西北地區(qū)典型土—巖混合邊坡危巖體穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)

賁　柯，王沈力，王春得，杜　俊

（甘肅中建市政工程勘察設(shè)計(jì)研究院，甘肅蘭州730000）

西北地區(qū)典型土—巖混合邊坡危巖體穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)

賁柯*，王沈力，王春得，杜俊

（甘肅中建市政工程勘察設(shè)計(jì)研究院，甘肅蘭州730000）

土-巖混合邊坡在西北地區(qū)廣泛分布，土-巖混合邊坡是指上部是土和強(qiáng)分化巖石組成，下部是巖石組成的邊坡?，F(xiàn)在使用的規(guī)范中未明確給出結(jié)合現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的土-巖混合邊坡危巖體穩(wěn)定性分析判別方法，結(jié)合西北地區(qū)的工程實(shí)例，本文提出先運(yùn)用傾倒式危巖破壞模型進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，再利用危巖墜落式危巖破壞模型進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，將2種方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行互補(bǔ)性對(duì)比利用，為今后西北地區(qū)的土-巖混合邊坡危巖體工程的穩(wěn)定性計(jì)算分析提供可靠的參考。

西北地區(qū)；土-巖混合邊坡；危巖體；穩(wěn)定性計(jì)算

土-巖混合邊坡是西北地區(qū)最為典型的邊坡類(lèi)型，顧名思義：土-巖混合邊坡是指上部是土和強(qiáng)分化巖石組成，下部是巖石組成的邊坡。隨著西部大開(kāi)發(fā)城鎮(zhèn)化的大幅推進(jìn)，城市日益擴(kuò)張，被人為開(kāi)挖或自然破壞的邊坡形成的危巖體對(duì)于人們的生產(chǎn)與生活帶來(lái)了很大的潛在危險(xiǎn)?，F(xiàn)在使用的規(guī)范中未明確給出結(jié)合現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的土—巖混合邊坡危巖體穩(wěn)定性計(jì)算的判別方法。對(duì)于邊坡危巖體的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，方法較多，例如：地質(zhì)分析法、極限平衡法、數(shù)值計(jì)算、有限元數(shù)值模擬等，本文主要采用地質(zhì)特征結(jié)合穩(wěn)定性系數(shù)來(lái)確定危巖體的穩(wěn)定性。

1　危巖體結(jié)構(gòu)特征

本高邊坡區(qū)均為巖質(zhì)邊坡，其穩(wěn)定性主要取決于結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度、結(jié)構(gòu)面之間的組合關(guān)系、結(jié)構(gòu)面與臨空面間的空間關(guān)系，以及卸荷松動(dòng)情況，從而確定可能變形失穩(wěn)的危巖體的形態(tài)、規(guī)模及空間分布，同時(shí)判定不穩(wěn)定塊體可能移動(dòng)的方向和破壞方式。根據(jù)本邊坡區(qū)結(jié)構(gòu)面之間的組合關(guān)系、巖體卸荷風(fēng)化程度，以及巖層傾向與坡向的關(guān)系，本邊坡可分為Ⅰ-Ⅲ三個(gè)工程地質(zhì)分區(qū)。

邊坡各分區(qū)內(nèi)巖層巖性及其產(chǎn)狀情況比較一致，巖層平直，整合程度高，層位穩(wěn)定。各分區(qū)內(nèi)巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度，卸荷風(fēng)化作用情況有一定差異。其中Ⅰ區(qū)巖體結(jié)構(gòu)面主要為近南北向節(jié)理組，近東西向節(jié)理組和巖層層面，卸荷變形作用相對(duì)較弱，2組近南北向和近東西向的節(jié)理組為共軛節(jié)理，其組合成為切割巖體的控制性結(jié)構(gòu)面。南北向節(jié)理面傾角70°～85°，東西向節(jié)理面傾角65°～82°，巖層層面傾角6°～8°，根據(jù)結(jié)構(gòu)面合關(guān)系，巖體被切割成底面近水平的巖柱，其穩(wěn)定性較好。邊坡淺部風(fēng)化程度較高，并發(fā)育有張拉風(fēng)化裂隙，坡體上分布的孤懸危石主要為山體削坡開(kāi)挖時(shí)巖體受擾動(dòng)而形成，其穩(wěn)定性差，部分巖塊已處于極限平衡狀態(tài)，存在崩塌的危險(xiǎn)。

