緩傾切向巖質(zhì)邊坡順層滑動(dòng)典型工程案例研究

王家琳，龐 平，李香福，龍 舉

(1.貴州地質(zhì)工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550008；2.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局111地質(zhì)大隊(duì)，貴州 貴陽 550008)

邊坡工程按照巖層傾向與坡向的關(guān)系可以劃分為順向邊坡、反向邊坡、斜向邊坡與直立邊坡[1]，一般情況，順向邊坡屬于不穩(wěn)定坡體結(jié)構(gòu)，直立與反向邊坡屬于整體穩(wěn)定性較好的坡體結(jié)構(gòu)，斜向邊坡相較于順向邊坡，邊坡穩(wěn)定性主要控制因素可能由外傾結(jié)構(gòu)面轉(zhuǎn)換為邊坡巖體強(qiáng)度。白云峰等[2]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)合渝懷鐵路沿線順層滑坡特征，提出巖層走向與邊坡走向夾角等于30°為順向邊坡的上限值，當(dāng)夾角大于30°時(shí)，邊坡穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)，該結(jié)論與《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》對于外傾結(jié)構(gòu)面[3]的劃分標(biāo)準(zhǔn)一致，規(guī)范將結(jié)構(gòu)面傾向與邊坡坡向夾角小于30°的結(jié)構(gòu)面定義為外傾結(jié)構(gòu)面，邊坡可能失穩(wěn)模式為沿著外傾結(jié)構(gòu)面破壞。

巖層傾角對邊坡穩(wěn)定性及破壞模式有重要影響，林杭等[4]運(yùn)用FLAC3D對層狀巖質(zhì)邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬，認(rèn)為順向邊坡穩(wěn)定性隨結(jié)構(gòu)面傾角在[10°,60°]之間呈兩邊大中間小的形態(tài)分布，當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角為30°時(shí)，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)最小。陳從新等[5]對巖層傾角影響順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的模型試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：若巖層傾角與層面內(nèi)摩擦角近似相等，邊坡不會(huì)立即失穩(wěn)變形，邊坡變形發(fā)生在開挖結(jié)束后一段時(shí)間內(nèi)，時(shí)間間隔與巖層面抗剪強(qiáng)度、傾角相關(guān)。趙曉等[6]對軟弱夾層發(fā)育的切向邊坡失穩(wěn)模式進(jìn)行研究，認(rèn)為層間軟弱夾層與巖體中的結(jié)構(gòu)面組合會(huì)形成大量潛在不穩(wěn)定塊體，不利于邊坡穩(wěn)定。劉光華等[7]運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)對緩傾角順向邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究，將15°～30°的順向坡劃分為緩傾順向邊坡，他認(rèn)為影響緩傾順向邊坡的穩(wěn)定性主要有5種因子，而降雨、前緣開挖是強(qiáng)影響因素。

1 工程概況

本次研究的邊坡位于某房地產(chǎn)項(xiàng)目臺地建筑4#、6#樓西側(cè)，邊坡長約200 m，高度7.0～13 m，邊坡坡向?yàn)?18°，坡角約為80°，邊坡巖層產(chǎn)狀為160∠13°，為緩傾角切向巖質(zhì)邊坡。邊坡坡腳為擬建4#、6#樓及園區(qū)道路，坡腳場平開挖標(biāo)高為1 257.0～1 259.75 m，坡頂為擬建幼兒園，幼兒園與坡腳線的平面距離約為60 m，幼兒園與坡頂線之間的區(qū)域?yàn)樵嫉孛?，無建筑物。

邊坡坡面形態(tài)于4月中旬基本成型，但坡面并未進(jìn)行支護(hù)處理，邊坡周邊仍在進(jìn)行場坪開挖的工程建設(shè)活動(dòng)。7月初為陰雨天氣，連續(xù)降雨，至7月9日晚，邊坡發(fā)生失穩(wěn)變形。邊坡失穩(wěn)表現(xiàn)為前緣局部滑坡，后緣出現(xiàn)拉張裂縫，邊坡失穩(wěn)發(fā)生在晚上，邊坡破壞未造成人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失(見圖1)。

