層狀順向巖質邊坡穩(wěn)定性研究

梁　宇，涂小飛（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072）

?

層狀順向巖質邊坡穩(wěn)定性研究

梁宇，涂小飛（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072）

本文在了解國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和收集前人研究成果的基礎上，以蘿卜崗場地層狀順向巖質邊坡作為典型的研究素材，通過對蘿卜崗順向巖質邊坡的變形破壞模式及機理研究，對場地進行穩(wěn)定性分析評價，用于指導規(guī)劃設計，切實解決具體工程問題。

層狀順層巖質邊坡；軟弱夾層；工程地質特性；變形破壞模式；穩(wěn)定性

引言

在工程建設中，層狀順向巖質邊坡一方面作為工程建設場址基本地質環(huán)境，工程建設場平開挖會在很大程度上打破原有自然邊坡的平衡狀態(tài)，使邊坡偏離甚至遠離平衡狀態(tài)，工程控制與管理不當將會帶來邊坡變形與失穩(wěn)，形成地質災害；另一方面，它又構成了工程設施的承載體，工程的荷載效應可能會影響和改變它的承載條件和承載環(huán)境，從而影響巖質邊坡的穩(wěn)定性。層狀順向巖質邊坡的失穩(wěn)破壞不僅會直接摧毀工程建設本身，而且也會通過環(huán)境災難對工程和人居環(huán)境帶來間接的影響和災害。

1　地形地貌

蘿卜崗場地位于流沙河與大渡河所圍限的寬緩斜坡地帶上。斜坡走向北西40°，傾向北東，地勢西北高、東南低，場地地面高程870～1200m，拔河高度80～410m。場地西南靠大渡河側，坡向南西，坡度較陡，平均坡度約40～50°，最陡達 60°，為逆向陡坡地形；場地所在流沙河側，坡向北東，坡度相對較緩，坡度一般為10～25°，屬單斜順向斜坡地帶。

2　巖體結構及工程地質特性

蘿卜崗場地出露的巖層主要由一套下二疊統(tǒng)淺海相碳酸鹽巖建造和上三疊統(tǒng)內(nèi)陸湖沼相碎屑巖建造或含煤建造沉積巖組成，上二疊統(tǒng)火山噴出巖建造零星分布。

為研究場地不同巖類的工程地質特性，提供順向邊坡穩(wěn)定性分析所必需的巖體（石）基本物理力學參數(shù)，根據(jù)不同的勘察目的任務采用不同的試驗方法，對采集的各巖類原狀樣開展了相應的巖石物理力學性質室內(nèi)試驗，實驗結果分析如下：

（1）巖石物理力學性質室內(nèi)試驗成果表明：完整、較堅硬的中等風化～未風化石灰?guī)r、細砂巖和粉砂巖，具有密度較大、吸水率較低和抗壓強度、彈性模量、抗剪強度均較高的特點。

（2）巖石飽和單軸抗壓強度試驗成果表明：厚層狀中等風化灰?guī)r、細砂巖，屬堅硬巖類，具較好的力學特性；中厚層狀中等風化粉砂巖，屬較硬巖～堅硬巖類；薄層狀中等風化泥質粉砂巖、粉砂質泥巖、紫紅巖屑砂巖，以及強風化粉砂巖、泥質粉砂巖，屬軟巖類，力學特性差。

（3）巖石抗剪強度試驗成果表明：微風化～中等風化灰?guī)r、細砂巖、粉砂巖具有較高的力學強度。

在室內(nèi)試驗成果經(jīng)整理后確定的標準值基礎上，結合順向邊坡的工程地質條件，參照相關規(guī)范進行進行折減選擇地質建議值。邊坡巖體（石）主要物理力學性參數(shù)地質建議值見表1。

表1　巖體（石）主要物理力學參數(shù)地質建議值

3　軟弱夾層類型及工程地質特性

軟弱夾層的形成與發(fā)育程度主要受巖性、構造、地下水活動、風化卸荷等因素所控制。對區(qū)內(nèi)軟弱夾層類型及工程地質特性可歸納如下：

（1）區(qū)內(nèi)順向坡巖體的軟弱夾層主要順層發(fā)育于砂巖、泥巖內(nèi)，灰?guī)r少量。這些軟弱夾層多經(jīng)后期構造擠壓錯動、風化卸荷和地表水與地下水活動等改造，有的存在一定程度的擠壓錯動痕跡，有的原巖已風化蝕變，有的含大量親水性黏土礦物，呈現(xiàn)泥質或泥夾碎屑結構。從成因類型上可劃分為原生型、構造型、次生型和復合型。

