城市人工巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià):以鞍山市區(qū)對(duì)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(zhì)勘查局地質(zhì)勘查研究院,遼寧鞍山114038)

隨著近年來經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展,以建筑為主的人類工程活動(dòng)造成了大量的高陡邊坡,致使原來許多地質(zhì)災(zāi)害中低易發(fā)區(qū)內(nèi),也形成了許多地質(zhì)災(zāi)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(qū)地貌以平原為主,局部有小丘陵,自然狀態(tài)下不易發(fā)生崩塌、滑坡地質(zhì)災(zāi)害。但是,由于近年來建筑活動(dòng)開挖形成了多處邊坡,2010年汛期,羅馬假日小區(qū)、碧湖園小區(qū)、莘營隧道出口、人事局北靜湖邊坡、對(duì)爐街42號(hào)居民樓等多處發(fā)生了滑坡、崩塌地質(zhì)災(zāi)害。因此,對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià),有針對(duì)性開展治理工作,成為國土部門的重要任務(wù)。

對(duì)爐街42號(hào)居民樓位于鞍山市區(qū)中部,因當(dāng)?shù)貙?duì)爐山而得名。主要為居民區(qū),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(fā)生了崩塌地質(zhì)災(zāi)害,并造成該樓居民樓西側(cè)山墻表面破損。發(fā)生崩塌的坡下及坡頂各有一棟六層居民樓,威脅人數(shù)眾多,其穩(wěn)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?yàn)楸睎|向至南東向,坡高4～18.5 m。邊坡主要是由建筑樓房時(shí)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?shù)孛嫫鸱^小。坡面上植被發(fā)育,以灌木為主 。

邊坡為巖質(zhì)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(tái)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(qū)域地質(zhì)圖上看,應(yīng)為湯崗子斷裂分支。走向230°,產(chǎn)狀140°∠62°。斷層寬約0.4m,為一壓性構(gòu)造。

坡面節(jié)理裂隙發(fā)育,初步統(tǒng)計(jì)有三組,編號(hào)和產(chǎn)狀為: ①115°∠76～84°; ②100°∠57°; ③160°∠59°。

發(fā)生崩塌處距邊坡北緣31m,發(fā)生在第一個(gè)平臺(tái)邊緣。崩塌體長約12m,寬約2m,高約2m,總體約48m3。邊坡坡腳距對(duì)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(wěn)定性分析

邊坡穩(wěn)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(chǔ)上,對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行量化計(jì)算,得出穩(wěn)定安全系數(shù)。其基本研究內(nèi)容是基于力學(xué)分析和物理上的合理性要求,求解抗滑穩(wěn)定的最小安全系數(shù)和確定對(duì)應(yīng)于最小安全系數(shù)的滑動(dòng)面的位置。邊坡抗滑穩(wěn)定分析的定量計(jì)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(jù)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(wěn)定性系數(shù)。分析巖體和土體穩(wěn)定性時(shí),假定一破壞面,取破壞面內(nèi)土體,為脫離體計(jì)算出作用于脫離體上的力,即達(dá)到靜力平衡時(shí)所需巖土的抗力或抗剪強(qiáng)度,與破壞面實(shí)際所能提供的巖土的抗力或抗剪強(qiáng)度相比較,以求得穩(wěn)定性安全系數(shù)的方法,或根據(jù)所給定的安全系數(shù)求允許作用外荷載的方法。不考慮地震以及地下水作用時(shí)的公式如下:式中:k為安全系數(shù);N為結(jié)構(gòu)面上的正壓力(kN);T為結(jié)構(gòu)面上的下滑力(kN);R為平行于結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)面方向的分力(kN);T1為重力在平行于結(jié)構(gòu)面方向的分力(kN);Np為外荷載在垂直于結(jié)構(gòu)面方向的分力(kN);Tp為外荷載在平行于結(jié)構(gòu)面方向的分力(kN);H為邊坡的高度(m);α為結(jié)構(gòu)面傾角(°);c為結(jié)構(gòu)面黏聚力(KN/m2);φ為結(jié)構(gòu)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(jù)邊坡的實(shí)際情況,依據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50218-94)規(guī)范,選取的有關(guān)計(jì)算參數(shù)為:邊坡高度10.4m,結(jié)構(gòu)面傾角:60°,結(jié)構(gòu)面黏聚力:170.0kPa,結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角:33°,石英巖容重為27000kN/m3。坡體計(jì)算簡化圖見圖1。結(jié)構(gòu)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(jì)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(jì)算簡化圖

將上述參數(shù)代入公式中,計(jì)算得結(jié)果為:巖體重量 104039.9kN,結(jié)構(gòu)面上正壓力25567.9kN,總下滑力 145003.0kN,總抗滑力17861.5kN,安全系數(shù)0.123。坡體不穩(wěn)定,與發(fā)生崩塌的實(shí)際情況符合。

