巖、土復合邊坡破壞模式及形成機理分析

韓書棟 甘肅省建筑設計研究院

巖、土復合邊坡破壞模式及形成機理分析

韓書棟 甘肅省建筑設計研究院

巖、土復合邊坡是指在工程中常見的上部由土和巖石全風化層組成，下部由巖石組成的邊坡。該類邊坡是一種復雜特殊的邊坡，往往具有多種破壞模式，穩(wěn)定性評價不僅要考慮上部土層發(fā)生滑動的可能性，也要分析巖體沿結構面發(fā)生滑動的可能性。本文以山西省王家?guī)X煤礦碟子溝風井場地的巖、土復合邊坡為依托，對該類邊坡失穩(wěn)破壞模式進行分析，以準確認識其穩(wěn)定性狀況，為工程建設服務。

巖、土復合邊坡 破壞模式 形成機理

一、工程概況

王家?guī)X煤礦碟子溝風井場地位于山西省鄉(xiāng)寧縣西坡鎮(zhèn)黃土溝壑區(qū)，碟子溝風井場地位于碟子溝南側相對較緩的斜坡體上，斜坡體上發(fā)育兩個古滑坡，其間為黃土殘梁，斜坡上支溝發(fā)育。場地邊坡巖土體結構復雜，鉆孔揭示場地巖土類型主要有第四系黃土、人工填土、古滑坡堆積、殘坡積物和二疊系泥巖、砂巖，邊坡巖層產狀平緩，傾向北，傾角10°～15°，巖層傾向與坡向相同，但傾角小于坡角，基巖與松散堆積體接觸面的傾向與坡向近一致，傾角和巖層傾角相近。

碟子溝風井場地邊坡為典型巖、土復合邊坡，邊坡結構復雜，上部土層邊坡和下部巖石邊坡都存在潛在不穩(wěn)定滑動面，在工程擾動和持續(xù)降雨等不利條件下，場地邊坡可能會發(fā)生局部或整體的變形破壞。在施工中已經出現(xiàn)了多次小規(guī)模的滑坡，對場地建設造成了顯著的影響。

二、場地邊坡工程地質條件

場地出露地層為二疊系上石河子組上段沉積巖和第四系黃土及坡積、古滑坡堆積和人工堆積物。根據鉆孔和探井揭露情況，場地地層分布情況和巖性特征如下：

（1）填土：主要由粉土組成，層厚在介于1～4m。填土為場地開挖和風井掘進的棄土堆積，主要分布于場地北部，其厚度隨原地形而變化，顆粒大小不均勻，含水量不均勻。

（2）粉質粘土（Q4del+el）：主要為殘積或古滑坡堆積物，分布于場地北部，覆蓋在基巖之上，受古地形影響，厚度變化大，最厚處有20多米，最薄處有十幾厘米。

（3）黃土（Q3、Q4）：厚約0.4m～25m不等。黃土最厚處在古滑坡的后緣，厚約65m，分布于場地南部，最大厚度大于60m。

（4）古滑坡堆積物：呈強風化狀，巖體破碎，地層混亂，節(jié)理裂隙極為發(fā)育，巖芯擾動呈粉碎狀，有泥質膠結，稍濕；分布于場地南部，由于長期遭受侵蝕，厚度變化大，在0～25m之間。

（5）二疊系泥巖、砂巖（P2）：砂巖、泥巖互層的層狀結構沉積巖，呈軟硬相間分布，為順層巖質邊坡，邊坡節(jié)理裂隙發(fā)育，層面傾向與坡向近一致，巖層傾角小于坡腳。

該區(qū)地下水類型主要為松散巖類孔隙水、基巖裂隙水。松散巖類孔隙水分布于上覆松散土層及滑坡體內，主要接受大氣降水補給；裂隙水賦存于基巖中，主要接受大氣降水及上部松散巖類孔隙水補給，地下水順巖層裂隙面滲入，在裂隙密集附近聚集。

