土石坡體變形特征及穩定性評價

王緒冰　藺興旺　劉海政　韓劍波

土石坡體變形特征及穩定性評價

王緒冰藺興旺劉海政韓劍波

本文通過對該高切坡的地層組合及變形破壞特征進行分析，采用定性及定量評價方法對邊坡的穩定性進行評價，研究結果得出：（1）高切坡的地層主要由上部與坡向同向外傾的第四紀含碎石黏土及下部反向內傾的侏羅系中統上沙溪廟組砂、泥巖互層組成；（2）坡體現存的變形破壞現象主要為地面拉裂、滑坡及垮塌，坡體變形主要位于巖土分界面之上，受滑動帶控制；（3）多種穩定性分析結果綜合表明坡體整體穩定性差，在暴雨季節地表水和地下水的作用下可能會發生塌滑破壞。結合高切坡的地質條件、穩定性分析結果及人文環境等情況，最終選擇削坡減載、抗滑樁、掛網噴射砼護坡、格構支護和排水工程作為主要治理措施。

隨著三峽庫區的蓄水，進行了大量的移民遷建工作，新建移民居點主要位于地勢不平的丘陵地區，建（構）筑物場地開挖過程中形成了較多危及居民和建筑物安全的高切坡。許多的工程實例表明邊坡的穩定性對于工程整體安全、施工進度等都有著極其重要的意義，而變形是坡體破壞的主要形式，因此對高切坡的坡體變形特征進行研究，搞清高切坡的變形破壞因素及破壞特征顯得尤為重要。針對這一問題，學者們從理論、現場觀測、數值模擬實驗等不同角度對坡體的變形機制及影響因素展開研究。如王喚龍等人（2010）分析了4種土體類型的開挖變形破壞特征，并指出堆積體邊坡的具體變形特征與堆積體結構特征密切相關，并且受到其下臥基巖面的形狀、傾角等因素影響。黃秋香（2011）結合開挖支護過程中坡體動態的內、外觀測成果，對具有軟弱夾層的反傾巖坡的變形特征和變形機制進行分析，研究結果表明坡體整體變形模式為壓縮-蠕變、傾倒-拉裂復合模式。肖克強等人（2007）通過地質力學模型試驗對軟巖高邊坡在開挖及降雨時坡體的穩定性及變形變化規律進行研究，試驗結果表明，在開挖過程中及時地施加支擋結構可以有效地抑制坡體的蠕變變形，特別對坡體中下部的蠕變變形抑制效果更顯著。以往的研究各有側重地分析了坡體的變形機制、變形類型及影響因素，但本文研究的高切坡下部巖層層面與坡向反向，而上部巖土界面與坡向同向，這種復合式的巖土體結構具有一定的獨特性，值得我們深入的研究。

邊坡結構及變形特征

邊坡因修建教學樓挖掘形成，走向342°，坡向70°，坡角45～70°，延伸長260m。區域構造位置屬川東褶皺束萬縣復向斜東南翼，地層產狀平緩，無次一級褶皺及斷裂構造存在，屬于穩定場地。坡體存在多段滑塌區，主要危及對象為擬建的中學圖書館、教學樓及人員等，危害程度嚴重。

地層組合及變形破壞現狀

地層組合特征

該高切坡地層自上而下可分為第四系土石混合堆積體與基巖兩套地層如圖1所示，細分為以下三層：第一層為第四系滑坡堆積土石混合體（Q4del）；第二層為滑帶碎石土及第四系坡殘積粉質黏土（Q4dl+el）；第三層為侏羅系中統上沙溪廟組（J2s）紫紅色厚層狀粉砂質泥巖夾中厚層狀紫灰色長石石英砂巖、粉砂巖。其中第三層因風化程度的差異，又分為兩個亞層，強分化層和中等分化層。

圖1　坡體巖層結構組合特征

表1　邊坡結構面特征及抗剪強度指標

表2　高切坡穩定性計算參數表

圖2　校區教學樓內側高切坡平面及地質現象圖

變形破壞現狀

坡體由南往北分為三段滑塌區。南段：切坡內橫向分布長度約105m。該段局部土體前緣連同下部破碎基巖產生滑塌，滑帶寬約15m。中段：橫向分布長度約85m，縱向在公路以下未見基巖出露。該段土體前緣沿基巖頂面產生滑動，為階梯狀坐滑形式，已危及坡頂高壓電桿安全。北段：長約70m，坡體上部土體沿中風化基巖頂面產生滑動，坡頂土體內已見3條拉裂形成的裂縫和小土坎，后緣新建公路因土體滑移路面產生下沉和基底被掏空如圖2所示。