圖1 邊坡失穩(wěn)變形遠(yuǎn)景照

2 邊坡巖體及變形破壞特征

2.1 邊坡巖土構(gòu)成

邊坡巖性為三疊系下統(tǒng)安順組(T1a)白云巖，風(fēng)化程度為中等風(fēng)化，巖石呈灰色、灰紫色，薄至中厚層狀，巖體破碎至較破碎，性脆，屬于較硬巖。邊坡巖石層間發(fā)育有泥質(zhì)軟弱夾層，厚度0.3～1.5 cm，軟弱夾層物質(zhì)成分為粉質(zhì)粘土。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)位于揚(yáng)子準(zhǔn)臺地黔北臺隆遵義斷拱貴陽復(fù)雜構(gòu)造變形區(qū)，場地內(nèi)斷層、褶皺構(gòu)造不發(fā)育，下伏基巖呈單斜產(chǎn)出，產(chǎn)狀為160°∠13°。邊坡巖體主要發(fā)育有兩組陡傾節(jié)理裂隙：一組產(chǎn)狀為155°∠87°，一組產(chǎn)狀為70°∠85°，節(jié)理裂隙面起伏粗糙，發(fā)育間距4～6條/m，延伸長度0.1～1.6 m，巖屑充填，結(jié)合一般，屬硬性結(jié)構(gòu)面(圖2)。

1-三疊系下統(tǒng)安順組；2-滑坡；3-地表裂縫；4-地層產(chǎn)狀；5-坡腳線；6-坡頂線；7剖面編號；8-標(biāo)高

2.3 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)地下水類型主要為碳酸鹽巖巖溶裂隙水，含水介質(zhì)為溶洞—裂隙，賦存形式以裂隙流為主，管道流次之，滲透不均勻。地下水主要補(bǔ)給來源為大氣降雨，降雨通過地表裂縫滲入地下轉(zhuǎn)為地下水。總體而言，研究區(qū)穩(wěn)定性地下水位遠(yuǎn)低于邊坡坡腳，穩(wěn)定地下水位對邊坡影響小，但降雨入滲會(huì)對邊坡穩(wěn)定性造成影響。

2.4 巖體物理力學(xué)參數(shù)

邊坡巖體為中風(fēng)化白云巖，巖石重度為27.0 kN/m3，巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為frk=31.5 MPa，屬于較硬巖，巖體抗剪強(qiáng)度粘聚力Ck=200 kPa，內(nèi)摩擦角φk=35°。層間軟弱夾層成分為粉質(zhì)粘土，重度為20.4 kN/m3，含水量為19.6%，比重為2.71，孔隙比為0.57，飽和度93.7%，重塑土抗剪強(qiáng)度粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值Ck=34.4 kPa，內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值φk=16.2°。

2.5 邊坡變形破壞特征

2.5.1 邊坡基本特征

邊坡為巖質(zhì)邊坡，巖性為灰色、黃紫色薄至中厚層白云巖，坡角為80°，坡高7.0～13 m，邊坡長約200 m。邊坡坡向?yàn)?18°，巖層產(chǎn)狀為160∠13°，邊坡坡向與巖層產(chǎn)狀?yuàn)A角為42°，為緩傾角切向巖質(zhì)邊坡。邊坡安全等級為一級，為永久性邊坡，規(guī)范[8]要求邊坡穩(wěn)定系數(shù)不小于1.35。

2.5.2 邊坡可能破壞模式及穩(wěn)定性

邊坡坡向?yàn)?18°，坡角為80°，巖層產(chǎn)狀為160∠13°，兩組節(jié)理產(chǎn)狀分別為155°∠87°和70°∠85°，采用赤平投影定量分析邊坡可能破壞模式見圖3。邊坡為切向邊坡，邊坡可能破壞模式為層面與節(jié)理切割形成的塊體產(chǎn)生順層滑動(dòng)，巖層間存在泥質(zhì)軟弱層，選擇該層為潛在滑移面進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，同時(shí)采用破裂角定量計(jì)算切向邊坡穩(wěn)定性，破裂角取45°+φ/2=62.5°，計(jì)算參數(shù)采用邊坡巖體及巖層面室內(nèi)試驗(yàn)值，計(jì)算公式見(1)：

(1)

式中：W為單寬滑體自重(kN/m3)；F為穩(wěn)定性系數(shù)；C為滑動(dòng)面粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)；φ為滑動(dòng)面內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值(°)；α為滑面的傾角(°)；L為單寬滑體滑面長度(m)。通過計(jì)算，邊坡沿破裂角及軟弱夾層破壞的穩(wěn)定性系數(shù)F分別為4.582和2.342，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)大于邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。

圖3 邊坡赤平投影分析圖

2.5.3 邊坡變形特征

邊坡在7月9日晚發(fā)生失穩(wěn)變形，邊坡失穩(wěn)表現(xiàn)為前緣局部滑坡，后緣出現(xiàn)拉張裂縫，邊坡坡面出現(xiàn)明顯錯(cuò)動(dòng)跡象。

