烏魯木齊市頭屯河區(qū)二號(hào)臺(tái)地邊坡臨界坡角研究

曹小紅 孟和 楊長(zhǎng)德

摘 ? 要：基于對(duì)烏魯木齊市頭屯河區(qū)二號(hào)臺(tái)地人工開挖邊坡及滑塌體的大量現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、勘測(cè)及邊坡巖土體室內(nèi)試驗(yàn)、典型邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算，得出不同巖土體、坡面形態(tài)與邊坡穩(wěn)定性之間的關(guān)系：滑塌堆積體體積大、一般上部為凹坡、礫石含量高、砂含量低則坡體相對(duì)穩(wěn)定，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得這類滑塌體臨界坡角約36°;砂礫石坡體表現(xiàn)為崩塌破壞，滑塌體含砂量越高越容易垮塌、臨界坡角約28°～32°;邊坡露頭底部強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖差異風(fēng)化明顯，細(xì)礫及砂含量高則易垮塌;細(xì)粉砂及含鈣質(zhì)結(jié)核的粉土區(qū)低緩坡基本穩(wěn)定，而高陡邊坡先期以蠕動(dòng)變形為主，后期趨于垮塌;滑塌體臨界坡角為28°～36°，且隨著滑塌體臨界坡角的增大，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)有所提高。

關(guān)鍵詞：巖土體性質(zhì);坡面形態(tài);邊坡穩(wěn)定性;臨界坡角;分析計(jì)算

邊坡失穩(wěn)可能會(huì)導(dǎo)致人員傷亡和環(huán)境破壞，妨礙公路工程、水利水電工程等，可能會(huì)對(duì)資源開發(fā)和山區(qū)發(fā)展帶來一定影響[1-3]。新疆工程學(xué)院地處烏魯木齊市頭屯河區(qū)大學(xué)城內(nèi)，區(qū)內(nèi)人員相對(duì)密集，近幾年大規(guī)模工程開工建設(shè)，出現(xiàn)大量基坑邊坡、路塹邊坡等人工裸露邊坡，由于人工開挖切坡或堆載，加之地表水及地下水的作用乃至地震等因素的影響[4，5]，區(qū)內(nèi)曾發(fā)生過多起局部甚至大范圍邊坡失穩(wěn)滑塌現(xiàn)象[6]。一些不穩(wěn)定性斜坡未能及時(shí)治理，對(duì)人員及交通安全構(gòu)成了威脅[7，8]。因此，對(duì)研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、巖土體力學(xué)性質(zhì)、水文地質(zhì)等條件展開調(diào)研，分析計(jì)算邊坡穩(wěn)定性，提出欠穩(wěn)定邊坡的防護(hù)設(shè)計(jì)，確保邊坡長(zhǎng)期穩(wěn)固[9]，對(duì)減少事故發(fā)生和經(jīng)濟(jì)損失具重要的理論和實(shí)踐意義[10]。

1 ?區(qū)域地質(zhì)概況

頭屯河區(qū)二號(hào)臺(tái)地位于烏魯木齊市區(qū)西部，海拔高度為852～1 208 m，地貌屬剝蝕-堆積丘陵區(qū)，微地貌為山前坡積、沖洪積臺(tái)地及坡地，呈波狀起伏的低山丘陵，地勢(shì)總體南高北低，周邊被低山丘陵環(huán)抱，沖溝、槽型溝發(fā)育（圖1）。研究區(qū)出露的地層主要為全新統(tǒng)下部洪沖積層和上更新統(tǒng)新疆群洪沖積層。全新統(tǒng)下部洪沖積層為淺灰色砂礫石層，礫石成分復(fù)雜，磨圓度中-較好，多呈次圓狀，分選性中等。上部為土黃色、淺黃色砂土、含礫亞砂土，厚幾米至200余米。上更新統(tǒng)新疆群洪沖積層為砂礫石、細(xì)砂、粉質(zhì)黏土混合組成的疏松層，礫石約60%～75%，分選中等，磨圓度為渾圓-次渾圓狀，球度中等。流經(jīng)本區(qū)的河流主要為烏魯木齊河及水磨河，地下水以松散巖類孔隙水及基巖裂隙水為主，含水層為淺層基巖裂隙、砂礫石層、砂土層。春季融雪和夏季降水入滲補(bǔ)給潛水層徑流。

2 ?邊坡形態(tài)及穩(wěn)定性

2.1 ?邊坡形態(tài)

對(duì)新校區(qū)停車場(chǎng)西北側(cè)各類人工開挖邊坡現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，邊坡上部巖土體垮塌堆積在坡腳形成滑塌堆積體，當(dāng)上部垮塌物減少后趨于穩(wěn)定（圖2，3）。