三、場地邊坡結構類型和特點

根據野外調查，碟子溝風井場地邊坡結構屬于巖、土復合結構邊坡，邊坡上部為滑坡堆積、坡積、人工填土等第四系松散堆積體，最大厚度25米，下部為含軟弱夾層的順層基巖。上部土層常常形成圓弧滑動破壞和沿巖、土接觸面發(fā)生滑動，下伏基巖因存在不連續(xù)軟弱結構面也可能形成整體滑動。

場地上覆土層的物質組成主要有黃土、坡積層、古滑坡堆積、人工填土等，其中黃土主要見于場地南部，古滑坡后緣的邊坡上，最大厚度大于60米；坡積層、滑坡堆積層和人工填土見于場地大部分地段，構成復合邊坡上覆土層的主要部分，其整體性差，力學性質較弱，尤其在飽水狀態(tài)下抗剪強度大幅度降低，易在邊坡內部和巖、土界面處形成滑移面。

下部基巖為砂巖、泥巖互層的層狀結構沉積巖，呈軟硬相間分布，為順層巖質邊坡，邊坡節(jié)理裂隙發(fā)育，層面傾向與坡向近一致，巖層傾角小于坡腳。穩(wěn)定性主控因素為巖層層面和節(jié)理裂隙的發(fā)育程度，以及巖體風化程度。據調查，東側古滑坡的滑移面便是沿基巖內部泥巖層面發(fā)生滑動，邊坡在天然狀態(tài)下處于穩(wěn)定狀態(tài)。由于巖石易軟化，在考慮降雨或對邊坡進行不合理開挖和回填的情況下，邊坡的穩(wěn)定性將受到較大的影響，有可能在泥巖層面處發(fā)生順層滑動。

根據構成邊坡的巖土類型，場地邊坡可劃分為單層結構、雙層結構和三層結構三種。不同的結構類型具有不同的變形破壞模式和變形規(guī)律。

單層結構邊坡（A類）由基巖組成（圖3.1a）。雙層結構邊坡（B類）是場地內的主要結構類型，進一步分為四類，第一類（B1類）上部為殘坡積層，下部為基巖，分布范圍較大，見于場地北部（圖3.1b）。第二類（B2類）上部為黃土，下部為基巖，分布范圍較大，見于場地南部（圖3.1c）。第三類（B3類）上部為滑坡堆積，下部為基巖，見于場地南部，是本場地的主要結構類型（圖3.1d）。第四類（B4類）下部為基巖，上部為人工填土，見于場地中部和北部（圖3.1e）。三層結構邊坡（C類）見于場地中部和西側邊坡西邊部分，下部為基巖，中部為坡積層或黃土，上部為人工堆積或滑坡堆積（圖3.1 f）。

四、邊坡變形破壞模式及形成機理

（一） 風井場地邊坡變形破壞模式

風井場地邊坡變形破壞形式多樣，結合實際情況，歸納總結變形破壞模式有以下幾種。

1.傾倒破壞。傾倒破壞主要發(fā)生在邊坡前沿的碟子溝溝底，對場地造成的危害較小。由于基巖節(jié)理發(fā)育，場地內基巖出露較陡的地段可見小型傾倒破壞現(xiàn)象。傾倒破壞主要發(fā)生在厚層砂巖中，巖體破碎，裂隙發(fā)育，裂隙最寬處可達60cm，裂隙間充填有巖屑和粉土。受巖石節(jié)理和層面控，在一定的組合條件下，巖石就產生傾倒破壞。

2.上部土層內發(fā)生滑動破壞模式。上部土層可以發(fā)生圓弧滑動破壞，也可以沿已有不同土性界面發(fā)生滑動。

場地邊坡上覆的黃土、松散堆積層內部都有產生圓弧滑動的可能。場地東側古滑坡后緣有高度達74m的黃土邊坡，按照初步設計，場地平場高程為878m（海拔高度），平場后，邊坡后緣的黃土高邊坡坡腳被切除，使得黃土高邊坡具備了滑動的臨空面條件，在一定條件下邊坡會失穩(wěn)破壞，采用典型剖面用理正巖土計算軟件搜索該邊坡的最危險滑面，邊坡最危險滑動面呈圓弧狀，穩(wěn)定性計算結果表明該黃土邊坡在工程擾動后會處于不穩(wěn)定狀態(tài)，要對其進行削坡等治理措施后方可保證場地安全。