滑坡出現(xiàn)在4#樓西北側(cè)，滑坡體長約55 m，寬約20 m，滑體厚約3 m，滑坡土石方量約為3 300 m3，滑坡方向?yàn)?50°。滑坡發(fā)生后采取的應(yīng)急處置方案為前緣堆土反壓治理(見圖1)。

邊坡后緣出現(xiàn)2條延伸很長的地表裂縫，地裂縫LF1平面上呈“√”狀，裂縫長軸走向?yàn)?5°，與邊坡走向基本一致，裂縫短軸走向?yàn)?00°，裂縫LF1地表寬度為0.3～1.5 cm，延伸長度約為185 m；裂縫LF2發(fā)育長度約為52 m，走向?yàn)?5°，裂縫地表寬度0.5～2.5 cm，裂縫走向與邊坡走向基本一致，裂縫南端延伸至滑坡邊界(見圖1和圖4)。6#樓西北側(cè)邊坡的坡面出現(xiàn)明顯錯(cuò)動(dòng)，錯(cuò)動(dòng)距離0.1～0.5 m(見圖5)。

圖4 坡頂?shù)乇砝瓘埩芽p 圖5 坡面褥滑變形斷口

本次研究的邊坡坡向與巖層傾向夾角為42°，邊坡為切向邊坡，從變形跡象判斷，坡體發(fā)生了順向滑移?，F(xiàn)狀條件下，坡體變形特征與按照室內(nèi)試驗(yàn)值計(jì)算的坡體穩(wěn)定性結(jié)果吻合度差。

3 邊坡變形機(jī)制研究

3.1 滑面抗剪強(qiáng)度反演分析

邊坡滑移面為含有泥質(zhì)夾層的巖石層面，泥質(zhì)夾層力學(xué)參數(shù)是影響坡體穩(wěn)定性的重要參數(shù)，本次研究依據(jù)坡體變形現(xiàn)狀特征采用反演分析的方法來反算滑動(dòng)面力學(xué)參數(shù)，而在采用反演法分析法的過程中徐漢斌[9]等認(rèn)為滑坡不同發(fā)展階段對應(yīng)不同的穩(wěn)定系數(shù)。本次研究采用GPS實(shí)測2條沿邊坡主變形方向的工程地質(zhì)剖面，編號為1—1＇剖面和2—2＇剖面，其中1—1＇剖面布置在滑坡變形區(qū)域且同主滑方向一致，結(jié)合原始地形圖恢復(fù)已滑塌部分剖面的地面線。反演過程采用雙參數(shù)反演，反演結(jié)果見表1，反演中存在C、φ兩個(gè)未知參數(shù)，選擇邊坡主滑方向的2條剖面按照公式(1)建立極限平衡方程組求解，反演中假定2條剖面的滑帶土質(zhì)均勻，力學(xué)參數(shù)相同，忽略靜水壓力作用，1—1＇剖面坡體前緣已經(jīng)發(fā)生滑塌，反演中取穩(wěn)定性系數(shù)Fs1=0.95； 2—2＇剖面坡頂出現(xiàn)有地表裂縫，坡面出現(xiàn)0.1～0.5 m的明顯錯(cuò)動(dòng)，但滑體并未順坡下滑，故取穩(wěn)定性系數(shù)Fs2=1.00進(jìn)行反演計(jì)算。

表1 滑帶土抗剪強(qiáng)度反演計(jì)算結(jié)果表

通過反演計(jì)算，滑帶土抗剪強(qiáng)度粘聚力C=13.1 kPa，內(nèi)摩擦角φ=7.1°?；瑤檐浫鯅A層被降雨浸蝕弱化而成，故采集軟弱夾層重塑土進(jìn)行室內(nèi)飽和直剪試驗(yàn)，軟弱夾層粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值C=34.4 kPa，內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值φ=16.2°，滑帶土反演力學(xué)參數(shù)低于軟弱夾層的室內(nèi)試驗(yàn)值，邊坡滑帶按照室內(nèi)試驗(yàn)值與反演值判斷穩(wěn)定性結(jié)果見表2。通過對比，室內(nèi)試驗(yàn)值計(jì)算的邊坡穩(wěn)定性與實(shí)際邊坡變形特征吻合度差，分析原因，筆者認(rèn)為一方面軟弱夾層取樣的代表性對室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果有較大影響，另一方面筆者認(rèn)為室內(nèi)試驗(yàn)值忽略了軟弱夾層所處的環(huán)境條件變化對力學(xué)參數(shù)造成的不利影響。邊坡從4月份開挖成型到7月份發(fā)生變形失穩(wěn)，坡面未做處理，軟弱夾層在長時(shí)間的日光暴曬、浸水等因素反復(fù)作用下，力學(xué)參數(shù)發(fā)生降低變化，且邊坡所處的周邊環(huán)境在進(jìn)行場平開挖，機(jī)械振動(dòng)降低了軟弱夾層與層面的結(jié)合程度。