坡體變形一般可以分為卸荷回彈和斜坡蠕變兩種方式。該坡體的破壞形式主要表現為地面拉裂、滑坡及垮塌。

（1）地面拉裂

拉裂破壞主要發生在該高切坡的坡頂面，拉裂縫上寬下窄，頂部巖土體的完整性遭到破壞。由于坡體開挖，坡體內拉張力集中部位移動量不均衡，從而使坡體內部產生了變形，當其拉伸變形達到或超過土體的極限抗拉強度時，地表便產生垂向拉裂縫。

（2）坡體滑塌

主要位于坡體的中段上部。滑坡體主要為土石混合堆積體，黏性土呈可塑狀，由于人工挖掘坡體產生側向臨空面，從而引起應力的重分布及應力集中等效應，加上風化和雨水淋濾作用，致使滑移面上剪應力超過了該面的抗剪強度，淺部土體沿滑移面產生蠕變滑移，由于各部分滑速不同而在滑坡頂部形成不同高程的臺面和陡坎，順坡向發育，滑坡形態保持相對完整性。

綜合分析高切坡各處的裂縫、滑坡及垮塌現象，雖然變形破壞現象分布的比較零散，但坡體變形主要位于巖土分界面之上，受滑動帶控制。

邊坡變形破壞模式

該邊坡為二元結構邊坡，由基巖和上覆的松散堆積層構成。邊坡的變形破壞機制演化如圖3所示。圖3（a）為邊坡的初始狀態（即未進行開挖），松散的堆積層發育較多的裂隙，基巖和上覆松散堆積層中間存在著軟弱結構面；當邊坡巖體進行開挖后（圖3（b）），巖體的靜力平衡遭到破壞，開挖引起的附加張應力使得軟弱結構面的抗剪強度大大的降低。當由重力產生的切向應力大于軟弱結構面的抗剪強度時，軟弱結構面附近巖體就會發生不連續變形，邊坡巖體整體向臨空面移動，同時發育在松散堆積層的裂隙在附加張應力的作用下，也會發生不連續變形，裂隙會張開并形成陡坎，在其他地方也會產生新的裂隙。當有其他誘因存在時，例如降雨或地震，會進一步加快邊坡的移動和變形，上述現象會更加明顯。邊坡的移動和變形并不是無止境的，由于邊坡移動變形使得附加張應力逐漸減小，軟弱結構面的抗剪強度會逐漸增大，當由重力產生的切向應力小于軟弱結構面的抗剪強度時，邊坡的移動和變形就會停止，最終形成的邊坡如圖3（c）所示。

工程穩定性評價

根據坡體現有變形破壞現象及主要地質問題，預測今后該高切坡破壞型式主要為土體順外傾滑帶面產生滑坡及垮塌，下部反向內傾巖層砂巖中存在的結構面為影響高切坡穩定性的潛在因素。因此分析影響高切坡穩定的主要因素為巖土體性質，以及砂巖中存在的結構面特征。

巖土物理力學性質指標

高切坡為巖土質類型，結構較復雜，坡面節理、裂隙較發育。坡面主要界線為巖土分層界線、裂隙和砂、泥巖分層界線。泥巖、砂巖層內主要發育兩組裂隙，屬剪切性質，規模較大。邊坡兩組節理裂隙和各層面的抗剪強度取值見表1所示。高切坡穩定性計算參數如表2所示。