（2）區(qū)內(nèi)軟弱夾層按工程性狀分類，宏觀上可歸納為三類：即巖屑夾泥（黏土）型、泥（黏土）夾碎屑型和泥（黏土）型。

（3）從軟弱夾層的物質組成、結構特性以及強度特性來看，這些軟弱夾層的主要特點是：厚度較薄、傾角較緩、結構較破碎、抗變形能力較弱、力學強度較低、工程性狀差，與縱、橫向陡傾角結構面不利組合時，在某些不利條件（如開挖，地表水體下滲）下，將構成順向坡巖體失穩(wěn)滑移的主要控制面。

蘿卜崗場地軟弱夾層抗剪強度取值，以現(xiàn)場原位大剪試驗成果為依據(jù)，參照室內(nèi)剪切試驗成果并結合相關規(guī)范進行相應調(diào)整，提出地質建議值見表2。

表2　軟弱夾層主要物理力學參數(shù)地質建議值

4　順向巖質邊坡變形破壞模式及機理研究

根據(jù)調(diào)查研究分析，場地順向巖質邊坡失穩(wěn)均是沿巖體內(nèi)軟弱結構面失穩(wěn)下滑形成的。巖質邊坡穩(wěn)定性的影響因素除主要與巖體結構和軟弱結構面的特性、力學強度有關外，它還與所處的地質構造環(huán)境、坡體的臨空面條件、水文地質條件、地震以及人類工程活動等諸多因素有關。蘿卜崗場地順向巖質邊坡變形破壞的演變過程及其機理研究，可以表述如下：

調(diào)查研究結果表明，蘿卜崗順向坡在長期地質歷史時期里，至少曾先后發(fā)生過兩次較大規(guī)模的基巖邊坡失穩(wěn)下滑事件，它們分別為康家坪滑坡和亂石崗滑坡。隨著流沙河河谷下切侵蝕，早期（大致相當于早更新世 Q1流沙河“昔格達古槽谷”形成時期）當河谷下切至1120m高程左右誘發(fā)了康家坪滑坡（包括富塘滑坡等）的失穩(wěn)；后期（大致相當于晚更新世Q3～全新世Q4近代流沙河形成時期）當河谷下切至850～800m高程左右誘發(fā)了亂石崗滑坡。

（1）早期的蘿卜崗地區(qū)地形如圖1所示。隨著流沙河的不斷下切侵蝕作用，使得斜坡地形逐漸變陡，下部坡腳的軟弱夾層出露于地表，使這部分巖體失去了支撐條件，致使部分軟弱夾層沿兩側巖體產(chǎn)生一定程度的蠕滑跡象，為后方巖體向臨空方向產(chǎn)生蠕滑變形提供了有利的臨空條件，蠕滑變形導致邊坡巖體內(nèi)產(chǎn)生一些拉張裂縫或縱橫向拉張裂縫的進一步擴張，為地表水的下滲提供了通道（如圖2）。

圖1　順向巖質邊坡原始邊坡形態(tài)

圖2　順向巖質邊坡變形初期邊坡形態(tài)

（2）地表水下滲不僅使上部巖體吸水飽和，增加巖體重量，而且大多沿淺表卸荷巖體拉張裂縫下滲至下伏軟弱夾層（帶）后，導致其水文地質條件變化，使之軟弱層夾（帶）進一步軟化、泥化，甚至部分形成泥化夾層，其力學強度急劇降低。當強度降低到一定程度，在重力作用下促使上覆巖體沿軟化、泥化夾層向臨空方向產(chǎn)生失穩(wěn)下滑。下滑過程中局部巖塊解體不充分，以相對完整的形態(tài)保持下來，如圖3所示。

圖3　順向巖質邊坡變形破壞后邊坡形態(tài)

（3）由于區(qū)內(nèi)沿層面發(fā)育有多條軟弱夾層（面），其傾角較緩，一般約13～16°，因此順向巖質邊坡的破壞是河谷下切期間，斜坡巖體沿下部軟弱夾層長期蠕滑作用的產(chǎn)物。但滑坡期間運移速度較慢，運移距離較短，因而滑體內(nèi)局部巖體解體不充分，保留有較多的大塊完整巖塊。