2.2 ?邊坡臨界坡角

文中提及的臨界坡角即為邊坡上部巖土體滑塌或垮塌后堆積在坡腳下部形成的滑塌堆積體穩(wěn)定時(shí)的最大坡角，這時(shí)未考慮地震和水的作用。當(dāng)滑塌堆積體坡角大于臨界坡角時(shí)堆積體趨于不穩(wěn)定。參照溜砂坡天然休止角的概念，現(xiàn)場(chǎng)勘察階段先用肉眼識(shí)別滑塌堆積體，選用穩(wěn)定的堆積體，在邊坡頂向坡腳處投擲約100 g中砂，當(dāng)坡底滑塌堆積體局部被流砂帶動(dòng)向下移動(dòng)時(shí)，用地質(zhì)羅盤測(cè)定此時(shí)的滑塌堆積體坡角即為臨界坡角。

現(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn)上部凹坡礫石含量高、砂含量低則越容易垮塌，中、細(xì)礫含量高臨界坡角偏大，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得此類滑塌體臨界坡角34°～36°;砂礫石坡體表現(xiàn)為垮塌破壞，滑塌體含砂量越高越容易垮塌、臨界坡角約28°～32°;含鈣質(zhì)結(jié)核的粉質(zhì)黏土及粉土區(qū)坡體垮塌，臨界坡角隨細(xì)粒的粉土和黏土含量的增高而增大，對(duì)新校區(qū)鍋爐房東側(cè)這類邊坡勘測(cè)臨界坡角35°～36°。對(duì)新校區(qū)周邊砂礫石邊坡、粉土及黏土坡的勘測(cè)，當(dāng)臨界坡角α<30°時(shí)，僅在坡頂和坡面淺表層存在較少?gòu)埩?，此時(shí)邊坡的變形破壞模式主要為巖土體碎落，處于臨界狀態(tài)，整個(gè)邊坡的穩(wěn)定性較好;當(dāng)30°<α<40°時(shí)，坡頂張力帶向坡面方向擴(kuò)展，并向坡體內(nèi)部發(fā)展，邊坡可能出現(xiàn)的破壞模式為垮塌或滑塌;當(dāng)α>40°時(shí)，天然狀態(tài)下邊坡基本穩(wěn)定，當(dāng)人站在坡頂或有其他外力作用（降雨、地震、工程荷載）時(shí)，坡頂張力帶與坡面的張力帶擴(kuò)展甚至貫通，一旦受外力作用邊坡大規(guī)模滑動(dòng)或垮塌破壞的概率劇增。

2.3 ?邊坡變形、失穩(wěn)、破壞和巖土類型的相關(guān)性

巖土類型及性質(zhì)是影響邊坡穩(wěn)定的主要因素，巖性控制著斜坡變形破壞的形式和類型。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)在砂礫石含量高的區(qū)域內(nèi)，坡體以垮塌為主 （圖4-a）;在細(xì)砂、粉土區(qū)，往往產(chǎn)生蠕變、表層撓曲、傾倒等破壞形式（圖4-b）;研究區(qū)邊坡土體干燥時(shí)，含粉質(zhì)黏土 、黏土的坡體較陡峻，一經(jīng)水浸，土的強(qiáng)度驟減，變形急劇，邊坡失穩(wěn)垮塌（圖4-c）;區(qū)內(nèi)含砂、含鈣質(zhì)結(jié)核的粉土差異風(fēng)化明顯（圖4-d）。

每段坡各要素實(shí)測(cè)30組以上，算出各要素均值。實(shí)測(cè)及統(tǒng)計(jì)分析得出8個(gè)邊坡段滑塌體臨界坡角、堆積體高度、邊坡角、坡高、邊坡及滑塌體內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角（圖2，表1），可見邊坡段的臨界坡角為31.54°～36.3°，坡長(zhǎng)1.5～6 m，邊坡角60.29°～73.3°。

3 ?坡體穩(wěn)定性分析計(jì)算

3.1 ?建模及巖土體物理力學(xué)參數(shù)

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、勘測(cè)結(jié)果，建立上部邊坡、下部滑塌堆積體的二維簡(jiǎn)化模型，圖5中邊坡下部實(shí)質(zhì)為滑塌體堆積物，對(duì)坡基礎(chǔ)及邊坡后緣施加水平和垂向位移及應(yīng)力約束（表2）。

3.2 ?邊坡穩(wěn)定性等級(jí)劃分

對(duì)邊坡安全等級(jí)應(yīng)結(jié)合邊坡工程勘察和地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜程度劃分。新疆工程學(xué)院內(nèi)邊坡等級(jí)劃分屬于一般工況下二級(jí)永久邊坡（表3），再根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB50330～2013）的規(guī)定，可判定研究的邊坡段是否穩(wěn)定[11]。

根據(jù)規(guī)定，當(dāng)邊坡穩(wěn)定系數(shù)K<1.30時(shí)，邊坡未達(dá)到規(guī)范要求的穩(wěn)定性，此時(shí)邊坡需要處理或加固。文中8個(gè)邊坡段安全系數(shù)不能小于1.30。

