巖質邊坡穩定性研究

【摘 要】建筑場地穩定性由多種因素控制，其中邊坡的穩定性對建筑場地影響、建筑物安全使用具有重要的意義。本文首先概述了建筑場地巖質邊坡的現狀，調查巖體巖性、裂隙發育、地層產狀等特征，利用裂隙統計位移反分析及力學參數計算，對邊坡穩定性分析、評價，提出加固處理措施，對于從事相關勘察、設計及施工作業人員具有一定的參考價值。

【關鍵詞】巖質邊坡；穩定性；加固

引言

隨著城市建設規模的不斷擴大，土地資源的日益緊張，對丘陵山區土地資源的利用日益增多，丘陵山區作為建筑場地，經常遇到邊坡的穩定性分析，并需得出科學的結論。某山區建筑場地爆破施工整平期間形成人工巖質陡坡，部分邊坡因爆破影響，巖體產生松動，邊坡的穩定性直接影響邊坡上部擬建建筑物及場地的穩定性。前人對自然邊坡的穩定性分析較多，對人工巖質陡坡的穩定性研究較少。人工爆破裂隙有時對邊坡的穩定性起到主導作用，因此，科學的分析裂隙參數，對于確保建筑場地穩定，提高建筑物安全具有重要的作用。

1 工程概況

某建筑場地擬建2棟高層建筑物，建筑物北側3m左右為爆破整平施工期間形成人工陡坡，高度4-6m，巖質邊坡安全等級為Ⅰ級，因爆破邊坡使巖體產生松動、裂隙發育，該邊坡直接影響擬建建筑物及場地的穩定性，建筑施工暫停。因此，針對潛在不穩定的邊坡進行勘察、穩定性評價工作。

2 勘察工作方法

邊坡穩定性分析、評價前，采用現場勘察及室內試驗獲得有關資料，選取合理的計算參數，具體采用如下方法：

2.1 工程地質測繪：采用點、線、面結合，查明地層巖性特征、軟弱夾層分布、斷層破碎帶的寬度及影響寬度、充填物及膠結情況、節理裂隙的產狀、延伸方向、寬度充填物性質、發育程度和張開程度等有關要素。

2.2 現場檢測：地質雷達探測坡體內深部裂隙、節理以及滑裂面，進一步探測裂隙的空間分布特征。

2.3 原位試驗：原位試驗選擇巖體直剪試驗、裂隙直剪試驗、巖石點荷載試驗三種試驗方法。

2.4 室內試驗：室內試驗項目為含水率、塊體密度、飽和吸水率、飽和單軸抗壓強度、飽和單軸壓縮變形、三軸壓縮強度、抗拉強度、直剪。

3 場地工程地質條件

3.1 地層巖性：

豹斑狀白云質灰巖：淺棕褐色、灰白色，隱晶質結構，中厚層狀構造，質地較純，豎向節理局部較發育，節理多為鈣質充填，局部為未充填，巖體較完整，層面間為泥鈣質充填，巖層傾向53°～73°，傾角3°～8°。

灰質白云巖：灰白色，隱晶質結構，中厚層狀構造，泥質含量較高，豎向節理局部較發育，節理多由粘性土及鈣質充填，巖體較完整，層面間為泥鈣質充填，巖層傾向36°～50°，傾角3°～12°。

3.2 節理、裂隙：

該場區節理走向主要有45°～80°，300°～350°兩組分布，其中又以45°～80°節理居多，更密集，傾向主要集中在NW和SE方向，傾角絕大多數＞75°，部分節理近直立。從現場場區的節理性質來看，應以張性節理為主，部分較大裂隙寬度有1～5cm不等，填充有鈣質、泥質填充物。有幾個長度和寬度較大的裂隙，對邊坡的穩定性有影響。

該場區因人工爆破開挖后產生大量人工裂隙，形成巖石松動區，松動區范圍2-3m。

地質雷達儀器為國際上先進的美國SIR-3000，探測天線分別采用了100MHz、200MHz兩種天線。地質雷達探測的主要對象是邊坡坡體。據雷達圖像的解譯結果，上部2-3m深度范圍內裂隙交錯發育，深度16m發現一連續完整的結構面。