（4）巖質類型，巖體結構類型與特性，結構面發(fā)育程度、性狀與組合關系及其強度特性是邊坡巖體蠕滑位移的內(nèi)在因素；前緣臨空面為邊坡滑移變形提供了有利的地形條件；地表水入滲是邊坡滑動的觸發(fā)因素。在某些因素影響下，順向巖質邊坡后緣巖體沿兩條或兩條以上的軟弱夾層向臨空方向呈“抽屜式”滑移，從而在巖體內(nèi)不同深度沿陡傾結構面產(chǎn)生張拉裂縫，而其上覆巖體仍保持較完整狀態(tài)的假象，這類張拉裂縫一般具有不確定性和隱蔽性（圖4）。

圖4　順向巖質邊坡破壞逐級發(fā)展示意圖

根據(jù)以上分析，場地順向邊坡巖體的變形破壞模式，可以概括為“多層順層滑移-拉裂”形式。而場地內(nèi)順坡向砂泥巖地層中軟弱結構面相對較發(fā)育，其成因類型、性狀和物質組成各異，它們的強度特性和幾何尺寸等方面也存在有較大差別，因而并不是任何一條軟弱結構面都會構成巖體失穩(wěn)的底界面，邊坡巖體可能沿兩條或兩條以上的順層軟弱夾層向臨空方向呈“抽屜式”滑移，在巖體內(nèi)不同深度沿陡傾結構面產(chǎn)生張拉裂縫，而其上覆巖體仍保持較完整狀態(tài)，巖體失穩(wěn)后則具“麻將牌”式的順層面堆積。

5　順向巖質邊坡穩(wěn)定性分析評價

場地區(qū)為單斜順向坡，巖體內(nèi)泥質、炭質巖類夾層和層間軟弱夾層相對較發(fā)育，受溝谷或人類工程活動的切割，部分邊坡已形成影響坡體整體及淺表穩(wěn)定的臨空面，存在順層滑動的可能性。為此需對邊坡整體及淺表部穩(wěn)定性進行復核計算。順向巖質邊坡穩(wěn)定計算采用傳遞系數(shù)法。計算剖面在西區(qū)、中區(qū)、東區(qū)和擴大西區(qū)各選取一條代表性剖面進行穩(wěn)定性計算分析，分別見圖5～12。即：

在東區(qū)二疊系陽新組石灰?guī)r出露區(qū)斜坡不存在影響整體穩(wěn)定的臨空面，但由于溝谷及采石場的切割存在影響淺表部穩(wěn)定的臨空面，選用代表性剖面1-1進行穩(wěn)定性計算，見圖5～6。

圖5　東區(qū)穩(wěn)定性計算剖面1-1剖面

圖6　東區(qū)1-1剖面條分圖

在中區(qū)淺表部三疊系白果灣組中等～強風化砂、泥巖夾煤質頁巖坡體，存在4層薄煤層臨空面，分別選用代表性剖面2-2進行穩(wěn)定性計算，見圖7～8。

圖7　中區(qū)穩(wěn)定性計算剖面2-2剖面

圖8　東區(qū)2-2剖面條分圖

在西區(qū)淺表部三疊系白果灣組中等～強風化砂巖夾泥巖邊坡，由于溝谷的深切，存在影響整體穩(wěn)定的臨空面，選用代

表性剖面3-3進行穩(wěn)定性計算，見圖9～10。

圖9　西區(qū)穩(wěn)定性計算剖面3-3剖面

圖10　西區(qū)3-3剖面條分圖

擴大西區(qū)淺表部三疊系白果灣組中等～強風化砂巖夾泥巖坡體，軟弱夾層較發(fā)育，且存在亂石崗等幾個古滑坡，其工程地質條件差，選用代表性剖面4-4進行穩(wěn)定性計算，見圖11～12。

穩(wěn)定性計算分析工況主要采用天然、暴雨、地震三種工況。其中，天然工況主要考慮自重、地面荷載；暴雨工況主要考慮自重、地面荷載、由暴雨入滲導致地下水產(chǎn)生的水壓力；地震工況主要考慮自重、地面荷載和地震力。

穩(wěn)定性計算結果見表3。

根據(jù) 《滑坡防治工程設計與施工技術規(guī)范》（DZ/T 0219）中滑坡防治工程設計安全系數(shù)的規(guī)定和 《建筑邊坡工程技術規(guī)范》（GB50330）中的穩(wěn)定安全系數(shù)要求，邊坡安全系數(shù)選取如表4。

圖11　擴大西區(qū)穩(wěn)定性計算剖面4-4剖面

圖12　擴大西區(qū)4-4剖面條分圖

表3　邊坡穩(wěn)定性系數(shù)表

表4　邊坡安全系數(shù)