3.3 ?不同坡角邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算

采用邊坡簡(jiǎn)化模型及各段邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)，用圓弧滑動(dòng)法計(jì)算各邊坡段的穩(wěn)定系數(shù)，并判斷該邊坡體是否穩(wěn)定。在坡高相同的情況下，巖體愈堅(jiān)硬、坡角越小，抗變形能力愈強(qiáng)，邊坡穩(wěn)定性愈好;反之穩(wěn)定性差。因此，堅(jiān)硬完整的巖石能形成相對(duì)穩(wěn)定的斜坡，而軟弱巖層和土體一般維持低緩的斜坡（表4）。

當(dāng)邊坡穩(wěn)定系數(shù)K<1.30時(shí)，邊坡未達(dá)到相應(yīng)級(jí)別的安全性，認(rèn)為邊坡需要加固。據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)在分段邊坡1～8中，邊坡8最穩(wěn)定，其穩(wěn)定系數(shù)K為1.943;受臨空面影響，邊坡4最不穩(wěn)定，其穩(wěn)定系數(shù)K為1.192。邊坡2、3、7、8的穩(wěn)定系數(shù)K>1.3，是穩(wěn)定的;而邊坡1、4、5、6的穩(wěn)定系數(shù)K<1.3，邊坡是欠穩(wěn)定的，一旦遭到內(nèi)力地質(zhì)作用或外力地質(zhì)作用、工程振動(dòng)及外荷載影響，很有可能變形、失穩(wěn)、破壞。其中4號(hào)邊坡段東側(cè)、東偏北側(cè)存在臨空面。另外，在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)滑塌堆積體體積大、一般上部邊坡為凹坡、礫石含量高，則邊坡穩(wěn)定性系數(shù)偏高;滑塌體體積大的坡體一般礫石及砂的含量均高;中、細(xì)礫含量高、砂含量低則坡體相對(duì)穩(wěn)定;細(xì)礫及砂含量高則易滑塌;粉細(xì)砂、粉土分布區(qū)低緩坡體穩(wěn)定，而高陡坡體趨于滑塌、粉質(zhì)黏土及粉土區(qū)坡體垮塌失穩(wěn)。

3.4 ?不同坡面形態(tài)穩(wěn)定性對(duì)比分析

邊坡的剖面形態(tài)對(duì)邊坡穩(wěn)定性有很大影響，不同剖面形狀的邊坡，穩(wěn)定性也不同。邊坡坡形一般可分為3種：直線型、凸坡和凹坡。凹坡的長(zhǎng)期穩(wěn)定性最好，直線型較穩(wěn)定，而凸坡的長(zhǎng)期穩(wěn)定性較差。對(duì)于同類的凹形邊坡來說，邊坡等高線曲率半徑越小則邊坡越穩(wěn)定。因此，在工程實(shí)踐中多采用分段凹形開挖法使開挖邊坡保持穩(wěn)定，但同時(shí)要避免多個(gè)臨空面，以提高坡體穩(wěn)定性。

4 ?討論與結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、勘測(cè)及邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算， 研究區(qū)滑塌堆積體體積大、一般上部邊坡為凹坡、礫石含量高，則邊坡穩(wěn)定性系數(shù)偏高;滑塌體礫石及砂的含量均高，強(qiáng)風(fēng)化砂礫石坡體表現(xiàn)為垮塌破壞，臨界坡角約36°;中、細(xì)礫含量高、砂含量低則坡體相對(duì)穩(wěn)定，臨界坡角約28°～32 °;細(xì)礫及砂含量高則易滑塌;研究區(qū)砂巖差異風(fēng)化明顯，垮塌有分帶分布特征;粉細(xì)砂、粉土區(qū)低緩坡體穩(wěn)定，而高陡坡體先期以蠕動(dòng)為主，后期趨于滑塌;含鈣質(zhì)結(jié)核的粉質(zhì)黏土及粉土區(qū)坡體垮塌失穩(wěn)受外力影響，滑塌體臨界坡角為28°～36°。

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Abstract：This paper is based on a large number of investigations and surveys on the slopes and slumps on the No.2 platform in the Toutun District of Urumqi City，as well as the tests of soil and the analysis and calculation of typical slope stability.The relationship between body and slope morphology and slope stability：the volume of the collapsed deposit is large，the upper part is concave slope，the gravel content is high，and the sand content is relatively stable，the slope is relatively stable，this slope angle is about 36°;the slope of the gravel is collapsed，and the sand content of the landslide is more likely to collapse，and the critical slope angle is about 28°～32°;the weathering of the strong weathered argillaceous sand at the bottom of the slope outcrop is obvious.Fine gravel and high sand content are easy to collapse;fine silt and calcareous nodule silt area is basically stable，while high-steep slope is mainly creeping deformation in the early stage，and tends to collapse in the later stage;critical slope angle of sliding between 28° and 36°，and with the increase of the critical slope angle of the landslide，the stability coefficient of the slope is improved.

Key words：Rock and soil properties;Slope morphology;Slope stability;Critical slope angle;Analytical calculation