狀態(tài)。