場地內上覆的松散堆積層也發(fā)生了局部的變形破壞現(xiàn)象，其破壞模式為圓弧滑動破壞，破壞規(guī)模較小，破壞原因除了堆積層自身強度較低外，降雨和人工開挖坡腳是邊坡失穩(wěn)破壞的觸發(fā)因素。

另外，場地內上部土體也有可能沿不同土性的界面發(fā)生破壞，如場地三層結構發(fā)育地段，就易于產生邊坡沿土層內沉積界面發(fā)生滑動的破壞類型。三層結構邊坡見于場地北部，下部為基巖，中部為殘坡積層，上部為人工堆積，基巖與上覆蓋殘坡積土層的界面傾向碟子溝，坡積土之上又覆蓋人工填土，在填土之前未對殘坡積土層處理，填土本身也未進行處理。而且，隨著場地開挖、風井的繼續(xù)掘進，填土越來越多，其所造成的斜坡的坡度也越來越陡，在考慮地震、降雨等不利組合的情況下，邊坡的穩(wěn)定性將受到較大的影響，可能的破壞模式為圓弧破壞、折線形破壞和局部崩塌破壞等。其潛在的滑動面可能有多個，但最主要的是沿人工堆積與殘坡積層之間的界面或殘坡積層與基巖之間的界面。

3.上部土層沿巖、土接觸面滑動模式。該場地邊坡為巖、土復合結構邊坡，邊坡上部堆積層和下伏基巖接觸面與邊坡具有相同傾向，這極易使這些邊坡沿巖、土接觸面發(fā)生滑動。前面提到將研究區(qū)內的邊坡結構劃分為三種基本類型，即單層結構、雙層結構和三層結構，其中雙層結構和三層結構的邊坡在一定條件下均有可能沿巖、土接觸面發(fā)生滑動，是該場地邊坡最危險的潛在滑面。

4.巖體內發(fā)生順層滑移。由于組成邊坡的層狀結構的砂巖和泥巖的巖層走向和邊坡走向基本一致，且?guī)r層傾向坡外，當巖層層面被人工切斷而臨空出露于坡面上時，對邊坡整體穩(wěn)定極為不利。場地內目前沒有發(fā)現(xiàn)明顯的邊坡整體順層滑移現(xiàn)象，但是，隨著工程建設的繼續(xù)進行，有可能會形成順層整體滑移。在以往的施工過程，我們有時常見到當對某一層砂巖進行切腳并使其臨空后，該層砂巖即發(fā)生順層滑動，特別是當層面夾泥遇水浸潤、軟化后更易發(fā)生此類變形破壞。

在本工程中，巖體內有層間泥化夾層，當施工過程中若有不合理開挖導致軟弱夾層臨空時，就具備了邊坡整體沿軟弱面向臨空方向滑移的條件。

（二）風井場地邊坡變形破壞機制

針對碟子溝風井場地巖、土復合邊坡的不同破壞模式的變形破壞機制進行分析。

1.單層結構邊坡變形破壞機制。單層結構邊坡（A類）為典型的巖質邊坡，傾向北。從野外調查來看，邊坡自開挖形成后沒有出現(xiàn)明顯的破壞現(xiàn)象，邊坡在天然條件下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

但是，邊坡巖體中發(fā)育四組節(jié)理，同時，巖層層面發(fā)育，在巖體自重作用下或巖體自重與建筑物荷載的共同作用下，受巖層層面的影響，邊坡會發(fā)生順層滑移，或者在泥巖中形成滑動面發(fā)生滑動；受層面和傾向與坡向一致的節(jié)理的影響，邊坡會發(fā)生局部的拉裂—滑移破壞；受層面與三組節(jié)理的共同影響，在邊坡中局部會形成楔形體，發(fā)生坍塌。由于巖石易軟化，在考慮降雨及水工建筑物出現(xiàn)滲漏的情況下，邊坡的穩(wěn)定性將受到較大的影響。

