花崗巖孤石的穩(wěn)定性評價(jià)研究

王 平， 李志波

(深圳市工勘巖土集團(tuán)有限公司,廣東 深圳 518000)

因花崗巖球狀風(fēng)化作用在殘積土或全強(qiáng)風(fēng)化巖體中分布的微風(fēng)化—中風(fēng)化似球狀堅(jiān)硬塊體通常被稱為“孤石”或“風(fēng)化球”，廣泛分布于中國東南沿海花崗巖地區(qū)。花崗巖地區(qū)有些孤石出露于山區(qū)地表，在持續(xù)風(fēng)化剝蝕、人類工程活動等作用的影響下，地表孤石容易產(chǎn)生崩塌等現(xiàn)象，對其下方區(qū)域造成危害。

當(dāng)前關(guān)于危巖穩(wěn)定性的研究較多也較為成熟，廖偉杰等[1]在巴東縣鏈子巖崩塌采用赤平投影、三維優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面滑動法及平面滑動極限平衡法進(jìn)行綜合分析；田野[2]根據(jù)危巖影響因素及破壞模式進(jìn)行穩(wěn)定性分析與趨勢預(yù)測；楊儉波等[3]對黑巖屋崩塌進(jìn)行了墜落式破壞分析。孤石的穩(wěn)定性也有一些學(xué)者研究，如杜甫志等[4]關(guān)于人工邊坡和基坑部位孤石破壞模式的初步探討；陳洪凱等[5-6]推導(dǎo)出嵌入型危石滑移破壞的穩(wěn)定性分析公式等。

筆者通過多年花崗巖山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了珠江三角洲地區(qū)孤石穩(wěn)定性影響因素與破壞模式，擬訂了花崗巖山區(qū)孤石的穩(wěn)定性定性分析與定量評價(jià)的方法，并在實(shí)際工作中不斷改進(jìn)和完善，取得了良好的效果。

1 孤石穩(wěn)定性影響因素與破壞模式

1.1 孤石的形態(tài)及分布特征

劉治軍等[7]指出花崗巖地區(qū)地表孤石通常成群、成線狀分布，亦有少數(shù)地區(qū)為孤立零星分布。筆者認(rèn)為，花崗巖孤石大多為似球形、橢圓形的次圓狀，按成因分為原生孤石和滾石，前者是指孤石位于原地，未產(chǎn)生滾動和大的位移，后者是指曾經(jīng)失穩(wěn)已產(chǎn)生了明顯移位的孤石。原生孤石通常分布于山脊、溝谷上游或溝頭、山頂、山體中上部，通常以單體型式成群、成線狀分布，較多個(gè)體長軸向上聳立于地表，部分孤石會不同程度嵌入坡殘積土或全強(qiáng)風(fēng)化巖體之中。滾石通常分布于溝谷底部、山體中下部，有疊摞現(xiàn)象，大部分個(gè)體長軸貼近地面、呈平躺狀態(tài)。

1.2 影響孤石穩(wěn)定性的主要因素

地質(zhì)體的穩(wěn)定性分析離不開影響因素的分析與總結(jié)。筆者在總結(jié)深圳、廣州、惠州地區(qū)多個(gè)工程案例后發(fā)現(xiàn)，對花崗巖孤石的穩(wěn)定性有影響的因素較多，可分為內(nèi)在因素和外部因素。

1.2.1內(nèi)在因素

主要有孤石所處的地形地貌、孤石形態(tài)特征、孤石結(jié)構(gòu)特征、孤石及下伏土體物質(zhì)組成等方面。

(1) 孤石所處的地形地貌。地殼抬升區(qū)的花崗巖山區(qū)侵蝕、剝蝕作用較為發(fā)育，其臨空條件及基底條件在持續(xù)變差，總體上穩(wěn)定性較差，地殼暫時(shí)平穩(wěn)地區(qū)的花崗巖孤石穩(wěn)定性次之，地殼下降區(qū)主要以堆積作用為主，花崗巖孤石分布少且穩(wěn)定性一般較好。低山、高丘陵和人工邊坡的坡度較陡，孤石的立地條件普遍較差，穩(wěn)定性普遍偏低；中—低臺地的地形較緩，孤石立地條件相對較好，穩(wěn)定性相對較好。

《深圳地質(zhì)》[8]將花崗巖地表孤石分為石蛋、石錐、石柱、石蘑菇等微地貌類型，同樣的立地條件和外部條件下，整體穩(wěn)定性由差到好大致可按如下排列：石柱→石錐→石蛋崖→石蛋→石墻→石蘑菇、石蓮。

