花崗巖類土質邊坡特性及穩(wěn)定性分析

李子光

（廣東省地質局第六地質大隊，廣東江門529000）

1 概述

花崗巖類土質邊坡是指主要由全風化—強風化花崗巖以及花崗巖風化殘積土構成的邊坡，其具有類似土的性質，但仍保留一定的原巖結構面的一類邊坡。該類邊坡有時殘留一部分中風化花崗巖硬核或球狀風化孤石，但與巖質邊坡具有明顯差異，從而表現(xiàn)出其特有的一些性質。

廣東地區(qū)花崗巖出露較為廣泛，花崗巖類土質邊坡頗為常見。作為土質邊坡和巖質邊坡的過渡狀態(tài)，目前工程行業(yè)上對花崗巖類土質邊坡尚未形成統(tǒng)一認識，規(guī)范標準也未對其做出相應的規(guī)定。對該類邊坡的勘察設計，大多按均質土邊坡進行穩(wěn)定性分析和加固防護。然而，花崗巖類土質邊坡具有其特殊的性質，如果不對其加以分析和考慮，可能導致昂貴的治理造價或者造成安全隱患事故。

本文就花崗巖類土質邊坡的特性、破壞類型和穩(wěn)定性進行分析，并提出防護加固的措施建議。

2 類土質邊坡的特性

花崗巖類土質邊坡巖土體組成主要為全風化、強風化花崗巖為主，其次為花崗巖殘積土，成份主要為砂質粘性土和礫質粘性土，其組成介質與土質邊坡類似，但坡體中存在殘留風化裂隙面或軟弱結構面等不連續(xù)面，致使邊坡的破壞模式明顯區(qū)別于純土質邊坡特別是均質土坡。該類邊坡的不連續(xù)面，可以是花崗巖原巖體結構中的石英脈、軟弱結構面，也可以是風化營力作用下的風化裂隙，使邊坡巖土體呈現(xiàn)出各向異性，從而影響邊坡的破壞形式和穩(wěn)定性，在一定程度上可能起著控制作用。因而，花崗巖類土質邊坡復雜多變，形態(tài)各異，不能按均質土坡進行設計治理，需根據(jù)具體情況加以判斷和分析研究。

3 類土質邊坡的破壞類型

花崗巖類土質邊坡既具有土質邊坡的屬性，又殘留著一部分類似巖質邊坡的不連續(xù)結構面，因此其破壞形式與一般粘性土土質邊坡以及巖質邊坡不同，有著多種可能的破壞形式。

3.1 圓弧滑動破壞

以花崗巖殘積土—全風化花崗巖風化土層為主的邊坡，其巖體結構已基本破壞，巖土體風化呈土狀，屬于土質邊坡類型，其邊坡破壞類型主要呈現(xiàn)為圓弧滑動破壞，如圖1所示，可采用瑞典條分法、簡化bishop條分法進行穩(wěn)定性分析。這種破壞模式主要發(fā)生在較為均質的類土質邊坡中，無臨空結構面或者結構面對穩(wěn)定性不起控制作用。在仍具有原巖結構的極破碎巖質邊坡也可采用圓弧滑動面。在強降雨期間，降雨入滲邊坡土體使土體飽和時，容易在邊坡淺部發(fā)生圓弧滑動破壞。此時，計算邊坡穩(wěn)定性的土體強度指標c、φ值應采用飽和快剪指標或應通過反演分析確定其抗剪強度參數(shù)。