2.雙層結構邊坡變形破壞機制。雙層結構邊坡（B類）是場地內的主要邊坡類型，進一步分為四類。

（1）B1類邊坡變形破壞機制。B1類邊坡上部為殘坡積層，下部為基巖。殘坡積層與基巖接觸界面起伏不平，傾向與坡向一致，傾角小于坡角。殘坡積層的成分為粉質粘土，含水率較高（平均值為21.4%）。從野外調查來看，邊坡還沒有發(fā)生明顯的破壞現(xiàn)象，在天然狀態(tài)下處于穩(wěn)定狀態(tài)。但在建筑物荷載作用下，并在考慮地震、降雨等不利組合情況下，邊坡局部可能發(fā)生破壞，破壞的滑動面可能在土中，也可能在土與基巖的界面上。

（2）B2類邊坡變形破壞機制。B2類邊坡上部為黃土，下部為基巖，分布范圍較大，主要見于場地南部，從野外調查來看，邊坡上黃土厚度大，干燥，在天然條件下沒有出現(xiàn)明顯的破壞現(xiàn)象，處于穩(wěn)定狀態(tài)。在不開挖邊坡、改變邊坡應力狀態(tài)的條件下，邊坡發(fā)生整體失穩(wěn)的可能性較小。在對坡腳小規(guī)模開挖后，會沿黃土與基巖的接觸界面發(fā)生圓弧形破壞。若對坡腳進行大規(guī)模的開挖，而且防護措施不當，則有可能發(fā)生大規(guī)模的圓弧形破壞。

（3）B3類邊坡變形破壞機制。B3類邊坡上部為古滑坡堆積，下部為基巖。從野外調查來看，邊坡自開挖形成后已經出現(xiàn)明顯的破壞現(xiàn)象，由于古滑坡堆積中裂隙發(fā)育，而且堆積體與下伏基巖的界面傾向與坡向一致，只要對其進行開挖，就會發(fā)生破壞，破壞的方式為滑塌或滑坡。

（4）B4類邊坡變形破壞機制。B4類邊坡下部為基巖，上部為人工填土。人工填土松散，密度小，孔隙比大。填土與基巖接觸界面起伏不平，該類邊坡上填土的厚度隨原地形而變化，所形成的邊坡坡度較緩（一般小于10°），在天然條件下處于穩(wěn)定狀態(tài)。但在考慮地震、降雨及水工建筑物出現(xiàn)滲漏的情況下，邊坡的穩(wěn)定性將受到較大的影響，可能的破壞形式為圓弧破壞。

3.三層結構邊坡變形破壞機制。三層結構邊坡見于場地北部，下部為基巖，中部為殘坡積層，上部為人工堆積。從野外調查來看，邊坡自形成后沒有出現(xiàn)明顯的破壞現(xiàn)象，邊坡在天然條件下處于穩(wěn)定狀態(tài)。但在考慮地震、降雨等不利組合的情況下，邊坡的穩(wěn)定性將受到較大的影響，可能的破壞形式為圓弧破壞。其潛在的滑動面可能有多個，但最主要的是沿人工堆積與殘坡積層之間的界面或殘坡積層與基巖之間的界面。

根據上述邊坡分析，我們可以認為邊坡的巖體破碎、結構松散、巖性軟弱是邊坡發(fā)生變形破壞的先決條件，降雨下滲和人類工程活動及地震是外部影響和激發(fā)因素。針對本場地邊坡巖體的各方面的特點，可以將邊坡的變形過程概括如下：

（1）蠕變階段—變形緩動階段；（2）邊坡人工開挖卸荷或地震震動荷載之觸發(fā)階段—劇烈卸荷或加荷階段；（3）破壞階段—失穩(wěn)劇動階段；（4）穩(wěn)定階段。

對于不同內部特征的邊坡巖體，由于各方面內、外因素的制約和影響，它在不同的發(fā)展階段具有各自的特點，邊坡變形破壞之方向和結果是各不相同的。針對本場地邊坡破壞特點，著重點在于對蠕變緩動及人工開挖觸發(fā)作用而去分析本場地邊坡變形機理是適宜的。

當邊坡巖體由蠕變經開挖或地震觸發(fā)劇烈破壞后，隨著邊坡破壞物的堆積，應變能的釋放，最終使得邊坡變形巖體得以在新的平衡條件下處于穩(wěn)定狀態(tài)。

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