(2) 孤石形態(tài)特征。孤石的穩(wěn)定性與其形態(tài)特征直接相關(guān)，可按臨空條件、懸空程度、高徑比三個(gè)主要指標(biāo)評價(jià)。孤石臨空面多、臨空面坡度陡時(shí)，其穩(wěn)定性較差，反之穩(wěn)定性相對較好；孤石底部懸空、形成凹腔時(shí)，其鎖固段薄弱且長度較短，穩(wěn)定性較差，反之穩(wěn)定性相對較好；呈石柱狀聳立于地表的孤石，高徑比較大，重心較高，易受震動(地震、工程振動)的影響，容易失穩(wěn)，反之長邊貼地、平躺狀態(tài)的孤石則整體穩(wěn)定。

(3) 孤石結(jié)構(gòu)特征。分為孤石與坡面的接觸形式和孤石內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征兩種。

孤石底座與坡面的接觸程度較差時(shí)，其穩(wěn)定性較差，反之穩(wěn)定性相對較好。通常有以下現(xiàn)象時(shí)說明其接觸條件差：①孤石底座與坡面存在空隙，接觸面未膠結(jié)，抗剪強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度低；②接觸面傾向與坡向近似一致，傾角較陡，易產(chǎn)生滑移。

孤石本身的結(jié)構(gòu)較差時(shí)，其穩(wěn)定性較差，反之穩(wěn)定性相對較好。通常有以下現(xiàn)象時(shí)，說明孤石自身結(jié)構(gòu)較差：①孤石內(nèi)部存在有張開的裂隙，裂隙貫通率較高，裂隙傾角較陡，可能產(chǎn)生傾倒式破壞，裂隙傾向臨空面，可能沿裂面產(chǎn)生滑移式破壞；②孤石本身發(fā)育有較為密集的節(jié)理、裂隙，節(jié)理裂隙部分已張開，巖體較為破碎，容易產(chǎn)生塊體崩塌。

1.2.2外部因素

外部因素主要包括降雨、地震、根劈作用、土壤侵蝕、側(cè)向土壓力與人類工程活動等方面。

(1) 降雨。①降雨對土體的浸潤與軟化導(dǎo)致基底土體強(qiáng)度降低、接觸面抗剪強(qiáng)度減?。虎诮涤旯嗳牍率瘍?nèi)部裂隙及危石圍巖(含土體)之中，產(chǎn)生動、靜水壓力且增大了自重及側(cè)向壓力，對危石穩(wěn)定性極為不利；③降雨導(dǎo)致基座土體侵蝕、流失，鎖固段長度或厚度減少、傾覆點(diǎn)后移，危石應(yīng)力狀態(tài)改變而產(chǎn)生失穩(wěn)。

(2) 地震。地震時(shí)在坡體會產(chǎn)生水平及垂直方向的慣性力，增加孤石的傾覆力矩與下滑力，可能導(dǎo)致孤石瞬間失穩(wěn)。高徑比較大的孤石重心較高，地震等振動作用有放大效應(yīng)[9]，受地震影響更大。

(3) 根劈作用。當(dāng)孤石邊界或孤石內(nèi)部長有植被時(shí)，植物根系的生長會產(chǎn)生側(cè)向膨脹力[10]，孤石臨空側(cè)的約束較弱，巖體會向臨空面方向持續(xù)變形乃至破壞。

(4) 土壤侵蝕。花崗巖殘積土及全、強(qiáng)風(fēng)化巖體為特殊性巖土，其抗水蝕性差，易受水力侵蝕產(chǎn)生水土流失。孤石所處山坡植被缺乏時(shí)，將產(chǎn)生較為嚴(yán)重的土壤侵蝕現(xiàn)象，會導(dǎo)致孤石底部抗滑段長度縮減、傾覆點(diǎn)后移，使孤石的穩(wěn)定性驟降。

(5) 側(cè)向土壓力。很多孤石1～3面臨空、靠山側(cè)倚靠土體，孤石承受來自后方的側(cè)向土壓力，在土壓力作用下有向臨空面變形破壞的趨勢。

(6) 人類工程活動。人類工程活動對孤石穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的因素主要有加載、爆破、切坡等方面。

