降雨條件下復(fù)雜地質(zhì)邊坡穩(wěn)定性動態(tài)分析

蔡益豐,李志寬,沈朱斌

(浙江工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院 杭州市 310014)

0 引言

人類工程活動是最常見影響邊坡穩(wěn)定性的因素之一,因邊坡工程的不確定性和復(fù)雜性,導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性難以準(zhǔn)確把握,一直是工程界關(guān)注的熱點問題。

因極限平衡法計算簡單,物理意義明確,近些年來使用較多。韋樓等[1]運用BISHOP和JANBU極限平衡法結(jié)合某實際工程,分析高邊坡加固前后兩種方法的不同結(jié)果,通過對比,BISHOP法得到的安全系數(shù)要比JANBU法得到的高;董利軍[2]采用基于M-C準(zhǔn)則的簡化BISHOP法對某公路大橋的兩個邊坡進行了三種工況(天然工況、飽水工況和飽水加地震工況)的穩(wěn)定性分析,為邊坡的支護設(shè)計提供了合理的依據(jù)和參考;馬歡等[3]采用Geo-Studio軟件中的極限平衡法分析了庫水位變化、降雨及其共同作用等工況下邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律。王康三等[4]運用SLIDE軟件并分別采用BISHOP法、JANBU法、FELLENIUS法以及SPENCER法對云南某輸水隧洞洞口邊坡在正常、暴雨、地震工況下進行穩(wěn)定性分析。

SLIDE軟件自帶極限平衡法,能夠快速地進行動態(tài)分析模擬,蘊含工程設(shè)計的實用性強。因此,文章將運用SLIDE軟件對四川某工程隧洞口邊坡進行穩(wěn)定性分析。

1 工程背景

研究區(qū)位于四川盆地東南部川東平行嶺谷中的璧山向斜槽谷內(nèi),為丘陵地貌,區(qū)內(nèi)地形以侵蝕剝蝕地形為主,長江邊為堆積地形。出水塔處為斜坡地形,地面高程250.0～301.0m,地形坡度25°～35°。隧洞口邊坡設(shè)計采用放坡明挖,共設(shè)置5級馬道,馬道高程分別為293m、281m、269m、257m、248.4m,高程257m,初級馬道寬8m,其余馬道寬2m。邊坡開挖坡比1∶1。

隧洞口基面高程240.0m,隧洞口及出水塔開挖將形成54～60m的高邊坡,為巖質(zhì)邊坡,局部邊坡殘留覆蓋層,為崩坡積的粉質(zhì)粘土夾碎塊石,厚約2～2.6m,土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性較差?；鶐r為侏羅系遂寧組紫紅色、磚紅色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖夾薄層粉砂巖、砂巖,強風(fēng)化層厚約1.5～3.0m,以下巖石弱風(fēng)化,巖層近水平,地下水位埋深一般9.8～19.2m,巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性較好。但泥巖、泥質(zhì)粉砂巖存在抗風(fēng)化能力弱,具有易失水干裂、遇水軟化的特點,影響邊坡穩(wěn)定性。因此,隧洞口邊坡開挖存在邊坡穩(wěn)定問題。

2 參數(shù)確定

研究區(qū)露出地層主要為侏羅系上統(tǒng)遂寧組及第四系巖性,具體如下:

(1)崩坡積

為褐紅色碎塊石土、粉質(zhì)粘土夾碎石,碎塊石粒徑多2～15cm,含量約30%～60%,厚度一般13m,局部可達4～5m,主要分布于山丘坡腳。

(2)Ⅱ級階地

Ⅱ級階地為基座階地,主要為卵礫石夾土中密～密實,卵石粒徑多2～10cm,少量直徑約15cm,含量約60%,厚度一般5～16m,局部可達22.1m。主要分布于出水隧洞邊坡。

計算所需的地層參數(shù)綜合室內(nèi)試驗、現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗結(jié)果并結(jié)合國家相關(guān)規(guī)范參數(shù)確定。已知天然含水率和飽和含水率,根據(jù)含水率的變化,按照劉明揚等[5]推導(dǎo)的公式確定得到降雨后的c、φ值。具體邊坡物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)

3 模型選擇

3.1 SLIDE建模及分析方法

該邊坡由抗風(fēng)化能力弱的泥巖、泥質(zhì)粉砂巖組成,具有易失水干裂、遇水軟化的特點,隧洞口邊坡開挖存在穩(wěn)定問題。選取該邊坡的地質(zhì)剖面,利用SLIDE軟件建立二維模型。

