某建筑場地高切坡破壞模式及支護建議

張少鋒, 胡　義, 劉　彬, 白咸勇

(1.長江巖土工程總公司(武漢),湖北 武漢　430010； 2.國務院 南水北調工程建設委員會辦公室 建管司，北京　100038)

0　引言

鄂西北地區廣泛分布中元古界武當群地層,巖性主要有石英云母片巖、云母片巖及石英絹云母片巖等[1]。本文以丹江口市某居民集中建房場地開挖人工邊坡治理工程為例,對影響片巖構成高切坡的變形破壞因素、形成機理及可能的破壞模式進行了初步分析和評價,并對高切坡的穩定性進行了計算和論證,提出了工程處理建議。

1　工程概況

該工程高切坡位于丹江口市丹鄖公路附近,距離丹江口市市區約5 km。場地規劃建設居民樓房9棟。場地平整后形成最高約25 m的高切坡,根據《建筑邊坡工程技術規范》GB 50330—2002,該高切坡安全等級為二級。 2011年6月雨季坡面多處發生變形,高切坡失穩將直接威脅到場地新建居民房屋的安全[2]。隨后,對該高切坡進行了詳細勘察和應急治理,目前該高切坡運行良好。

2　高切坡地質特征

2.1　形態特征

場地開挖后形成的工程高切坡,整體近似呈“L”型,規劃居民建房沿高切坡布置。根據高切坡的走向、坡面形態等,將該建筑場地高切坡分為北側和南側兩段。

(1)北側高切坡,平面形態上較順直,全長約82 m,高切坡走向235°,坡面傾NW,坡腳高程175 m左右,坡眉高程約為190～195 m,坡高約15～20 m,于高程185.5 m左右預留寬約2 m的馬道,將邊坡分為上、下兩級,上級邊坡開挖坡角約45°,下級邊坡開挖坡角約42°。坡面186 m高程以上巖體多呈強風化狀,以下呈弱風化狀,表層全風化片巖開挖過程中多被剝離,巖層產狀為20°∠65°,為斜交順向坡、巖質邊坡。

(2)南側高切坡,全長約92 m,高切坡平面走向略有變化,走向143°～150°,坡腳高程約176 m,坡眉高程約190～201 m,坡高14～25 m,于高程185 m左右預留寬約2 m馬道,將邊坡分為上、下兩級,上級邊坡開挖坡角約45°,下級邊坡開挖坡角約50°。構成切坡的巖體多呈弱風化狀,坡頂向下厚約10 m為強風化片巖,該段巖層產狀24°∠68°,為斜交逆向坡、巖質邊坡。2011年6月雨季該段坡面多處發生變形,局部發生滑移破壞。

2.2　物質組成

組成高切坡的物質成分主要為下元古界武當群(Pt2wd)片巖及少量第四系松散堆積物。

(1)基巖。下元古界武當群(Pt2wd)片巖為淺變質巖系,灰、灰黃色,具鱗片變晶體結構，片狀構造。主要礦物成分為云母、石英、長石,次為石榴子石、角閃石和綠泥石等。

(2)第四系松散堆積物零星分布于高切坡頂部,主要有以下成因類型和巖性特征:

①殘坡積(Qel-dl):碎石土夾塊石,碎塊石含量30%～60%,結構松散,碎石成分主要為全強風化片巖,土為黃褐色、黃色粉質粘土;

2.3　地質構造特征

構成高切坡的基巖為武當群(Pt2wd)片巖,片理面走向290°～294°,傾向NNE,傾角65°～68°。

高切坡坡面及周圍未見大的斷裂發育,僅于北側高切坡坡體發育斷層一條,傾向40°～55°,傾角43°～60°,斷層面起伏,粗糙,斷層帶寬20～35 cm,由紅、紅褐色碎裂巖構成,完整性差,手捏可碎。

據高切坡坡面裂隙統計,構成高切坡的巖體裂隙較發育,主要發育以下兩組(圖1):

圖1　高切坡巖體裂隙走向玫瑰圖

(1)走向0°～30°,傾向NWW為主、少量傾SEE,傾角60°～86°,裂隙面較平直,延伸長一般0.5～2.0 m,少量長度>3 m,平均發育線密度3～8條/m,該組裂隙占統計裂隙總數的32.5%。

