淺析山地建筑物邊坡穩定性分析方法及研究

劉 家 軍

(云南大姚縣住房與城鄉建設局，云南 大姚　675003)

淺析山地建筑物邊坡穩定性分析方法及研究

劉 家 軍

(云南大姚縣住房與城鄉建設局，云南 大姚675003)

摘要：以坡地建筑物邊坡變形破壞機理為切入點，探討了坡地建筑物邊坡穩定性分析方法和內容以及影響因素，并進一步探討了邊坡變形的破壞模式以及判定準則，結合工程處理案例，按照所探討的邊坡穩定性分析方法、變形破壞模式、變形破壞判據等得出某坡地建筑物的邊坡是以平面滑動及楔形體滑動的破壞模式為主，并根據邊坡穩定性分析結果，提出了山地建筑物設計應當注意的事項。

關鍵詞：坡地邊坡;穩定性分析;破壞模式及判據;處理措施

1概述

云貴高原耕地少，山地多，近年來，云南省委、省政府提出了“城鎮上山、工業上山”戰略規劃以充分利用山坡地建筑房屋，一方面可少占耕地，保護基本農田，充分利用土地資源，同時，山地又較其他地區地質條件要好，多層建筑采用天然地基淺基礎，淺層承載力一般均能滿足要求，可適當降低造價。但由于山地地質條件較為復雜，在這種復雜場地上建造房屋除了針對房屋結構設計、地基處理、山地場地穩定性等需要綜合考慮外，還需要重點考慮山坡場地邊坡的穩定性問題。山地邊坡失穩將對工程建設、工程運行和社會影響產生嚴重的后果。國內外邊坡發生破壞性事故的情況也較為頻繁，因此，對山地邊坡進行穩定性分析是山地房屋建筑面臨的一個重大工程技術問題。筆者根據多年從事工程施工和工程建設的實踐，總結歸納了幾種傳統的邊坡穩定性分析方法，結合工程案例，采用傳統的邊坡穩定性分析方法對某山地房屋邊坡穩定性進行了比較分析。

2邊坡變形破壞的機理

邊坡變形破壞的機理就是研究在特定的工程地質條件下，邊坡從開始變形到破壞全過程所產生的一系列力學的、物理的和化學的變化，它揭示的是邊坡變形破壞的內在規律，從而可以對邊坡穩定性的現狀及發展趨勢作出正確的評價并建立符合實際的數學模型。

2.1邊坡變形破壞機理研究的內容和方法

目前，對該機理的研究主要是圍繞潛在失穩分離面的形成和發展變形破壞的力學過程來進行，其主要內容包括邊坡巖體變形的地質模式、力學作用過程及判斷、影響邊坡穩定性的各種因素的定量分析等。

(1)山地邊坡巖體變形的地質模式。

由于工程建設的不斷發展，邊坡變形和破壞的實例越來越多，從而使對其進行歸納分析、建立相應的地質模式成為可能。山地邊坡變形的地質模式主要包括工程地質巖組特征、巖體結構特征、巖體應力條件、水文地質條件、邊坡破壞形態及變形破壞的力學原理和時間效應等。

(2)力學作用原理及判據。

山地邊坡以變形表明其發展，以失穩破壞宣告其消亡形成新的邊坡，從統計物理學角度出發，變形長期積累的量變過程是一個線性過程，質變是一個非線性非穩定態過程，深刻揭示該過程并抓住該過程變化的臨界點，就可以對山地邊坡的失穩作出正確預報。山地邊坡的破壞需要較長時間的演變過程，在這一過程包含著復雜的巖體力學作用機理，是應力狀態和巖體強度之間矛盾發展的結果。

(3)影響山地邊坡穩定性的因素。

山地邊坡的變形和破壞是受其內在的一些基本因素和外界的一些誘發因素制約的，因此，深入研究這些因素作用于山地邊坡的機理，就可以準確地預報山地邊坡的變形發展。

2.2邊坡巖體的破壞機制及判據

巖體的破壞機制是指破壞的力學過程，破壞判據是破壞時應力應變條件的表達式，亦稱破壞準則。由于巖體本身性質的差異和受力條件不同，一般有脆性破壞和延性破壞兩種形式，其破壞機制歸納為張破裂、剪破裂及塑性流動等三種類型。

(1)張破裂破壞機制的判定準則：①最大正應變理論。大量的試驗資料表明，在無圍壓和低圍壓條件下，軸向壓力作用下張破裂面大多與σ1作用的方向平行，可根據廣義的胡克原理推導出產生張破裂的巖石應力判據；②裂紋擴展準則。試驗研究認為：巖體介質內部存在著隨機分布的裂紋，當荷載達到一定值時將會在最利于破裂的裂紋端部產生應力集中現象而使裂紋擴展，因此，可根據應力在裂紋周邊產生切向應力和徑向應力導出裂紋端部開始破裂的條件。

