深圳市地鐵8號線車輛段高邊坡穩(wěn)定性研究

王智強(qiáng)

(1.深圳市房地產(chǎn)評估發(fā)展中心,廣東 深圳 518034;2.深圳市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心，廣東 深圳 518034)

深圳市地鐵8號線車輛段高邊坡穩(wěn)定性研究

王智強(qiáng)1,2

(1.深圳市房地產(chǎn)評估發(fā)展中心,廣東 深圳 518034;2.深圳市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心，廣東 深圳 518034)

根據(jù)深圳地鐵8號線車輛段高邊坡地質(zhì)資料，采用赤平投影法和有限單元法對邊坡的穩(wěn)定性及影響因素進(jìn)行了分析。該場地存在5條小規(guī)模的斷層，這5條斷層對于邊坡整體穩(wěn)定性不起控制作用。但是會在局部造成危巖和落石等坡面病害。該邊坡的節(jié)理裂隙主要有三組，經(jīng)過分析該邊坡內(nèi)存在一組緩傾角節(jié)理面，為該邊坡的不利結(jié)構(gòu)面，其余組節(jié)理裂隙對邊坡坡體存在切割作用。利用大型有限元模擬軟件采用強(qiáng)度折減法對該邊坡的應(yīng)力場及應(yīng)變場進(jìn)行了分析。該邊坡的安全系數(shù)為1.55，此時(shí)塑性區(qū)貫通。該邊坡的滑動面為巖土體分界面。整個(gè)邊坡的破壞模式是巖土體分界面的順層滑動或土體的圓弧滑動。

高邊坡；強(qiáng)度折減法；有限單元法；安全系數(shù)

深圳市地鐵8號線鹽田港東車輛段位于深圳市鹽田區(qū)菠蘿山西側(cè)，南臨鹽田港，西臨三鹽公路。該場地原為東信采石場，現(xiàn)已停止開采，該邊坡為巖土混合邊坡,該邊坡長 約520 m，高約115 m，整體傾向約270°，整體傾角約36.2°。采石期間對原自然邊坡進(jìn)行了開挖，下部基巖裸露，上部風(fēng)化巖土體覆蓋。由于采石卸荷，巖體卸荷裂隙發(fā)育。擬建停車檢修庫為雙層結(jié)構(gòu)，下層為地下結(jié)構(gòu)，上層為地平結(jié)構(gòu)，同檢修庫同一標(biāo)高。下層停車檢修庫軌面標(biāo)高57.45 m，上層停車檢修庫、試車線軌面標(biāo)高均為67.95 m?；鶐r為黑云母花崗巖, 擬建場地東側(cè)邊坡的穩(wěn)定問題是制約車輛段建設(shè)的重大工程地質(zhì)問題。研究現(xiàn)狀邊坡的穩(wěn)定性及影響因素，為車輛段選址方案比選提供科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)環(huán)境概況

1.1 地形地貌

場地區(qū)域原始地貌為低丘陵，場地范圍內(nèi)由于開采石方，場地標(biāo)高差異較大，高程介于63.63～138.46 m。地表基巖裸露，上部為坡積土及強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，厚度約16 m。

1.2 地層巖性

該邊坡的地層主要由第四系坡積層和燕山期細(xì)粒-中粒黑云母花崗巖及構(gòu)造碎裂巖組成。

砂質(zhì)粘性土②：褐黃、棕紅、灰白色,硬塑-堅(jiān)硬,由黑云母花崗巖風(fēng)化殘積而成，原巖結(jié)構(gòu)可辨，鎬可挖掘，手捏易散，局部含較多強(qiáng)風(fēng)化巖塊。主要分布于邊坡中上部。

強(qiáng)風(fēng)化黑云母花崗巖③2：褐黃、褐灰、灰白色，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，原巖結(jié)構(gòu)清晰，風(fēng)化裂隙發(fā)育，見大量次生礦物，巖塊易折斷，鎬較難挖掘，遇水易崩解軟化。巖體呈散體或碎裂狀,碎塊間結(jié)合很差,巖體基本質(zhì)量等級Ⅴ類。主要分布于邊坡中上部。