① 加載。在孤石頂部或后緣坡體修建房屋、道路等，對孤石形成直接加載，或增加孤石后部的土壓力，均會導(dǎo)致孤石穩(wěn)定性的降低。

② 爆破。爆破作用形成的瞬時(shí)震動波，可能直接導(dǎo)致孤石失穩(wěn)(類似地震)，長期受爆破影響時(shí)，孤石內(nèi)部的節(jié)理、裂隙將會擴(kuò)張、貫通，影響其穩(wěn)定性。

③ 切坡。在孤石周圍切坡，可能使孤石所在的坡體產(chǎn)生卸荷、變形，導(dǎo)致孤石基座的松脫和接觸程度降低，還有可能導(dǎo)致孤石重心的偏移，造成受力狀態(tài)的變化而產(chǎn)生失穩(wěn)。

④ 其他。其他人類活動也有可能導(dǎo)致孤石穩(wěn)定性降低，如砍伐樹木等。

1.3 孤石的變形破壞模式

本研究主要論述孤石體自身的變形破壞模式，孤石所在的山坡(邊坡)攜裹孤石整體崩、滑的案例不在本文的討論范圍之內(nèi)。

(1) 滑移式破壞。孤石沿基底接觸面產(chǎn)生滑移，或孤石塊體沿外傾臨空的內(nèi)部結(jié)構(gòu)面或組合結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑移。

(2) 傾倒式破壞。孤石以底部某點(diǎn)(或很小的區(qū)域)為圓心有轉(zhuǎn)動的趨勢，產(chǎn)生傾覆力矩，拉開鎖固段產(chǎn)生變形破壞，或危石內(nèi)部的塊體產(chǎn)生傾覆。

(3) 墜落式破壞。孤石內(nèi)有懸空的塊體，塊體剪斷鎖固段巖體產(chǎn)生自由落體式崩塌，該種破壞模式本文不進(jìn)行深入探討。

2 孤石的穩(wěn)定性評價(jià)

2.1 定性評價(jià)

自然歷史分析法是斜坡穩(wěn)定性定性分析最常用的方法，該方法對研究斜坡穩(wěn)定性的區(qū)域規(guī)律尤為適用[11]，通過研究斜坡形成的地質(zhì)歷史和所處的區(qū)域地質(zhì)環(huán)境、斜坡的地貌和地質(zhì)結(jié)構(gòu)、發(fā)展演化階段及變形破壞形跡來分析斜坡穩(wěn)定性的影響因素，從而作出初步評價(jià)。筆者在深圳市某孤石群勘查中利用自然歷史分析法的原理擬訂了斜坡地表花崗巖孤石的定性分析方法[12]，并在其后的工作中驗(yàn)證與不斷完善，形成了較為成熟的定性分析方法(表1)。該方法綜合考慮了孤石的所處環(huán)境、形態(tài)特征、結(jié)構(gòu)特征、破壞模式、根劈作用等。

表1 斜坡花崗巖孤石穩(wěn)定性定性分析方法Table 1 Qualitative analysis method for stability of slope granite boulders

2.2 計(jì)算分析

孤石是危巖的一種形式，其穩(wěn)定性計(jì)算和危巖基本一致。本文僅對一側(cè)倚靠土坡、外側(cè)臨空孤石的穩(wěn)定性計(jì)算進(jìn)行簡單分析。將孤石視為剛體，按照潛在破壞模式(滑移式、傾倒式)，在現(xiàn)有危巖穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行完善。

2.2.1分析假設(shè)

(1) 孤石為嵌入土體中的剛性塊體，為簡化計(jì)算，不考慮孤石與其側(cè)面巖土體的摩擦力；

(2) 孤石與周圍巖土體、與基底巖土體之間無有效黏接，與周圍巖土體的抗拉強(qiáng)度為0；

(3) 將空間問題簡化為剖面問題，取單位寬度1 m進(jìn)行計(jì)算；

(4) 孤石為一整體；

(5) 孤石位于穩(wěn)定地下水位以上，降雨期間周邊巖土體視為飽和滲流帶，未形成自由水面。

2.2.2滑移式破壞模式

將孤石的潛在滑移面視為平面，以邊坡平面滑動穩(wěn)定性計(jì)算方法[13]為基礎(chǔ)，推導(dǎo)孤石一側(cè)臨空、另一側(cè)倚靠于土坡的情況(該狀態(tài)的孤石普遍存在)，將孤石背側(cè)(倚靠土坡一側(cè))土體的側(cè)向壓力疊加進(jìn)行推導(dǎo)。作用在孤石上的側(cè)向壓力取主動土壓力，呈三角形分布(圖1)。