(2)剪破裂破壞機制的判定準則：巖石剪破裂的判據一般采用熟知的庫侖-莫爾準則。

(3)塑性流動破壞機制的判定準則：對于塑性流動，可以根據壓應力的剪切效應進行判定。

3山地邊坡變形破壞形式、影響因素及穩定性分析方法

3.1變形破壞形式

在開挖過程中，由于山地邊坡巖體的原始平衡狀態遭到破壞，邊坡應力將重新分布以求達到新的平衡。在新的應力條件下，坡體可能發生局部或整體性的變形和破壞。當邊坡巖體中出現外界貫通的破壞面而使被分割的巖體以一定的加速度脫離母體時，稱為山地邊坡巖體的破壞。其變形和破壞的形式主要有以下幾種類型。

(1)蠕動：在上部巖體的重力作用下，使表部巖層發生長期緩慢地變形及松動現象，其以巖塊間的剪切位移及巖塊的歪斜扭轉為主要特征；

(2)滑坡：又分為均質滑坡、順層滑坡及切層滑坡；

(3)崩坍：崩坍多發生在由堅硬巖層組成的高陡山地邊坡地段，其特征是由多組軟弱面切割的巖體沿山地邊坡傾倒翻滾墜落到坡腳，除地質因素影響以外，風化和水的作用以及爆破開挖等均對崩坍的產生和發展有直接的影響；

(4)傾倒：邊坡巖塊受幾何形狀、產狀、裂隙水以及結構應力變化的影響，以某一點(或棱線)為轉動軸心繞其向外側臨空面轉動的現象稱為傾倒。初始階段，巖塊以角位移(轉動)為其主要變形形式，繼而使邊坡巖體松動、架空，可視其為大規模滑動的前兆；

(5)坍塌：是一種在邊坡較陡、發生自上而下、由外向內逐層坍落破壞的現象。其破壞面很不規則，大多參差不齊，主要受裂隙切割面的控制；

(6)坍滑：兼有滑坡與坍塌兩種特征，有一定的滑動面，但巖體又不是整體滑動。

3.2影響因素

邊坡穩定的影響因素有內在因素(地質因素)和外在因素，其中內在因素是基本因素。

3.3坡地建筑物邊坡穩定性分析方法

邊坡穩定性分析的目的是要正確得出邊坡穩定狀況的結論，為制定開挖安全措施提供依據。基本、簡便、實用的分析方法主要有自然歷史法、力學分析法、工程類比法。當然，還有許多其他的分析方法，如應力應變分析法、模型試驗法、隨機評價法、系統工程分析法等。筆者在文中采用的分析方法是前三種簡便的分析方法，將三種方法互相驗證、互相補充，經過綜合分析后確定移民搬遷安置點邊坡的穩定性。

(1)自然歷史分析法：它是其他分析方法的基礎，為力學計算方法決定邊界條件和選擇參數，為工程地質類比法提供比擬依據。分析時，根據工程地質及水文地質條件，研究坡體的巖體結構特征和變形破壞跡象并進一步聯系邊坡的自然環境和歷史條件的發展變化，查明促使邊坡穩定性發生變化的主導因素，得出定性的結論。

(2)力學分析法：力學分析法是一種廣泛適用的方法，它可以得出穩定性的定量評價，其可靠性取決于計算參數和邊界條件、軟弱面抗剪指標選擇，因此，力學分析法必須以正確的地質分析為基礎，其又分為以下兩種：

①力學計算法：主要利用抗滑力與下滑力之比來判斷邊坡的穩定性，即K=抗滑力/下滑力，式中，K為穩定系數。當K=1時,邊坡處于臨界狀態(極限平衡狀態)；K>1時，邊坡穩定；K<1時，邊坡不穩定。

②赤平極射投影法：即赤平投影法。該方法是邊坡穩定分析中常用的圖解法之一，常用吳爾弗投影網作為投影工具。利用該方法進行斜坡穩定性分析時，常需應用力學計算法予以驗證。赤平投影法的特點是能以二維平面圖形表示物體幾何要素的空間方位，并能方便求得它們之間夾角與組合的關系。為了對滑動體形態和幾何尺寸等作出明確解答，常將赤平投影、垂直投影和比例投影方法結合運用。

(3)工程地質類比法：工程地質類比法是應用自然歷史分析法認識和了解各種斜坡的工程地質因素，把已有的天然斜坡或人工邊坡的研究成果或經驗應用到條件相似的斜坡的研究分析中去。進行類比時，應使類比條件盡可能相似。

4工程案例分析

某坡地房屋建筑物最大高度約20 m,長約150 m,底寬約20 m,邊坡坡角約77°，軸線方向為N40.5°～65.5°E。巖性為千枚巖、花崗片麻巖,風化強烈,局部膠結較差,節理裂隙較發育，覆蓋層較厚，由殘積土、坡積層組成，強風化厚度約為4.5 m,經過對結構面組合進行穩定性分析得知,邊坡穩定受結構面控制,表現為塊體組合局部失穩。