Ⅱ區(qū)邊坡內(nèi)分布有一條張拉斷裂，即橋頭張性斷裂。該斷裂拉斷地層后受溝內(nèi)流水沖蝕形成現(xiàn)狀沖溝。由于受斷裂帶的影響，該區(qū)內(nèi)巖體較為破碎，次生節(jié)理及發(fā)育程度較高，風(fēng)化卸荷裂隙追蹤節(jié)理面發(fā)展，并使之?dāng)U大，加上削坡時(shí)的人為擾動(dòng)，又加劇了巖體中節(jié)理裂隙尺度擴(kuò)大，使得邊坡表部巖體更為破碎，塊度變小，從而形成了一系列分布密集的危石和不穩(wěn)定塊體，部分巖塊底部已經(jīng)懸空，并產(chǎn)生后緣拉裂縫，在各種地質(zhì)營(yíng)力作用下極易崩塌。在人工切坡后因圍巖壓力變化，產(chǎn)生附加剪應(yīng)力，強(qiáng)度不高的巖塊因附加剪應(yīng)力而坡壞，產(chǎn)生楔形體和塊體順層滑移，這種破壞形式在Ⅱ區(qū)切坡處比較明顯。該區(qū)為危巖分布最密集，潛在不穩(wěn)定塊體最多的分區(qū)，在邊坡與沖溝相交的轉(zhuǎn)角地帶穩(wěn)定性最差。

Ⅲ區(qū)邊坡相對(duì)較為穩(wěn)定，邊坡坡面多為自然形成，上緩下陡，其上分布有黃土和坡積物覆蓋層，坡面上植較為茂盛。該邊坡經(jīng)自然平衡，山體整體處于平衡狀態(tài)，僅零星部位分布有潛在不穩(wěn)定塊體。相比之下Ⅲ區(qū)邊坡為勘察區(qū)內(nèi)穩(wěn)定性最好的坡段。

2　邊坡危巖可能的破壞模式及穩(wěn)定性計(jì)算

危巖體的穩(wěn)定性受多種因素制約，其穩(wěn)定性計(jì)算涉及較多參數(shù)和復(fù)雜的邊界條件，而準(zhǔn)確參數(shù)的獲得和邊界條件的完全查明非常困難。為了深刻認(rèn)識(shí)區(qū)內(nèi)危巖的穩(wěn)定性，適應(yīng)危巖整治的需要，試選擇部分典型危巖崩塌類(lèi)型進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算分析。由于危巖體的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，目前尚無(wú)較為合理的定量方法，本次對(duì)邊坡危巖體的計(jì)算主要依據(jù)《工程地質(zhì)手冊(cè)》（第四版）和《滑坡防治工程勘察規(guī)范》（DZ/T 0218-2006）所提供的方法確定。

2.1危巖可能的破壞模式

由于危巖體的邊界條件、裂隙貫通深度難以準(zhǔn)確確定，只能把一些不完全確定的因素理想化地進(jìn)行定量分析計(jì)算。根據(jù)危巖體的可能破壞模式，建立計(jì)算模型。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘調(diào)查，根據(jù)邊坡危巖結(jié)構(gòu)特征及現(xiàn)狀，對(duì)其可能發(fā)生的破壞模式做出預(yù)測(cè)。

（1）危巖傾倒破壞。傾倒式崩塌發(fā)生于被裂隙貫通后與母巖分離的危巖體中，暴雨、風(fēng)化、地震是其主要誘發(fā)因素（見(jiàn)圖1）。其計(jì)算模型如圖2所示：

圖1　傾倒式危巖穩(wěn)定性計(jì)算模型

圖2　傾倒式危巖

根據(jù)以上模型，其危巖穩(wěn)定性系數(shù)按照如下公式計(jì)算：

式中：F——危巖穩(wěn)定系數(shù)；

H——后緣裂隙上端到未貫通段的垂直距離，m；

W——危巖體自重，kN/m3；

Flk——危巖體抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；根據(jù)巖石抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值乘以0.4的折減系數(shù)確定；

h——后緣裂隙深度，m；

hw——后緣裂隙充水高度，m，天然時(shí)取0.2h，暴雨時(shí)取0.3～0.5h（根據(jù)裂隙發(fā)育情況而定）；

V——裂隙水壓力，kN/m，V=0.5γwhw2；

Q——地震力（kN/m），Q=ζeW，ζe為地震水平系數(shù)取0.05；

β——后緣裂隙傾角，（°）；

α——危巖體重心到傾覆點(diǎn)的水平距離，m；

h0——危巖體重心到傾覆點(diǎn)的垂直距離，m；

b——后緣裂隙末端到傾覆點(diǎn)的水平距離，m。

（2）危巖墜落式破壞?？辈靺^(qū)可能發(fā)生墜落式崩塌的危巖其后緣均有陡傾裂隙，下部處于懸空狀態(tài)（見(jiàn)圖3），其計(jì)算模型如圖4所示：