從表3和表4可以看出：

（1）天然、暴雨工況下，場地各區(qū)邊坡巖體整體均保持穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定系數(shù)（k=1.48～2.94）均大于建設用地邊坡1.35的安全系數(shù)要求，各區(qū)邊坡巖體均能保持整體穩(wěn)定狀態(tài)；

（2）地震工況下，除東區(qū)和中區(qū)外，西區(qū)計算剖面 1-1和擴大西區(qū)計算剖面4-4的穩(wěn)定性系數(shù)（k=1.18～1.21）偏低，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，不能滿足工程要求；

（3）分析和計算表明場地斜坡深層整體穩(wěn)定，計算穩(wěn)定系數(shù)大于建設用地邊坡穩(wěn)定系數(shù)1.35。但西區(qū)、擴大西區(qū)滑坡體、局部地段斜坡淺表層整體穩(wěn)定系數(shù)偏低，但天然狀態(tài)下處于基本穩(wěn)定。

6　結論

不同巖石建造和不同巖石類型組合，具有不同的巖體結構特征及邊坡變形破壞形式。各種不同巖體結構類型及其巖石組合又具有各自不同的物理力學特性，室內(nèi)試驗試驗表明，各類巖石的力學強度一般均相對較高。因此順向巖質邊坡的穩(wěn)定性主要受巖體結構面所控制。

蘿卜崗場地為緩傾單斜順向坡，順向坡巖體穩(wěn)定性主要受控于軟弱結構面，對場地邊坡和地基穩(wěn)定不利。從成因類型上可將軟弱夾層劃分為原生型、構造型、次生型和復合型四種類型，從物質組成、工程性狀等宏觀上可大致歸納為三大類：即碎屑夾泥（粘土）型、泥（粘土）夾碎屑型和泥型。

影響順向巖質邊坡穩(wěn)定性的主要因素有內(nèi)在因素和外在因素兩種。內(nèi)在因素主要為地質因素，如地層巖性組合、巖層構造與結構、水文地質條件等；外在因素包括自然觸發(fā)因素和工程因素。地質因素是邊坡體的基本因素，是既定的不易更改的，對其詳細研究可以正確評價既有邊坡的穩(wěn)定性；自然因素也是不可抗拒的。工程因素則是靈活的可變的，也是可控的，深入研究工程因素對邊坡穩(wěn)定性的影響不僅可以正確預測順向巖質邊坡的病害，而且可以通過合理的工程措施使該類邊坡的病害控制在最低程度。

蘿卜崗場地順向巖質邊坡的變形破壞模式可以概括為“多層順層滑移-拉裂型”?？辈煸O計和施工開挖實踐表明：場地西區(qū)和擴大西區(qū)順向坡巖體大多沿兩條或兩條以上軟弱夾層向臨空方向呈“抽屜式”滑移，在巖體深部沿陡傾結構面產(chǎn)生張拉裂縫，而其上覆巖體仍保持較完整狀態(tài)的假象；巖體失穩(wěn)后則具“麻將牌”式的順層面堆積。

通過對場地順向巖質邊坡穩(wěn)定性影響因素分析、邊坡穩(wěn)定性的定性分析和邊坡穩(wěn)定性二維極限平衡計算分析結果認為天然、暴雨工況下，各區(qū)邊坡巖體均能保持整體穩(wěn)定狀態(tài)，但地震工況下，西區(qū)、擴大西區(qū)邊坡巖體穩(wěn)定性系數(shù)偏低，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；開挖后，各區(qū)的邊坡巖體穩(wěn)定系數(shù)均會有所降低，尤其是西區(qū)和擴大西區(qū)將不能滿足工程要求。因此，在城市市政工程和房屋建筑規(guī)劃與建設中，應結合場地工程地質條件進行科學、合理布局，盡量控制和減少邊坡開挖高度，需有相應工程措施，并采用適宜的施工方法和注意邊坡及時支護處理，同時應防止地表水下滲惡化地基。

［1］王思敬.中國巖石力學與工程世紀成就［M］.南京：河海大學出版社，2004.

［2］陳祖煜，等.巖質邊坡穩(wěn)定分析：原理.方法.程序［M］.北京：中國水利水電出版社，2005.

［3］鄭穎人，陳祖煜，王恭先，凌天清.邊坡與滑坡工程治理［M］.北京：人民交通出版社，2010.

［4］張倬元，黃潤秋，等.工程地質分析原理［M］.北京：地質出版社，2009.

梁 宇（1977-），男，高級工程師，注冊巖土工程師，碩士研究生，主要從事巖土工程勘察、設計和工程建設項目管理工作。

P642.2

A

2095-2066（2016）16-0092-04

2016-5-5