表2 軟弱夾層不同方法取值工況下邊坡穩(wěn)定性對照表

3.2 邊坡變形影響因子分析

3.2.1 邊坡變形影響因子劃分

1)泥質(zhì)軟弱夾層

邊坡巖石層間發(fā)育有軟弱夾層，軟弱夾層物質(zhì)成分為粉質(zhì)粘土，厚度0.3～1.5 cm，軟弱夾層構(gòu)成邊坡滑移變形的潛在滑面，軟弱夾層抗剪強(qiáng)度隨時(shí)間在日光暴曬、雨水浸蝕等因素反復(fù)作用下會(huì)逐漸降低，同時(shí)邊坡周邊開挖時(shí)的機(jī)械振動(dòng)降低了軟弱夾層與層面的結(jié)合程度，當(dāng)滑體下滑力大于抗滑力時(shí)，邊坡發(fā)生滑移失穩(wěn)，軟弱夾層構(gòu)成邊坡失穩(wěn)變形的滑帶。軟弱夾層為邊坡滑移失穩(wěn)變形的內(nèi)部控制因素。

2)巖層傾角

邊坡巖層產(chǎn)狀為160°∠13°，巖層傾角較緩但傾向坡外，層間軟弱夾層與貫通裂縫切割形成的巖塊褥滑方向與巖層產(chǎn)狀基本一致，滑面傾角等于軟弱夾層真傾角，巖層傾角略小于軟弱夾層內(nèi)摩擦角室內(nèi)實(shí)驗(yàn)值但遠(yuǎn)大于滑面內(nèi)摩擦角反演值。

3)邊坡巖體結(jié)構(gòu)面

邊坡巖體發(fā)育的層理、節(jié)理裂隙破壞了巖體的完整性，節(jié)理近似垂直，未貫通節(jié)理通過巖橋進(jìn)行連接，邊坡開挖卸荷后將在坡體內(nèi)部產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力集中現(xiàn)象，研究表明坡體后緣一定范圍內(nèi)拉應(yīng)力隨著距坡頂線距離的增大而增大，當(dāng)拉應(yīng)力大于巖橋的抗拉強(qiáng)度時(shí)，巖橋?qū)a(chǎn)生拉張裂縫，拉張裂縫促使巖橋兩側(cè)的節(jié)理裂隙貫通發(fā)展成為破裂面，破裂面與軟弱夾層分別構(gòu)成滑體的后緣邊界以及底邊界。

4)邊坡巖性及強(qiáng)度

邊坡巖石構(gòu)成為薄至中厚層白云巖，巖質(zhì)性脆，單軸飽和抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值frk=31.5MPa，屬于較硬巖的低值區(qū)，巖石力學(xué)強(qiáng)度不高，邊坡開挖卸荷產(chǎn)生的拉應(yīng)力易使巖石變形而產(chǎn)生拉張裂縫。

5)降雨作用

降雨是邊坡失穩(wěn)變形的重要誘發(fā)因素，雨水的反復(fù)浸蝕一方面降低了軟弱夾層的抗剪強(qiáng)度，另一方面也不斷弱化巖石的強(qiáng)度，再且裂隙中充水會(huì)產(chǎn)生靜水壓力，靜水壓力增加滑體下滑力的同時(shí)也降低了抗滑力。

6)邊坡前緣開挖卸荷

邊坡前緣開挖卸荷導(dǎo)致坡面臨空，坡體應(yīng)力場發(fā)生變化，坡體拉應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致邊坡后緣產(chǎn)生拉張裂縫，盡管邊坡為切向邊坡，但順層方向邊坡存在臨空面，軟弱夾層與后緣拉張破裂面切割形成的不穩(wěn)定塊體及有其可能發(fā)生滑移破壞。

7)周邊環(huán)境施工震動(dòng)