中風(fēng)化黑云母花崗巖③3：灰白、灰黃色，黑色，原巖結(jié)構(gòu)部分破壞，沿節(jié)理面有次生礦物，礦物成份基本未變化，裂隙較發(fā)育，錘擊聲脆，不能用鎬挖掘。巖石點(diǎn)荷載換算飽和單軸抗壓強(qiáng)度介于30.8～42.3 MPa，平均值37.63 MPa，標(biāo)準(zhǔn)值34.14 MPa，巖石堅(jiān)硬程度為較硬巖，巖體完整程度為較破碎-較完整，巖體基本質(zhì)量等級Ⅲ～Ⅳ類。該層結(jié)構(gòu)面以原生結(jié)構(gòu)面為主，少量次生構(gòu)造結(jié)構(gòu)面，延續(xù)性較好，結(jié)構(gòu)面大部分呈閉合狀，結(jié)構(gòu)面較平整。該巖層可視為塊狀結(jié)構(gòu)。該巖層整體強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)面互相牽制，巖體較穩(wěn)定。

微風(fēng)化黑云母花崗巖③4：灰白、灰紅色，細(xì)粒-中?；◢徑Y(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，原巖結(jié)構(gòu)基本未變，僅節(jié)理面有渲染或略有變色，有少量風(fēng)化裂隙及次生裂隙，結(jié)構(gòu)面結(jié)合良好。巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度介于45.9～120.0 MPa，平均值84.94 MPa，標(biāo)準(zhǔn)值74.00 MPa，巖石堅(jiān)硬程度為較硬巖-堅(jiān)硬巖，巖體完整程度為較完整，巖體基本質(zhì)量等級Ⅱ～Ⅲ類。該層結(jié)構(gòu)面以原生構(gòu)造結(jié)構(gòu)面為主，結(jié)構(gòu)面大部分呈閉合狀，較平整，互相牽制，巖體較穩(wěn)定，接近彈性各向同性體。該巖層可視為塊狀結(jié)構(gòu)。東側(cè)臺階多出露該地層。

2 地質(zhì)構(gòu)造

本場地有五個(gè)小的斷層通過，編號為F1～F5。斷層F1產(chǎn)狀為0°∠87°，斷裂帶寬度4.0 m，裂隙面閉合較好，延展性差，局部泥質(zhì)充填，斷層面可見擦痕，斷層兩側(cè)巖性為中-微風(fēng)化黑云母花崗巖，斷裂帶內(nèi)巖石破碎，風(fēng)化深度較大。斷層F2產(chǎn)狀為15°∠82°，斷裂帶寬度5.0 m，裂隙面鐵質(zhì)浸染，裂隙水呈滴水狀，裂隙面閉合差，有泥質(zhì)充填，延展性較好。斷層面可見擦痕，斷層兩側(cè)巖性為中-微風(fēng)化黑云母花崗巖，斷裂帶內(nèi)巖石破碎，風(fēng)化深度較大。斷層F3產(chǎn)狀為5°∠85°，斷裂帶寬度3.0 m，裂隙面鐵質(zhì)浸染，裂隙面閉合差，有泥質(zhì)充填，延展性較好。斷裂帶內(nèi)巖石破碎，風(fēng)化深度較大。斷層F4產(chǎn)狀為300°∠65°，斷裂帶寬度1.0 m，裂隙面鐵質(zhì)浸染，裂隙面閉合差，有泥質(zhì)充填，延展性較好。斷裂帶內(nèi)巖石破碎，風(fēng)化深度較大。斷層F5產(chǎn)狀為15°∠70°，斷裂帶寬度1.1 m，裂隙面鐵質(zhì)浸染，裂隙面閉合差，有泥質(zhì)充填，延展性較好。斷裂帶內(nèi)巖石破碎，風(fēng)化深度較大。這5條斷層與邊坡臨空面呈大角度相交，且其傾角大于臨空面傾角，斷層對坡體具有切割作用，對于邊坡整體穩(wěn)定性不起控制作用。但是會在局部造成危巖和落石等坡面病害。斷層與坡面的赤平投影[1-4]見圖1所示。