3.3 承壓板法原位試驗：

承壓板法用于測定承壓板下應力影響范圍內巖體、土體的承載力和變形特征。它是在承壓板上施加一定的荷載，并測定其變形，然后繪制出壓力——變形曲線（圖1、圖2），計算巖土的承載力和變形。

該方法視巖體為均質、連續、各向同性的半無限彈性體；根據布辛涅斯克公式，剛性承壓板下各點的垂直變形（W）可表示為：

或

式中：

A——承壓板面積；

E0——巖體的變形模量；

p——承壓板上單位面積壓力；

D——承壓板直徑；

——巖體的泊松比；

m——與承壓板形狀、剛度有關的系數。

計算得E＝234.2MPa

4 邊坡穩定性分析方法

4.1 極限平衡分析法：

目前工程界普遍采用的計算方法仍為極限平衡法，因其計算方法簡便，并能定量的給出邊坡穩定系數大小。邊坡穩定性安全系數k的一般表達式：

基于安全系數可以建立多種分析方法：如瑞典分條法，畢肖普法，Morgenstern-Price法，Sencer法，Sarma法，Janbu法及余推力法等。本次穩定性分析計算采用瑞典條分法、畢肖普法和Janbu法。

4.2 ANSYS的有限元數值模擬分析：

由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的ANSYS開發，它能與多數CAD軟件接口，實現數據的共享和交換，是現代產品設計中的高級CAD工具之一。ANSYS有限元軟件包是一個多用途的有限元計算機設計程序，它包含了前處理、解題程序以及后處理。

4.3 FLAC-3D的有限差分數值模擬分析：

FLAC-3D設有多種本構模型，另外，程序還設有界面單元，可以模擬斷層、節理和摩擦邊界的滑動、張開和閉合行為。支護結構如砌襯、錨桿、支架等與圍巖的相互作用也可以在FLAG-3D中進行模擬。

在FLAC3D中求解安全系數時，單次安全系數的計算過程主要采用的是第一種失穩判據。假設數值計算模型所有非空區域都采用摩爾-庫倫本構模型，便可使用命令Solve fos來求解安全系數。

5 邊坡穩定性綜合評價

5.1 允許安全系數的確定：

如何確定一個既能保證工程安全又在經濟上合理的安全系數，必須經過理論分析，計算和工程經驗，安全系數的確定正確與否，直接關系到工程的安全和經濟效益問題，安全系數越高，經濟效益越差，二者是成反比例的，因此必須引入“允許安全系數”的概念。

允許安全系數是我們在評價邊坡穩定性時的一項重要指標。通常認為當計算得到的安全系數大于允許安全系數時工程為穩定的；小于允許安全系數時為不穩定的。它的確定取決于對各種影響因素的考慮，并且在很大程度上依賴于工程經驗。

允許安全系數為：一級邊坡[FS]=1.50；二級邊坡[FS]=1.30。

5.2 邊坡穩定性綜合評價結果：

經過邊坡穩定性分析計算，將邊坡穩定性綜合評價結果及建筑物對邊坡的影響程度見表1。

6 結語

邊坡安全等級為一級，邊坡穩定性狀態為整體穩定（Ⅰ級）。計算表明，建筑物位置進入邊坡的變形區域范圍，雖然邊坡穩定性滿足要求，但充分考慮邊坡的變形對建筑物地基穩定的影響。由于邊坡坡體受爆破震動影響嚴重，爆破松動區范圍大，爆破松動區采用預應力錨索進行加固。

參考文獻：

[1]GB50021—2001(2009)版．巖土工程勘察規范[S]．北京:中國建筑工業出版社，2009．

[2]工程地質手冊編寫委員會.工程地質手冊(第三版)[M] . 北京: 中國建筑工業出版社， 1992.

[3]李大心. 地質雷達方法與應用. 北京: 地質出版社， 1994.