3 三維楔形體穩(wěn)定分析

巖質(zhì)邊坡常被結(jié)構(gòu)面切割成三維楔形體,楔形體破壞的穩(wěn)定性通常是采用平移滑動(dòng)破壞計(jì)算法進(jìn)行分析的。這種平移滑動(dòng)破壞以楔形體的幾何形狀或受力條件不同,可分為沿兩個(gè)結(jié)構(gòu)面的組合交線滑動(dòng)和沿兩個(gè)結(jié)構(gòu)面中的某一個(gè)結(jié)構(gòu)面滑動(dòng),而沿另一結(jié)構(gòu)面呈拉斷兩種情況。對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí),計(jì)算不同結(jié)構(gòu)面結(jié)合下的穩(wěn)定系數(shù),穩(wěn)定系數(shù)值最小的破壞方式則應(yīng)是楔形體的最危險(xiǎn)破壞方式 (見圖2、圖3)。

圖2 楔形體計(jì)算示意圖

圖3 結(jié)構(gòu)面2、3赤平投影圖

其計(jì)算公式如下:

式中:Fs為邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù);CA為切面A上單位黏結(jié)力 (kPa);CB為切面B上單位黏結(jié)力(k Pa);φa為切面A的內(nèi)摩擦角 (度);φb為切面B的內(nèi)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(shù);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(diǎn) ①與 ③的角距;θ35為交點(diǎn) ③與⑤的角距;θ24為交點(diǎn)②與④的角距;θ45為交點(diǎn)④與⑤的角距;θ1·nb為交點(diǎn)①與平面B極點(diǎn)的角距;θ2·na為交點(diǎn) ②與平面 A 極點(diǎn)的角距;θna·nb為平面A與平面B極點(diǎn)的角距。

邊坡面產(chǎn)狀:120°∠90°,坡頂面產(chǎn)狀:140°∠3°。不同結(jié)構(gòu)面兩兩組合,計(jì)算參數(shù)同前,計(jì)算結(jié)果見表1。

從計(jì)算結(jié)構(gòu)上看,三維楔形體可能形成在斷層和節(jié)理面②、節(jié)理面②與節(jié)理面③兩種組合中,其中前者可能性最大。其他的節(jié)理面①與節(jié)理面②組合上,均可能發(fā)生滑動(dòng),但不易形成三維楔形體。因此,最有可能形成崩塌災(zāi)害的是斷層和節(jié)理面②這種情況。發(fā)生的崩塌體,正是沿著這個(gè)面發(fā)育形成的,計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況十分符合。

4 治理工作建議

針對(duì)本區(qū)邊坡陡、節(jié)理裂隙發(fā)育、建筑密集且距邊坡距離近的特點(diǎn),治理設(shè)計(jì)建議應(yīng)采用的方法為:①坡腳下設(shè)置擋土墻,減少臨空面。②坡面上不穩(wěn)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(duì)柔性網(wǎng)部分實(shí)現(xiàn)預(yù)張拉,從而對(duì)整個(gè)邊坡形成連續(xù)支撐。在此基礎(chǔ)上,對(duì)治理后的邊坡采用水泥噴面,防止裂隙進(jìn)一步發(fā)展。③對(duì)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(tái)采用漿砌石防護(hù),防治地下水滲入。

表1 三維楔形體穩(wěn)定分析計(jì)算表

5 結(jié)語

1)城區(qū)內(nèi)人類活動(dòng)對(duì)地質(zhì)環(huán)境影響大,原有的穩(wěn)定坡面在不合理的工程情況下,很有可能轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定的地質(zhì)體。

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

3)三維楔形體穩(wěn)定分析,是在赤平投影圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算,通過對(duì)不同結(jié)構(gòu)面組合的計(jì)算,可進(jìn)一步找到可能發(fā)生崩塌的結(jié)構(gòu)面及其滑動(dòng)方向,為治理設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

4)針對(duì)本區(qū)坡體不穩(wěn)定,坡面可能發(fā)生塊狀崩塌的可能性,建議設(shè)計(jì)應(yīng)采用錨桿與SNS柔性網(wǎng)相結(jié)合為主的方式,可保證坡體的穩(wěn)定性。坡腳下設(shè)置擋土墻,坡頂平臺(tái)采用漿砌石,對(duì)于兩側(cè)相對(duì)較平緩的斜坡面還應(yīng)采用削坡、客土、種樹播草的方法。

[1] 劉志斌,等.三維楔形體轉(zhuǎn)動(dòng)破壞的穩(wěn)定分析 [J].阜新礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版),1997,16(5):513-516.

[2] 梁星,等.降雨入滲對(duì)巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性的影響分析 [J].露天采礦技術(shù),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(hù)系統(tǒng)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(wěn)定性分析[J].水資源與水工程學(xué)報(bào),2010,21(4):46-50.