圖1 斷層與坡面的赤平投影圖

黑云母花崗巖體內(nèi)發(fā)育三組節(jié)理:①226°～270°∠27°～35°，節(jié)理面平直，閉合，延展貫通性差，結(jié)構(gòu)面結(jié)合較好，無充填，該組節(jié)理不發(fā)育，但是在局部該緩傾結(jié)構(gòu)面遇陡傾結(jié)構(gòu)面組合后可能在坡面上形成危巖和落石等坡面病害。② 0°～10°∠67°～85°節(jié)理面粗糙，閉合，延展貫通性差，結(jié)構(gòu)面結(jié)合一般，無充填。③ 95°～110°∠66°～85°節(jié)理面平直，閉合，延展貫通性一般，結(jié)構(gòu)面結(jié)合一般，無充填。第二和第三組節(jié)理構(gòu)成X剪節(jié)理，為該邊坡的優(yōu)勢節(jié)理面。該兩組節(jié)理與邊坡臨空面大角度相交，且其傾角陡于坡面傾角，該兩組節(jié)理不控制邊坡的整體穩(wěn)定，但是會在局部造成危巖和落石等坡面病害。節(jié)理面傾向玫瑰圖見圖2所示。

圖2 節(jié)理面傾向玫瑰圖

3 定性分析

3.1 邊坡類別

該邊坡為巖土混合邊坡，巖體較完整結(jié)構(gòu)面結(jié)合良好或一般，外傾結(jié)構(gòu)面或外傾不同結(jié)構(gòu)面組合線傾角27°～35°，高邊坡整體穩(wěn)定。邊坡安全等級為一級。

3.2 邊坡穩(wěn)定性分析評價(jià)

根據(jù)本次勘察結(jié)果，已建成邊坡地段自開挖形成至今未發(fā)生大的滑坡、崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象。各巖土層的分層界面以及基巖風(fēng)化界面為漸變關(guān)系，邊坡沿巖土層界面以及基巖風(fēng)化界面滑移的可能性較小。邊坡整體較穩(wěn)定。

人工邊坡走向約為0°，傾向270°，總體坡角36.2°，第一組節(jié)理282°∠30°與邊坡傾向相近，傾角小于現(xiàn)狀邊坡總體坡角，屬于對邊坡穩(wěn)定性不利的一組節(jié)理。邊坡坡面與節(jié)理面的赤平投影圖見圖3所示。

圖3 節(jié)理面與坡面的赤平投影圖

4 基于ABAQUS 的三維穩(wěn)定性分析

4.1 強(qiáng)度折減法原理

強(qiáng)度折減法是假定在外荷載保持不變的情況下，將邊坡內(nèi)土體所能提供的最大抗剪強(qiáng)度與外荷載在邊坡內(nèi)所產(chǎn)生的實(shí)際剪應(yīng)力之比定義為抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)。當(dāng)假定邊坡內(nèi)所有土體抗剪強(qiáng)度的發(fā)揮程度相同時(shí)，這種抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)相當(dāng)于傳統(tǒng)意義上的邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)。折減后的抗剪強(qiáng)度參數(shù)可分別表達(dá)為

(1)

(2)

其中，C和φ是土體所能夠提供的抗剪強(qiáng)度；Cm和φm是維持平衡所需要的或土體實(shí)際發(fā)揮的抗剪強(qiáng)度；Fr是強(qiáng)度折減系數(shù)[5]。有限元強(qiáng)度折減法相對于傳統(tǒng)邊坡穩(wěn)定性分析方法而言具有明顯的優(yōu)勢，能夠?qū)哂袕?fù)雜地貌、地質(zhì)的邊坡進(jìn)行計(jì)算，考慮了土體的非線性彈塑性本構(gòu)關(guān)系以及變形對應(yīng)力的影響，且在計(jì)算之前無需假定滑移面的形狀[6]。

4.2 模型的建立及參數(shù)選取

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)，邊坡巖土體物理力學(xué)性質(zhì)見表1所列。計(jì)算模型選取邊坡1-1剖面，所建模型左右長為240 m，左邊界高為95 m，右邊界高為210 m，模型底部采用固定端約束，左右邊界采用X方向法向約束，共同構(gòu)成了模型的邊界條件。強(qiáng)度準(zhǔn)則采用摩爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則[7]。邊坡網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法，局部采用自由網(wǎng)格劃分方法，單元類型為四結(jié)點(diǎn)雙線性平面應(yīng)變四邊形單元CPE4。模型共劃分了576個(gè)單元，630個(gè)節(jié)點(diǎn)。首先計(jì)算坡體的自重應(yīng)力場，再進(jìn)行自重應(yīng)力平衡，采用強(qiáng)度折減法對邊坡整體的穩(wěn)定性進(jìn)行分析[8-10]。模型網(wǎng)格的劃分見圖4所示。