3.2 平面滑動破壞

花崗巖類土質邊坡中發(fā)生平面滑動破壞主要發(fā)生在強風化花崗巖中，其破壞機理與巖質邊坡類似。當坡體裂隙發(fā)育時，且坡體中存在傾向臨空面的軟弱結構面，特別是軟弱結構面傾向與坡面傾向一致且軟弱結構面的傾角小于坡面傾角時容易發(fā)生平面滑動破壞。如圖2所示，此類破壞滑體后沿常見有陡傾裂隙面，容易發(fā)生在雨季特別是強降雨過后，當降水水流沿著軟弱結構面滲入使結構面內充滿水時尤其加劇坡體發(fā)生滑移型破壞，如軟弱結構面延伸貫通范圍大時，失穩(wěn)破壞往往造成非常嚴重的后果，影響程度和影響范圍很大。此類邊坡應重視結構面特別是軟弱結構面的勘查，可采用赤平投影方法進行定性分析，采用直線型滑動分析法進行力學分析和定量計算邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)。土體抗剪強度參數(shù)c、φ值宜采取滑帶裂隙面附近土樣的飽和快剪強度指標。

圖1 圓弧滑動破壞模型

圖2 平面滑動破壞模型

3.3 折線形滑動破壞

在花崗巖類土質邊坡中，當存在多個結構面且其傾向與坡面傾向大體上一致時，邊坡潛在破壞滑動面容易沿著多個貫通的結構面產生。強降雨期間，當雨水入滲邊坡土體使土體飽和軟化或雨水滲入多個不連續(xù)結構面并貫通時尤其容易發(fā)生此類破壞。常見情況是開挖邊坡坡面切斷軟弱結構面而發(fā)生折線形破壞，如圖3所示。某些情況下，即使邊坡坡面并沒有切斷軟弱結構面CD，或者邊坡坡體內僅發(fā)育有兩組結構面AB和BC，不存在CD段結構面，但當坡體前緣土體強度較低時，仍可能發(fā)生類似CD段的剪出口滑動面破壞，特別是當坡體內AB和BC等結構面傾向較陡時，沿結構面下滑力較大，當結構面為泥質充填或者雨水入滲時抗滑力較小，容易發(fā)生坡面前緣剪出滑動破壞，這種情況在暴雨時期邊坡淺部土體受雨水沖刷或雨水入滲飽和軟化土體時常有發(fā)生。折線形滑動破壞的邊坡穩(wěn)定性分析，宜采用隱式解法的傳遞系數(shù)法。實際工程中，不連續(xù)結構面的勘測工作較為重要，土體抗剪強度參數(shù)c、φ值宜采取結構面土體的飽和快剪強度指標。

圖3 折線形滑動破壞模型

4 類土質邊坡穩(wěn)定性計算方法

4.1 圓弧滑動穩(wěn)定性系數(shù)

圓弧滑動面（圖1）的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計算方法有多種，如瑞典條分法、簡化Bishop法、Janbu法等。《建筑邊坡工程技術規(guī)范》（GB50330-2013）采用了簡化Bishop法，該法滿足整體力矩平衡和條塊力的多邊形閉合條件，但不滿足條塊的力矩平衡，計算公式如下：

式中，參數(shù)mθ包含有安全系數(shù)Fs，因此不能直接求出安全系數(shù)，而需要采用試算的方法迭代計算Fs值。實際工作中，多采用計算機進行遍歷搜索計算，土條寬度bi一般劃分為0.5～1.0m，分別對圓心和半徑按照0.5～1m的步長進行遍歷搜索，對各圓弧滑動面所有條塊求和迭代計算安全系數(shù)Fs，求得最小安全系數(shù)Fs和對應的最危險滑動面。

4.2 平面滑動穩(wěn)定性系數(shù)

對于直線型平面滑動破壞（圖2），邊坡穩(wěn)定性系數(shù)采用極限平衡條件計算，計算公式如下：

該式是對滑體進行受力分析在滑動面上分解為法向力和切向力，以抗滑力R與下滑力T的比值作為計算安全系數(shù)Fs。

4.3 折線形滑動穩(wěn)定性系數(shù)