圖3　墜落式危巖穩(wěn)定性計(jì)算模型

根據(jù)以上模型，其危巖穩(wěn)定性系數(shù)按照如下公式計(jì)算：

式中：Q——地震力，kN/m，Q=ζeW，ζe為地震水平系數(shù)取0.05；

W——危巖體自重，kN/m3；

H——危巖體垂直高度，m；

h——危巖體重心到其下部邊界垂直高度，m；

ζ——危巖抗彎力矩計(jì)算系數(shù)；

a0——危巖體重心到潛在破壞面的水平距離，m；

b0——危巖體重心到過(guò)潛在破壞面形心的鉛垂距離，m；

flk——危巖體抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（kPa），根據(jù)巖石抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值乘以0.2的折減系數(shù)確定。

2.2計(jì)算參數(shù)的確定及計(jì)算結(jié)果

（1）計(jì)算工況。危巖穩(wěn)定性計(jì)算所采用的工況可分為天然工況（工況1）、暴雨工況（工況2）、地震工況（工況3）；

危巖穩(wěn)定性計(jì)算中各工況考慮的荷載組合應(yīng)符合下列規(guī)定：

a.對(duì)工況1和工況2應(yīng)考慮自重，同時(shí)對(duì)傾倒式危巖應(yīng)考慮現(xiàn)狀裂隙水壓力、暴雨時(shí)裂隙水壓力。

b.對(duì)工況3應(yīng)考慮自重和地震力，同時(shí)對(duì)傾倒式危巖應(yīng)考慮暴雨時(shí)裂隙水壓力。

圖4　墜落式危巖

（2）計(jì)算參數(shù)的確定。計(jì)算參數(shù)的選擇考慮裂隙的貫通程度、裂隙的填充程度及裂隙的結(jié)合情況，根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（DB50/330-2002）表4.5.1結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值來(lái)確定裂隙面粘聚力C及內(nèi)摩擦角φ；巖體抗拉強(qiáng)度根據(jù)室內(nèi)巖石抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)值按《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2001 2009版）的折減要求進(jìn)行折減，折減時(shí)考慮陡崖體的裂隙貫通程度。自然狀態(tài)下裂隙充水高度取裂隙深度的0.2倍，暴雨時(shí)裂隙充水高度取裂隙深度的0.5倍。計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1、穩(wěn)定狀態(tài)劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表1　危巖體穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)一覽表

表2　危巖穩(wěn)定狀態(tài)劃分標(biāo)準(zhǔn)表

（3）穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果。根據(jù)上述穩(wěn)定性計(jì)算公式對(duì)邊坡典型部位上分布的不穩(wěn)定塊體（計(jì)算危巖位置詳見(jiàn)綜合工程地質(zhì)圖）進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表見(jiàn)表2。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，傾倒式破壞危巖體W1在天然狀態(tài)下穩(wěn)定，在暴雨和地震工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，墜落式破壞危巖體W2、W3、W4、W5、W6在天然、暴雨和地震狀態(tài)下均處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。由此可見(jiàn)，邊坡危巖主要破壞模式為墜落式，在暴雨或者地震影響下局部可能發(fā)生傾倒破壞。危巖體的體積越大，地震作用的強(qiáng)度越大，危巖下部風(fēng)化凹腔越深，危巖穩(wěn)定性越差；地震力作用對(duì)危巖體的穩(wěn)定性影響最大，在發(fā)生地震的情況下，勘察區(qū)危巖體發(fā)生崩塌失穩(wěn)的可能性大。

3　結(jié)語(yǔ)

由于土-巖混合邊坡的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)獲取十分困難，無(wú)法真正進(jìn)行危巖體穩(wěn)定性的定量計(jì)算，僅僅用一種危巖體破壞模式來(lái)判別危巖體的穩(wěn)定狀態(tài)是不全面的。采用2種或2種以上的危巖體破壞模式進(jìn)行危巖體穩(wěn)定性系數(shù)的計(jì)算進(jìn)行相互對(duì)比，可以起到相互驗(yàn)證的作用。

對(duì)于西北地區(qū)現(xiàn)在使用的規(guī)范中未明確給出結(jié)合現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的土-巖混合邊坡危巖體穩(wěn)定性分析判別方法，本文中總結(jié)的2種計(jì)算方法可以給今后西北地區(qū)土-巖混合邊坡危巖體穩(wěn)定性計(jì)算有指導(dǎo)作用。

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TD32

A

1004-5716（2016）03-0008-04

2015-03-21

2015-03-23

賁柯（1989-），男（漢族），新疆鄯善人，工程師，現(xiàn)從事工程勘察、設(shè)計(jì)、檢測(cè)等技術(shù)工作。