圖1 孤石抗滑穩(wěn)定性計(jì)算模型Fig.1 Calculation model of anti-sliding stability of boulders

假定背側(cè)土坡直立、孤石直立光滑，單層土體。此時(shí)作用在孤石背側(cè)的側(cè)向壓力為：

Ka=tan245-φ/2

(1)

(2)

Ea=0.5eah

(3)

式中：Ka為主動土壓力系數(shù)；ea為墻底的主動土壓力(kPa)；Ea為主動土壓力合力(kN/m)；φ為土的內(nèi)摩擦角(°)；c為土的內(nèi)聚力(kPa)；h為土坡高度(m)(在本文中h=Ht)。

以《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330—2013)A.0.2的公式為基礎(chǔ)，考慮孤石北部受側(cè)向壓力的平面滑動穩(wěn)定性公式如下：

(4)

R=Gcosθ-EasinθtanφZ+cZL

(5)

T=Gsinθ+Eacosθ

(6)

式中：Fs為孤石抗滑穩(wěn)定性系數(shù)；R為孤石單寬重力及附加水平力引起的抗滑力(kN/m)；T為孤石單寬重力及附加水平力引起的下滑力(kN/m)；G為孤石單寬自重(kN/m)；θ為孤石與基底的平均傾角(°)；φZ為孤石與基底接觸面的綜合內(nèi)摩擦角(°);cZ為孤石與基底接觸面的綜合內(nèi)聚力(kPa)；L為潛在有效滑面長度(m)。

孤石與土體接觸面的綜合抗剪強(qiáng)度(cZ、φZ)的概念是參考三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)要求的原理，可取基底土體抗剪強(qiáng)度的0.4～0.7倍，并乘以有效長度所占的比值(扣除基底接觸不良段所占長度的比例)[14]。降雨工況下可按飽水考慮，巖土體重度和抗剪強(qiáng)度均取飽和值；孤石或后緣土坡出現(xiàn)裂縫時(shí)，應(yīng)在下滑力和抗滑力中考慮裂隙水壓力；地震(或振動)工況下孤石和背側(cè)土坡都要疊加水平附加力。

2.2.3傾倒式破壞

(1) 孤石重心在傾覆點(diǎn)內(nèi)側(cè)(靠山側(cè))時(shí)，圍繞傾覆點(diǎn)O轉(zhuǎn)動，抗傾力矩是由孤石重力提供，傾覆力矩由孤石背側(cè)土壓力(合力點(diǎn)位于底部1/3高度處)提供(圖2)。由此推導(dǎo)的計(jì)算公式如下：

圖2 孤石抗傾穩(wěn)定性計(jì)算模型(重心向內(nèi))Fig.2 Calculation model of anti-tilt stability of boulders

(7)

MR=G·a

(8)

(9)

式中：Ft為孤石抗傾穩(wěn)定性系數(shù)；MR為抗傾覆力矩(kN·m)；MQ為傾覆力矩(kN·m)；a為重心鉛垂線—傾覆點(diǎn)鉛垂線的水平距離(m)；Hs為后緣土坡高度(m);Ht為后緣底線—傾覆點(diǎn)的垂直距離(m)，其余符號意義同前。

(2) 孤石重心在傾覆點(diǎn)外側(cè)(臨空側(cè))時(shí)，假設(shè)孤石現(xiàn)周邊巖土體接觸面的抗拉強(qiáng)度為0，因此抗傾力矩為0，危巖體處于失穩(wěn)狀態(tài)。自然狀態(tài)下見有此類孤石暫未失穩(wěn)，是由于周邊植被的支撐力、孤石與周邊巖土的摩擦力、孤石與底部巖土的殘余抗拉強(qiáng)度等作用力暫時(shí)限制了傾覆力矩，其整體力系非常脆弱，暫時(shí)穩(wěn)態(tài)隨時(shí)會被打破，可視為不穩(wěn)定。

3 討論

前文提出了孤石穩(wěn)定性定性評價(jià)和計(jì)算分析的方法，以下對相關(guān)方面進(jìn)行討論：

(1) 定性分析方法是否全面。定性分析方法主要考量了孤石所在斜坡的穩(wěn)定性、孤石的形態(tài)特征、結(jié)構(gòu)與接觸關(guān)系等，對具體的孤石關(guān)注較多，而對于地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、水文地質(zhì)條件則未考慮。