第1層為強風(fēng)化砂巖,厚度為2～5m;第2層為弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖,厚度為3～7.5m;第3層為弱風(fēng)化砂巖,厚度為9～12m;第4層為微風(fēng)化砂巖,厚度為11m左右;第5層為微風(fēng)化以及弱風(fēng)化泥巖和砂巖的互層,巖質(zhì)較好且泥巖占比較大,c、φ值采用泥巖數(shù)值計算。

SLIDE軟件對邊坡安全系數(shù)的計算已經(jīng)比較成熟,采用mohr-coulomb強度準(zhǔn)則,計算方式為極限平衡理論。

力矩平衡:

(1)

力平衡:

(2)

式中:c′為有效粘聚力;φ′為有效內(nèi)摩擦角;μ為孔隙水壓力;N為基底法向應(yīng)力;D為線荷載;β,R,ω為幾何參數(shù);α為基底傾角。

對比天然和降雨狀態(tài)下邊坡穩(wěn)定性變化,分析得出更合理更經(jīng)濟的坡率。

降雨對邊坡力學(xué)參數(shù)的弱化規(guī)律參考劉明揚等[5]推導(dǎo)的公式:

c=c0x-0.089(x2-5.93x+12.56)

(3)

(4)

3.2 計算模型

3.2.1初步設(shè)計下的計算模型

計算滑動面呈圓弧形,采用簡化BISHOP法對模型計算分析,并利用JANBU修正法以及SPENCER法進行比較。按照初步設(shè)計開挖的要求,運算結(jié)果得到天然狀態(tài)下安全系數(shù)見圖1。

圖1 初設(shè)計天然狀態(tài)下計算結(jié)果

此邊坡天然狀態(tài)下安全系數(shù)最小值由JANBU修正法得到為1.004,且安全系數(shù)小于2的面主要集中在坡頂。邊坡整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài),無滑坡危險。

降雨飽和狀態(tài)下的邊坡安全系數(shù)見圖2。

圖2 初設(shè)計飽和狀態(tài)下計算結(jié)果

由計算結(jié)果可知,安全系數(shù)最小值由JANBU修正法得到為0.918,強風(fēng)化砂巖層以及弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層將發(fā)生滑移,長約15m、高約7m的坡體可能發(fā)生滑動,將嚴(yán)重影響施工人員的安全以及施工進展。隨著雨水入滲,各巖層達到飽和狀態(tài),粘聚力下降,邊坡穩(wěn)定性下降,導(dǎo)致滑坡。上部巖土體存在滑移危險,下部巖土體較穩(wěn)定,可放緩上部開挖比例,加大下部開挖比例,通過優(yōu)化開挖比例減小開挖方量,同時提高邊坡的穩(wěn)定性。

3.2.2優(yōu)化坡率后的計算模型

根據(jù)現(xiàn)場巖石試驗成果,坡率建議值見表2。

表2 巖(土)體開挖坡比建議值

根據(jù)表2的要求,取強風(fēng)化砂巖層開挖坡比為1∶2,弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層開挖坡比為1∶1.25,弱風(fēng)化砂巖層為1:0.8。優(yōu)化坡率后的剖面圖見圖3。

注:1.巖性邊界線,弱風(fēng)化上限;2.巖性邊界線,微風(fēng)化下限;3.粉質(zhì)粘土夾碎石;4.海拔標(biāo)注;5.水位線;6.初設(shè)計邊坡開挖線;7.優(yōu)化后邊坡開挖線。圖3 優(yōu)化后邊坡剖面圖對比

重新建立模型后進行計算,得到降雨飽和狀態(tài)下的邊坡穩(wěn)定性見圖4。

圖4 優(yōu)化后邊坡降雨飽和狀態(tài)下計算結(jié)果

計算得到邊坡最小的安全系數(shù)為1.137,邊坡在降雨飽和狀態(tài)下開挖也將處于穩(wěn)定狀態(tài),且優(yōu)化后的邊坡穩(wěn)定性高于優(yōu)化前天然狀態(tài)下的邊坡穩(wěn)定性。