對于折線形滑動（圖3）采用傳遞系數(shù)法計算安全系數(shù)，傳遞系數(shù)法又分為顯式解法和隱式解法，顯式解法是將傳遞系數(shù)中的安全系數(shù)假設為1，通過乘以安全系數(shù)Fs增大下滑力的方式表示剩余下滑力，假定最后一滑塊的剩余下滑力為0而反算安全系數(shù)Fs。隱式解法中傳遞系數(shù)中均含有未知數(shù)Fs，通過核減抗滑力的方式表示剩余下滑力，同樣假定最后一滑塊的剩余下滑力為0反算安全系數(shù)Fs。顯然隱式解更優(yōu)，其計算方法如下：

5 工程實例分析

5.1 工程概況

廣東珠三角地區(qū)某邊坡在臺風“山竹”影響期間發(fā)生了滑塌，邊坡滑塌段寬約12m，坡度約40°～60°。高度約19m，邊坡整體分兩級，第一級高度約7.5m，坡度約45°，第二級高度約11.5m，坡度約55°。邊坡巖土體組成主要為礫質粘性土（殘積土）、全風化、強風化花崗巖，局部夾有中、微風化花崗巖球狀風化孤石，整體屬土質邊坡。

5.2 邊坡破壞特征及穩(wěn)定性分析

該邊坡巖土體組成主要為花崗巖風化層和殘積土，局部夾有球狀風化孤石硬核和風化碎屑，屬于花崗巖類土質邊坡。其中下部第一級主要為強風化花崗巖，巖芯大多呈堅硬土狀，局部呈半巖半土狀，風化碎屑可捏碎。上部第二級為殘積土和全風化花崗巖，原巖結構基本破壞，風化呈土狀。由于邊坡巖土體基本風化呈土狀，風化碎屑和局部孤石硬核不起控制作用，坡體不連續(xù)面不發(fā)育，按各向同性均質邊坡考慮圓弧滑動破壞，與破壞后坡面形態(tài)較為吻合。經勘查成果分析，本邊坡第二級坡面較陡，臺風強降雨期間，雨水入滲土體使淺部土體飽和增重，降低土體抗剪強度而產生淺層滑塌破壞。

5.3 巖土體參數(shù)選取分析

通過對坡面原狀土進行現(xiàn)場刻槽環(huán)刀取樣，在室內進行常規(guī)土工試驗，并分別進行天然直剪試驗和飽和重塑土的飽和直剪試驗，獲得天然工況和飽和工況的抗剪強度參數(shù)。結合現(xiàn)場地形測量數(shù)據(jù)和周邊坡面形態(tài)，建立破壞前坡面形態(tài)進行反分析推演（見圖4），檢驗飽和狀態(tài)下的抗剪強度參數(shù)。經過反演驗算，強降雨期間淺部土體飽和的狀態(tài)下，采用簡化Bishop法自動搜索最危險滑動面，淺部圓弧滑動破壞的安全系數(shù)為0.995，且推算滑動面與現(xiàn)場坡面破壞形態(tài)較為一致（見圖5）。

圖4 反分析校驗巖土參數(shù)

6 結論和建議

（1）花崗巖類土質邊坡當坡體組成物質大多風化呈土質，具有類似土的性質，但仍保留一些風化碎屑和硬核，在坡體中不存在明顯結構面或結構面不起控制性作用時可采用圓弧形滑動破壞分析。當巖土體仍保留原巖結構但巖體極軟、破碎或極破碎時也可采用圓弧滑動。

圖5 現(xiàn)場坡面破壞形態(tài)

（2）花崗巖類土質邊坡當土體中保留巖體結構中的層面、節(jié)理等不連續(xù)面，特別是傾向臨空面的軟弱結構面且結構面傾角小于坡面傾角時，不宜按均質土坡考慮，應采用平面滑動破壞分析。

（3）花崗巖類土質邊坡當坡體存在多組結構面，其傾向與坡向大體上一致時容易發(fā)生折線形滑動破壞。尤其是坡頂存在張拉裂縫或上部結構面較陡、下部坡面切割軟弱結構面或坡體前緣土體強度較低時發(fā)生剪出口破壞而形成折線形滑動破壞。