孤石和地質(zhì)構(gòu)造有很密切的關(guān)系，斷裂與節(jié)理裂隙對孤石的發(fā)育有著控制作用。本文主要關(guān)心的是單體孤石的穩(wěn)定性，地表孤石已經(jīng)脫離母體，可以視為土體，除活動性斷裂以外具體的斷層對孤石個(gè)體實(shí)質(zhì)上已無影響了，因此定性指標(biāo)對孤石內(nèi)部結(jié)構(gòu)面、孤石與基底和圍巖的接觸關(guān)系更為看重。

花崗巖孤石本就是沿幾組節(jié)理物理化學(xué)風(fēng)化后剩余的最堅(jiān)硬部分[15]，呈中—微風(fēng)化狀態(tài)，屬硬質(zhì)巖，巖性較均勻且各地孤石的工程地質(zhì)性質(zhì)相差不大，所以定性指標(biāo)未考慮孤石的巖性差異。

據(jù)筆者野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，原生孤石在山脊、山頂、溝頭或上游較為密集，溝谷等匯水量較大的部位以滾石居多且基本無威脅?；◢弾r山區(qū)第一層地下水通常為上層滯水，其埋藏深、水量貧乏，對孤石幾乎無影響。相比地下水，大氣降雨及其形成的短時(shí)地表徑流則影響更大。因此未考慮地下水的因素。

本文的定性評價(jià)用于單體孤石的評價(jià)，適合于詳細(xì)調(diào)查、勘查(察)階段，區(qū)域性評價(jià)時(shí)應(yīng)充分考慮區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的影響。筆者認(rèn)為，定性評價(jià)應(yīng)抓住主要矛盾，更多考慮個(gè)體的差異，如考慮的因素過多，反而會失去針對性。

(2) 定性與定量的關(guān)系。定性與定量分析應(yīng)該是相互依存、相互補(bǔ)充，不應(yīng)當(dāng)是對立的關(guān)系，分析體系應(yīng)匹配，計(jì)算實(shí)質(zhì)上也是對定性分析主要指標(biāo)量化的體現(xiàn)?；◢弾r山區(qū)往往孤石密布、數(shù)量眾多，且大部分個(gè)體是穩(wěn)定的，實(shí)際工作中沒必要每個(gè)孤石都進(jìn)行計(jì)算分析?？上仍诂F(xiàn)場初步調(diào)查，應(yīng)用定性分析方法分析各單體的穩(wěn)定性，再對塊體較大、有一定危害、定性分析穩(wěn)定性差的個(gè)體進(jìn)行詳細(xì)的勘查和計(jì)算。

(3) 孤石質(zhì)量的影響。定性評價(jià)細(xì)則中，對單體孤石質(zhì)量無指標(biāo)控制，實(shí)際上孤石尺寸對其穩(wěn)定性的影響是比較大的。目前掌握的孤石崩塌案例偏少，無足夠的數(shù)據(jù)量來統(tǒng)計(jì)，今后可在更多案例的基礎(chǔ)上統(tǒng)計(jì)分析孤石質(zhì)量與穩(wěn)定性的關(guān)系。

4 結(jié)論與展望

(1) 地表花崗巖孤石單體的穩(wěn)定性主要受內(nèi)部因素和外部因素的影響。內(nèi)部因素主要包括地形地貌、形態(tài)特征、結(jié)構(gòu)特征，外部因素主要包括降雨、地震、根劈作用、土壤侵蝕、側(cè)向土壓力與人類工程活動。在不同情況下降雨、地震、土壤侵蝕、人類工程活動均可成為主要誘發(fā)因素。

(2) 本文在分析了孤石影響因素的基礎(chǔ)上，采用自然歷史分析法提出了孤石單體穩(wěn)定性評價(jià)的定性評價(jià)細(xì)則。

(3) 本文將孤石單體的變形破壞模式劃分為滑移、傾倒、墜落三種，提出了一側(cè)倚靠土坡、外側(cè)臨空孤石單體的滑移、傾倒破壞的計(jì)算方法。

(4) 地表花崗巖孤石的受力狀態(tài)非常復(fù)雜，影響因素遠(yuǎn)比本文所列要多，今后工作中有必要進(jìn)一步深化地表花崗巖孤石的研究，如：廣泛收集孤石失穩(wěn)案例并深入分析總結(jié)，孤石三維穩(wěn)定性分析，孤石失穩(wěn)后的運(yùn)動特征研究等。