4 結(jié)果分析

4.1 極限平衡計算分析

隧洞口開挖后,將在仰坡形成高約54～60m的高邊坡,為巖質(zhì)邊坡,水平層狀坡,局部邊坡殘留覆蓋層,為崩坡積的粉質(zhì)粘土夾碎塊石,厚約0.6～2.6m,土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性較差,降雨后發(fā)生災(zāi)害概率極大?；鶐r為侏羅系遂寧組砂巖、粉細(xì)砂巖夾泥巖、泥質(zhì)粉砂巖,強風(fēng)化層厚約1.5～3m,以下巖石弱風(fēng)化。極限平衡分析方法計算結(jié)果見表3。

表3 極限平衡分析方法計算結(jié)果統(tǒng)計

使用極限平衡分析方法對開挖邊坡進行穩(wěn)定性分析,對比三種工況對應(yīng)的穩(wěn)定性數(shù)據(jù),在強降雨作用下,從天然狀態(tài)轉(zhuǎn)化為飽和狀態(tài),結(jié)合非飽和抗剪

強度理論得到基質(zhì)吸力的降低直接導(dǎo)致材料抗剪強度的降低;降雨入滲導(dǎo)致巖土體內(nèi)部含水量增加,坡體吸水造成重量增加,間接促進滑體向下發(fā)生滑動;邊坡各層巖土體的力學(xué)參數(shù)受粒徑分布、孔隙比、顆粒幾何形態(tài)及含水量等各種因素影響,含水量的增加促使顆粒內(nèi)部發(fā)生滑動和錯動,導(dǎo)致黏聚力和內(nèi)摩擦角的降低和減小,使得在坡率為1:1的開挖過程中上部巖土體發(fā)生滑移,導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。

4.2 邊坡治理建議

根據(jù)圖5分析得知,仰坡為水平層狀巖質(zhì)邊坡,層面外傾不利于邊坡穩(wěn)定;兩組結(jié)構(gòu)面裂隙L1、裂隙L2內(nèi)傾,對邊坡穩(wěn)定有利;裂隙L1與裂隙L2的交線、巖層面與裂隙L2的交線傾向與坡面相反,對邊坡穩(wěn)定有利;但巖層面與裂隙L1、巖層面與裂隙L2的交線傾向坡外,傾角分別為3°、2°裂隙組合線切割邊坡,形成外傾楔形體但由于交線傾角較小,總體穩(wěn)定性較好,與計算分析結(jié)果相吻合。要素統(tǒng)計結(jié)果見表4、表5。

圖5 隧洞口仰坡邊坡赤平投影圖

表4 隧洞口邊坡產(chǎn)狀要素統(tǒng)計表

表5 隧洞口邊坡結(jié)構(gòu)面間的交線產(chǎn)狀要素

邊坡現(xiàn)狀穩(wěn)定性較好,邊坡開挖時應(yīng)清除邊坡周邊零星分布的崩坡積土層,巖質(zhì)邊坡總體穩(wěn)定性較好,坡面局部偶有掉塊,建議開挖后及時加強支護。泥巖、泥質(zhì)粉砂巖存在抗風(fēng)化能力弱,影響邊坡穩(wěn)定性,建議放緩上部巖土體坡率,并加大下部巖土體的坡率,并做好邊坡穩(wěn)定監(jiān)測工作。

研究巖層面與裂隙L1、巖層面與裂隙L2的交線傾向坡外,傾角分別為3°、2°裂隙組合線切割邊坡,形成外傾楔形體,由于交線傾角較小,總體穩(wěn)定性較好,偶有小楔形體局部掉塊,建議加強防護。

5 結(jié)論

SLIDE軟件使用的極限平衡理論能夠較直觀地顯示邊坡穩(wěn)定性系數(shù)及對應(yīng)的危險滑動面,通過比對分析簡化BISHOP法、JANBU修正法、SPENCER計算結(jié)果,得到準(zhǔn)確的邊坡安全系數(shù)。

(1)邊坡在相同工況下,對比三種分析方法,驗證了JANBU修正法得到的穩(wěn)定性系數(shù)是最小的。

(2)在飽和工況下,邊坡潛在災(zāi)害區(qū)在雨水入滲巖土體吸水飽和,土體物理力學(xué)性質(zhì)降低,誘發(fā)滑移,邊坡發(fā)生失穩(wěn)的可能性極大,建議優(yōu)化邊坡放坡開挖比例。

(3)治理后,邊坡穩(wěn)定性系數(shù)有了顯著提升,也增加了開挖的經(jīng)濟效益。