表3　邊坡滑塌區計算成果表

穩定性綜合評價

為了準確評價邊坡穩定性，該高切坡采用邊坡塌滑分析法和不平衡推力傳遞法定量分析。對兩種評價結果進行對比分析該高切坡的穩定特征。

邊坡塌滑分析

邊坡塌滑分析原理主要依據《建筑邊坡工程技術規范》

圖3　邊坡變形破壞機制演化示意圖

（GB50330-2002），邊坡塌滑區范圍可按下式預測：

式中：

L——邊坡坡頂塌滑區邊緣至坡底邊緣的水平距離（m）；

H——邊坡高度（m）；

θ——邊坡巖體破裂角，當無外傾結構面時，按45°+φ/2考慮；有外傾結構面，取外傾結構面傾角和45°+φ/2的小值。

結合場地實際情況，按間距40m布設5條地質剖面，編號從南至北分別為1～5號剖面如圖2所示。分別進行邊坡塌滑區范圍預測，該高切坡5條剖面滑塌區預測結果如表3所示。

當預測坡頂塌滑區水平投影距離L大于實際坡面水平投影L’時，意味著坡體穩定性減低，滑塌物的破壞性增強。根據預測結果，本高切坡除2號剖面外，其他剖面塌滑區最大范圍L均小于現高切坡坡頂邊緣至坡底邊緣的水平投影距離L’，表明2號剖面穩定性較低，2號剖面區域在暴雨季節地表水和地下水的作用下可能會發生塌滑破壞。

高切坡主要為崩塌滑坡土石混合體（剖面1、3、4部位），剖面2高切坡主要為中風化泥巖，其等效內摩擦角均小于其對應的巖體破裂角，說明南、中段邊坡整體穩定性差；5剖面等效內摩擦角為64°大于巖體破裂角58.5°，說明北段滑塌體整體穩定。

不平衡推力傳遞法穩定性分析

圖4　高切坡3號剖面計算模型和邊界

表5　穩定性定量評價結果對比分析表

為進一步準確獲取邊坡穩定性狀況，采用不平衡推力傳遞法對高切坡進行穩定性進行定量計算。選擇5條剖面進行定量計算，此處以3號剖面（圖4）為例用于說明計算模型及邊界。

綜合考慮邊坡在未來條件下的營運狀況，高切坡穩定計算的選取兩種工況：I：天然+自重；II：暴雨+自重。

穩定系數Ks計算公式如《建筑邊坡工程技術規范》GB50330-2002式5.2.5-1，5.2.5-2。

式中ψi——第i計算條塊剩余下滑推力向第i+1計算條塊的傳遞系數。

高切坡穩定性計算結果見表4。

1) 目前中國油庫固定消防系統立足于撲救儲罐初期火災和密封圈雷擊火災，隨著國內油庫建設規模擴大，應配套撲滅大型儲罐全面積火災的消防設備，提高泡沫炮的泡沫供給強度和改善泡沫噴射方式是快速滅火的關鍵，也是大型儲罐滅火技術的發展方向。

表4　巖質邊坡穩定性系數計算結果表

不平衡推力傳遞法穩定性分析結果表明，該高切坡中段滑塌區在兩種工況下穩定系數均小于一級邊坡穩定安全系數1.35，故整體不穩定。

邊坡穩定性評價結果

定量分析結果顯示坡體整體穩定性差，坡體的穩定性主要受上部順傾巖土層分界面的控制，高切坡可能沿該界面發生破壞，北段滑塌區相對穩定，其中工況Ⅱ下坡體整體穩定性降低，表明降雨對坡體的穩定性有一定的影響如表5所示。

結語

（1）高切坡地層組合主要由上部與坡向同向外傾的第四紀含碎石黏土及下部反向內傾的侏羅系中統上沙溪廟組砂、泥巖互層組成，巖土界面為滑坡帶；坡體現存的變形破壞特征主要為地面拉裂、滑坡及垮塌，坡體變形主要受滑動帶控制。

（2）對坡體的穩定性綜合分析表明坡體整體穩定性較差，特別是坡體南段和中段部位穩定性較低，坡體在暴雨季節很容易沿巖土界面發生滑塌事故，北段坡體穩定性相對較好。

（3）綜合分析該高切坡的地質條件、穩定性狀態以及周邊人文環境等情況，建議采用相應的治理措施對高切坡進行防護，如削坡減載、抗滑樁、掛網噴射砼以及排水等工程，增強高切坡的穩定性。

王緒冰藺興旺劉海政韓劍波

王緒冰（1989- ）男，山東汶上人，山東科技大學全日制碩士研究生在讀，主要從事工程地質研究工作。

項目資助：山東省高等學校科技計劃項目（J11LE13），山東科技大學科研創新團隊支持計劃資助（NO.2012KYTD101）

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.07.005