(2)走向285°～320°,傾向NE或SW,傾角45°～81°,面平直、光滑或粗糙,延伸長度一般1～2.5 m,少量長度>5 m,平均發育線密度5～10條/m,該組裂隙占統計裂隙總數的27.7%。

其余裂隙多短小,密集發育,裂隙面光滑,附著鐵錳質薄膜或卸荷張開無充填。

2.4　巖體風化特征

據現場調查及鉆孔揭露,構成高切坡的強風化巖體大多為片狀,巖性和力學性質較為均勻,巖芯采取率在30%～60%之間,RQD=0～25,屬極軟巖—軟巖,片理發育,巖體破碎,裂隙面附著鐵錳質薄膜或浸染,巖體基本質量等級為Ⅴ類,該層厚度約7.5～13.0 m;弱風化巖體完整性較好,巖芯采取率在55%～85%之間,RQD=20～50,屬軟巖,片理發育,巖體較破碎,斷面新鮮或附著少量鐵錳質浸染,巖體基本質量等級為Ⅳ-Ⅴ類,鉆探及邊坡開挖未揭穿該層,厚度>8 m。巖體風化特征見表1。

2.5　水文地質條件

工程區水文地質條件簡單,西北側緊鄰丹江口水庫,區內地表排水條件較好,地表水主要來源于大氣降水,降水以坡面流的形式排入兩側沖溝后匯入水庫。地下水類型以第四系松散介質孔隙水及基巖裂隙水為主,片巖含水性差,透水性微弱。同時由于該區域片巖節理裂隙較發育,使得雨水較易入滲、聚集和留存于高切坡坡體中。在水的作用下,片巖的強度特別是抗剪強度顯著被弱化。

表1　巖體風化特征一覽表

3　高切坡破壞模式

據現場地質調查及分析判斷,該高切坡破壞模式主要有楔形體破壞及滑移變形破壞兩種。下面分別進行簡要論述。

3.1　楔形體破壞

如前所述,構成高切坡的巖體裂隙密集發育,主要發育NNE、NW向兩組,線密度3 ～10條/m,巖層產狀20°～24°∠65°～68°,與開挖坡面組合切割多形成塊徑10～30 cm的不穩定楔形體。采用赤平極射投影法分別對北側及南側高切坡不利結構面進行分析(圖2、圖3)。

由圖2可以看出:北側高切坡坡面走向235°,坡角45°,優勢裂隙面2、片理面3同優勢裂隙面1及坡面組合后能夠形成不穩定楔形體,考慮到結構面間距較小,形成的不穩定楔形體規模均不大,楔形體塊徑較小;由圖3可以看出:優勢結構面1、2及片理面3交線與坡面傾向相對,構不成不利結構體,不會發生楔形體破壞。

圖2　北側高切坡結構面赤平投影

圖3　南側高切坡結構面赤平投影

3.2　滑移變形破壞

構成高切坡的巖體為強風化—弱風化片巖,屬于軟巖—極軟巖,受雨水浸泡、軟化后,強度急劇降低。南側高切坡在2011年雨季已經發生坡體變形(照片1),坡面出現多條剪切裂縫,裂縫一般寬2～5 cm,局部張開寬度達20 cm左右,無充填。剪切裂縫剪出坡面最高達40 cm左右,該段高切坡坡面變形面積約1 000 m2。滑移變形前緣最低點高程約為178 m,后緣高程約為201.5 m,推測主滑移方向約為156°,與高切坡坡面走向夾角80°左右,最大滑移變形厚度約7 m,屬于中層滑坡[3]。

照片1　南側高切坡沿片理面向坡外變形照片

南、北側兩段高切坡的構成巖體相同,開挖后北側高切坡整體穩定性沒有發生改變,而南側高切坡發生了明顯的變形破壞。分析其原因,主要由大氣降雨入滲后,排泄不暢造成的。北側高切坡為斜交順向坡,主要結構面也都傾向坡外(如圖2),利于下滲雨水及時排出坡面,而南側高切坡為逆向坡,主要結構面傾向坡內(如圖3),同時由于片巖透水性微弱,不利于下滲雨水排泄,受雨水長期浸泡后,結構面抗剪強度急劇降低,發生剪切滑移破壞。從排水條件來看,在同樣由片巖構成的高切坡中,橫向高切坡的穩定性優于逆向高切坡。