4.1山地邊坡部位主要發育有三組節理裂隙

(1)平均走向N54°W，傾向SW，傾角40°，主要為片狀節理；

(2)平均走向N77°E，傾向NW或SE，傾角80°；

(3)平均走向N9°W，傾向NE，傾角76°。

4.2基礎地質參數

山地邊坡基礎地質參數：巖石比重：γ=2.6 t/m3；節理內摩擦角：φ=65°；節理內聚力(粘結強度)：C=0；地震加速度：α=0.25 g。

4.3山地邊坡軸線與三組主要節理之間的關系

從工程建設地質方面考慮，邊坡穩定條件主要取決于軟弱面的臨界傾角和軟弱面間內摩擦角的大小，以及節理裂隙的產狀與邊坡軸線、邊坡的相互關系。軟弱面是產生大量塌方或順層滑坡的主要因素。

(1)邊坡軸線與三組主要節理走向夾角的關系見表1。

表1　軸線與節理走向關系表

注:①a為節理傾角；δ為節理走向與邊坡軸線的交角；ak為臨界傾角(指在一定條件下不會引起滑動的最大傾角)；②穩定性判斷:若aka，邊坡穩定；③如果巖層破碎,有軟弱區且巖層傾角在15°～50°范圍內,巖層的走向與開挖面坡面走向的夾角小于40°,根據一般經驗,邊坡存在斷裂的潛在危險,絕大部分可能失穩。

(2)三組節理的傾角與節理內摩擦角的關系見表2。

表2　傾角與節理內摩擦角關系表

4.4穩定系數

根據公式F=防止滑坡的總力/引起滑坡的總力計算,在勘測設計報告的穩定性分析中,結論是以楔形塊滑動破壞方式為主,不計地震力時,邊坡穩定系數F=3.5；計入地震力時(α=0.25 g)，其邊坡穩定系數F=1.7。因此，在選擇上述基礎地質參數、邊界條件、軟弱面抗剪指標等條件下，山地兩側邊坡的穩定安全系數是足夠的。

在不考慮地震加速度及三組主要節理相互組合的情況下，山地邊坡三組單一結構面的巖質邊坡力學計算公式為：

F=抗滑力/下滑力=(Gcosatgφ+cl)/Gsina

=(tgφ/tga)+(cl/Gsina)

由于c=0，則公式簡化為：F= tgφ/tga

式中G為滑動體重量；a為滑動面傾角；l為滑動面長度；c為滑動面上的內摩擦角與內聚力。

表3　單一結構面F計算表

注：F=1時,極限平衡狀態；F>1，邊坡穩定；F<1時，邊坡不穩定。

4.5破壞模式及滑動方向的判斷

(1)破壞模式的判斷。

①某一地質不連續面的走向與坡面的走向交角小于22.5°且傾角小于坡面傾角時會產生單滑面破壞模式；

②Makland試驗準則:如果兩條地質不連續面的交線傾角小于在該相交線方向上的坡面傾角時,則會發生楔型塊滑動破壞模式。但如果兩個地質不連續面中的任何一個的傾角在坡面傾角和相交線傾角之間,則會在兩地質不連續面中傾角較大的一個發生平面滑動破壞模式。據此,根據三組節理面相互組合沿軟弱面的滑動方向的赤平投影圖可作出如下破壞模式的判斷：

平面滑動破壞模式為：坡地建筑物邊坡的破壞為平面滑動破壞模式，滑裂面為C組節理面；B組節理與坡面走向(N65.5°E)交角小于22.5°時,節理傾角接近坡面傾角,因此,兩邊墻還存在潛在的平面滑動破壞模式,滑裂面為B組節理面。

楔型塊滑動破壞模式為:由A、B組節理組成的楔型滑動塊破壞模式，以及由B、C 組節理組成的楔型滑動塊破壞模式。

(2)滑動方向的判斷。

在赤平投影中，按軟弱面的產狀標出它們的傾向線及軟弱面的交線。

①若交線在兩傾向線之間，則交線為滑動面；②若交線在兩傾向線之外,則當中一條傾向線為滑動方向；③若交線與一根傾向線重合,則該傾向線即為滑動方向。

4.6山地建筑物邊坡穩定性分析

從山地邊坡穩定性分析看，邊坡是不穩定的，邊坡破壞的模式主要是以平面滑動破壞模式和楔型滑動破壞模式為主要表現形式。因此，為了確保山地房屋建設的施工安全和工程安全，一定要在邊坡穩定性分析的基礎上，判明影響邊坡穩定的主導因素，對山地邊坡變形破壞的形式和原因作出判斷，為制訂山地邊坡抗滑移等工程處理措施提供借鑒和依據。

5結語

在山地邊坡上設計并建造房屋建筑時，應注意以下幾個問題：

(1)各專業應協調設計，以確定適宜場地實際情況的結構設計；

(2)對于地質條件復雜的山地邊坡，應進行穩定性分析及計算，從而為抗滑移處理措施提供依據和安全保障；

(3)在山地邊坡上進行多種穩定性分析并相互驗證，可使邊坡防治和處理的設計更有針對性、有效。

劉家軍(1970-)，男，云南大姚人，工程師，從事建筑施工及建設管理工作.

(責任編輯：李燕輝)

收稿日期:2015-01-07

文章編號:1001-2184(2015)03-0077-04

文獻標識碼:B

中圖分類號:TV761；TV765；TU19；[TB16]

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