邊坡在4月份開挖成型后，邊坡周邊在進(jìn)行場平開挖，開挖方式采用鑿巖機(jī)結(jié)合挖掘機(jī)進(jìn)行挖方工程，機(jī)械振動(dòng)對軟弱夾層與層面的結(jié)合程度造成了不利影響，降低了軟弱夾層的抗剪強(qiáng)度。

3.2.2 邊坡變形影響因子權(quán)重研究

針對本次研究邊坡的變形特征，采用層次分析法研究各因子在影響邊坡變形過程中權(quán)重程度，評價(jià)模型見圖6，采用1～9標(biāo)度[10]法構(gòu)造中間層和指標(biāo)層的判斷矩陣見式(2)～(5)，通過計(jì)算中間層的一致性比例為0.009，指標(biāo)層C1、C2、C3的一致性比例分別為0.028、0.0、0.0，一致性比例均小于0.1，分析過程滿足要求，最終確定邊坡變形影響因子權(quán)重見表3。

(2)

(3)

(4)

(5)

通過分析，卸荷開挖、降雨及軟弱夾層是影響邊坡穩(wěn)定性的主控因子，卸荷開挖致使坡體存在臨空面，層間軟弱夾層傾向坡外為潛在滑面發(fā)育提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，降雨作用的不利影響促使軟弱夾層演化為滑移面。

3.3 邊坡變形失穩(wěn)機(jī)制分析

邊坡前緣被大規(guī)模挖方卸荷形成陡峻的切向巖質(zhì)邊坡面，坡體應(yīng)力場發(fā)生改變，在距坡頂線一定范圍的坡體內(nèi)部拉應(yīng)力將隨著離坡頂線距離的增大而逐漸增大，當(dāng)坡體拉應(yīng)力大于巖橋巖石抗拉強(qiáng)度時(shí)，將在地表及內(nèi)部產(chǎn)生拉張裂縫，隨著時(shí)間推移張拉裂縫逐漸向深部發(fā)展，當(dāng)張拉裂縫與巖體節(jié)理裂隙貫通形成破裂面后，破裂面便構(gòu)成滑體的后緣邊界。

圖6 邊坡變形影響因子分析模型

表3 邊坡變形影響因子權(quán)重計(jì)算表

邊坡巖體層間發(fā)育有軟弱夾層，軟弱夾層與邊坡后緣拉張破裂面將巖體切割成規(guī)模不等的不穩(wěn)定巖塊，盡管邊坡為切向邊坡，但軟弱夾層屬于傾向臨空面的軟弱結(jié)構(gòu)面，力學(xué)強(qiáng)度差，軟弱夾層構(gòu)成了不穩(wěn)定巖體的潛在滑面，塊體滑移方向與巖層傾向基本一致。

軟弱夾層在降雨的反復(fù)浸蝕作用下力學(xué)強(qiáng)度發(fā)生很大程度較低，同時(shí)后緣拉張裂縫中雨水會(huì)對塊體產(chǎn)生靜水壓力，靜水壓力增大塊體下滑力的同時(shí)會(huì)減小塊體抗滑力，加之邊坡周邊施工機(jī)械振動(dòng)的不利影響，當(dāng)塊體下滑力大于抗滑力時(shí)，邊坡巖塊發(fā)生滑移破壞，邊坡的失穩(wěn)模式為順向滑移—拉裂破壞。

4 結(jié)語

(1)層間軟弱夾層與后緣拉張破裂面將坡體切割成不穩(wěn)定塊體，大規(guī)模前緣開挖使不穩(wěn)定塊體在順層方向存在臨空面，軟弱夾層在降雨作用、施工震動(dòng)等因素影響下力學(xué)強(qiáng)度不斷降低并演化為滑面，邊坡最終發(fā)生順層滑移—拉裂破壞。

(2)軟弱夾層、巖層傾角、巖體強(qiáng)度及節(jié)理裂隙、降雨作用、前緣開挖卸荷以及施工震動(dòng)是邊坡穩(wěn)定性的影響因子，其中開挖卸荷、降雨及軟弱夾層是主控因子。

(3)軟弱夾層抗剪強(qiáng)度室內(nèi)實(shí)驗(yàn)值忽略了工程實(shí)際所處的環(huán)境條件，加之取樣代表性等因素影響，抗剪強(qiáng)度室內(nèi)實(shí)驗(yàn)值用于邊坡防治工程勘察設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)乘以小于1的折減系數(shù)，折減系數(shù)宜結(jié)合規(guī)范、工程類比及反演分析綜合研究確定。