4　高切坡穩定性分析

4.1　宏觀分析判斷

(1)北側高切坡坡高15～20 m,分兩級開挖,上級邊坡開挖較緩,下級邊坡開挖略陡,坡體由強—弱風化片巖構成,該段高切坡為斜交順向坡。構成高切坡的巖體各種結構面多傾向坡外,下滲雨水排泄順暢,巖體受多組不利結構面組合切割,可形成不穩定楔形體破壞,但該段高切坡整體基本穩定。

(2)南側高切坡坡高14～25 m,分兩級開挖,上級邊坡開挖坡角約45°,下級邊坡開挖坡角約50°。構成高切坡的巖體以弱風化為主,坡頂向下厚約10 m為強風化片巖,該段高切坡為斜交逆向坡。構成高切坡的巖體各種結構面多傾向坡內,坡體表面未進行封閉,雨水較易入滲、匯集,留存于坡體內,巖體受浸泡軟化后,抗剪強度將急劇下降,邊坡在強降雨條件下易發生滑移變形破壞。邊坡整體穩定性差。

4.2　穩定性計算

4.2.1參數確定

因南側高切坡在強降雨條件下已經發生滑移變形破壞,進行反演分析變形體部分的計算參數,重度按照飽和狀態強風化片巖計算,反演穩定系數取0.989,得到的變形體內摩擦角15°,粘聚力24 kPa。根據取樣室內試驗成果,結合現場巖體實際情況,綜合給出高切坡巖土體物理力學參數建議值(表2)。

表2　高切坡巖土體物理力學參數建議值

4.2.2整體穩定性計算

根據高切坡的巖土物理力學特性,《建筑邊坡工程技術規范》5.2.2規定,采用圓弧滑動法計算。計算的基本表達式為:

式中:Wi為垂直荷載,包括土條自重和其上部的建筑荷載。其中,自重可將其分為兩部分,地下水位以上用濕容重計算,設為Wi1;地下水位以下用飽和容重計算,設為Wi2。其它垂直荷載,設為Pi。假設自重的作用線通過條塊寬度的中心線。ui為剪切面上的孔隙水壓力的合力,與剪切面正交。c′、φ′為剪切面抗剪強度(有效應力指標)。αi為土條地面傾角。

計算簡圖見圖4。

圖4　圓弧穩定性計算簡圖

穩定性計算采用2個計算工況:天然工況和飽水工況。南北兩側切坡整體穩定性計算結果如表3。

表3　高切坡穩定性計算結果表

由表3可知,在天然工況下南、北兩側高切坡整體處于穩定狀態,飽和工況下北側高切坡處于基本穩定狀態,南側高切坡處于不穩定狀態(失穩狀態)。2011年6月雨季南側高切坡發生變形破壞,也基本驗證了計算結果。

5　高切坡支護處理

高切坡支護處理方案應根據高切坡變形破壞模式、機理,充分分析影響高切坡穩定的因素進行綜合制定。該高切坡坡頂8～10 m厚度范圍多為強風化巖層,結構松散,完整性差,目前開挖坡角過陡,可考慮進行適當削坡處理。建議強風化片巖開挖坡比≤1∶1.5,弱風化片巖開挖坡比≤1∶1;經穩定性計算及破壞模式分析可知,該高切坡的穩定性受大氣降水影響明顯,因此應加強坡面排水及坡頂大氣降水的疏導、引排工作,避免雨季大量雨水入滲坡體;考慮到構成該高切坡的巖體為武當群片巖,節理裂隙較發育,邊坡表面存在楔形體破壞或風化剝落掉塊現象,建議對該高切坡坡面進行封閉處理。

6　結論

鄂西北地區武當群片巖分布廣泛,對工程建設、特別是對工程高切坡的長期穩定具有特殊意義。本文以某建筑工程場地人工高切坡為例,對影響片巖高切坡的變形破壞因素、形成機理及可能的破壞模式進行了初步分析和評價,并對高切坡的穩定性進行了計算和論證,提出了工程處理措施及建議。對類似高切坡的分析論證和支護處理有一定的借鑒意義。

參考文獻:

[1]湖北省地質礦產局.湖北省區域地質志[M].北京:地質出版社,1990.

[2]張少鋒,胡義,等.丹江口庫區丹江口市同心安置點高切坡防護工程地質勘察報告[R].武漢:長江勘測規劃設計研究有限責任公司,2011.

[3]常士驃,張蘇民,等.工程地質手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,2007.