4.3 安全系數(shù)分析

根據(jù)邊坡等效塑性應(yīng)變云圖分析，安全系數(shù)為1.55。當(dāng)折減系數(shù)為1.55時(shí)邊坡最大位移為4.48 cm，折減系數(shù)為1.55時(shí)的位移見圖5所示，此時(shí)邊坡已經(jīng)開始滑動。當(dāng)折減系數(shù)為1.71時(shí)邊坡最大位移為2 143 cm，邊坡已經(jīng)失穩(wěn)，計(jì)算不收斂，折減系數(shù)為1.713的位移見圖6所示。根據(jù)折減系數(shù)與邊坡位移關(guān)系曲線見圖7所示，可以看出，當(dāng)折減系數(shù)小于1.55時(shí)，邊坡位移很小，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)折減系數(shù)大于1.55時(shí)，邊坡塑性區(qū)開始貫通，邊坡位移不斷增大，直至失穩(wěn)，折減系數(shù)1.55時(shí)的等效塑性應(yīng)變云圖見圖8所示。

圖4 模型網(wǎng)格的劃分

圖5 折減系數(shù)為1.55時(shí)的位移圖

圖6 折減系數(shù)為1.713的位移圖

圖7 位移與折減系數(shù)關(guān)系曲線

圖8 折減系數(shù)1.55時(shí)的等效塑性應(yīng)變云圖

5 結(jié)束語

(1) 通過對該邊坡地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造條件，分析了場地內(nèi)發(fā)育的斷層及節(jié)理裂隙對邊坡的影響，該場地發(fā)育的小規(guī)模斷層及節(jié)理裂隙對巖土具有切割作用，對邊坡整體穩(wěn)定性影響不大。

(2) 利用通用非線性有限元程序?qū)吰挛灰茍黾暗刃苄詰?yīng)變場進(jìn)行了分析，該邊坡的破壞模式為沿巖土體分界面的順層滑動，當(dāng)塑性區(qū)貫通時(shí)其安全系數(shù)為1.55。

[1] 吳紹強(qiáng).極射赤平投影法在巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用[J].西部探礦工程,2009(10):117～118,121.

[2] 鐘 林.赤平投影在工程地質(zhì)勘探中的應(yīng)用研究[D].長沙：中南大學(xué),2009.

[3] 任玉京,李 剛,趙欽忠,等.CAD繪圖功能在赤平投影中的應(yīng)用[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006(1):21～24.

[4] 陳奇珠,董翌為.赤平投影法分析巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的圖解模板[J].西北水電,2013(4):13～16，49.

[5] 鄭 宏,田 斌,劉德富,等.關(guān)于有限元邊坡穩(wěn)定性分析中安全系數(shù)的定義問題[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005(13):2225～2230.

[6] 趙尚毅,鄭穎人,時(shí)衛(wèi)民,等.用有限元強(qiáng)度折減法求邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)[J]. 巖土工程學(xué)報(bào),2002(3):343～346.

[7] 徐干成,鄭穎人.巖石工程中屈服準(zhǔn)則應(yīng)用的研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),1990(2):93～99.

[8] 薛 雷,孫 強(qiáng),秦四清,等.非均質(zhì)邊坡強(qiáng)度折減法折減范圍研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2011(2):275～280.

[9] 鄭穎人,楊明成.邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)求解格式的分類統(tǒng)一[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004(16):2836～2841.

[10] 楊光華,張玉成,張有祥.變模量彈塑性強(qiáng)度折減法及其在邊坡穩(wěn)定分析中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009(7):1506～1512.

2016-06-23；修改日期：2016-06-28

王智強(qiáng)(1983-)，男，河南新鄉(xiāng)人，碩士，深圳市房地產(chǎn)評估發(fā)展中心工程師．

U416.14

A

1673-5781(2016)04-0522-04