巖質礦坑邊坡穩定性分析及加固治理效果評價

韓國鑾

（福建力創建設工程有限公司，福州350016）

1 工程概況及難點分析

1.1 工程概況

長沙恒大童世界樂園地塊礦坑為南方水泥有限公司一露天開采的石灰巖采石場所遺留的采石坑。礦坑頂縱向最長約480m，橫向最長約450m，礦坑底縱向最長約390m，橫向最長約為380m。 礦坑的側壁因采礦形成了規模較大的一些采空區， 根據現場的情況， 采空區主要分布于礦坑的北側、 東北側及西側。

長沙恒大童世界樂園地塊采空區系地下采礦所形成，勘探范圍內場地采空區分為兩部分，由南方水泥有限公司石灰巖礦山地下采空區和觀音堂石材廠石灰巖地下采空區組成， 南方水泥有限公司地下采空區位于勘探范圍內的北側， 觀音堂石材廠石灰巖地下采空區位于場地勘探范圍內的西北側。 區域規劃如圖1。

圖1 礦坑平面布置方案

1.2 地形地貌

擬建場地原有山體經開山采石已形成一座大型采石坑， 現邊坡為山體開挖后與剩余山體形成的近環形斜坡，坡度45°～90°，目前總體周邊高、中間低，其中坑內標高約為-12.89～-16.56m， 北側坑頂標高36～55m， 東側坑頂標高36～53m， 西側坑頂標高49～55.2m，南側坑頂標高坑頂標高43～57.0m，最高點為場地西北側，標高70.00m。 場地地形復雜，起伏很大。部分區域存在空洞、 局部坑壁區域有采空區延伸分布，如圖2。

圖2 礦坑地形地貌

為更好地分析該邊坡穩定性， 根據現場地質測繪和鉆探結果將邊坡分為B-C、C-D、D-E、E-F、F-G共計5段進行數值模擬計算。根據勘察報告場地內分布的上覆地層有人工填土層 （）、 第四系沖積層（Qal），第四系殘積層（Qel），基巖為泥盆系灰巖及泥灰巖。

1.3 地層巖性

根據場地鉆探揭露， 礦坑巖質邊坡坡體主要包含以下3種地層：

（2）第四系沖積（Qal）地層：褐紅、褐黃色，可見灰白色，具網紋結構，不均勻含15%～35%的卵礫石，粒徑約1～4cm，硬塑、局部堅硬，搖震無反應，切面稍有光澤，干強度及韌性中等。 層厚1.00～11.40m。

（3）第四系殘積（Qel）黏土：系灰巖風化殘積而成，褐黃、褐紅等色，含10%～30%的灰巖質角礫及碎石，硬塑狀態，局部可塑，搖震無反應，光澤反應有光澤，干強度及韌性較高，層厚1.50～10.30m。

（4）微風化灰巖12：淺灰色、灰白色、灰白夾紅色、深灰色，礦物成分主要為方解石、含少量白云石，隱晶～細晶質結構，中厚層狀構造，產狀210°～290°∠45°～50°，裂隙稍發育，局部頂部見溶蝕粗糙面。 巖石堅硬質脆，金鋼石鉆進一般，巖芯多呈柱狀、長柱狀，少量塊狀，巖石質量指標RQD 為好的，介于82～90之間，屬較硬巖，巖體較完整，巖體基本質量等級為Ⅲ級，層厚0.20～121.0m。

1.4 模擬方法及特點

巖質邊坡穩定性受結構面的影響很大， 巖體中裂隙結構面的發展與巖土的受力狀態關系密切，原本受壓巖體， 在卸荷回彈應力的作用影響下容易造成巖體的開裂，導致巖體強度下降。因此采用有限元軟件Phase2進行模擬時， 借助軟件所具備的求解最大主應力σ1增量的功能， 而開挖坡面應力張量增量的最大主應力分量增減變化反應了邊坡松弛區的力學性質。在數值計算過程中，對其穩定性的影響因素很難逐一進行考量。

對巖體的卸荷應力松弛情況進行初步分析，然后結合分析結果進行巖體結構面參數的賦值， 計算坡體的穩定性。 數值計算思路如下：

（1）假設礦坑原地形為現有地面的延伸，將每個邊坡原始狀態分時步進行開挖， 得到現狀邊坡，進行數值模擬。 計算邊坡最大主應力σ1的增量變化情況，判定邊坡應力松弛、集中區域，最大主應力σ1的增量為負值時即為應力松弛區， 反之為應力集中區。

（2）結合劃定的邊坡應力變化區域，分為應力松弛顯著區，應力松弛漸變區，應力集中區。 對應的區域添加結構面和層面進行建模。

（3）結合勘察報告資料，對現狀邊坡按照穩定安全系數1.05～1.20進行參數反演， 判斷出各個結構面和層面的參數。

（4）結合反演的邊坡應力、變形云圖，并結合松弛區分布特點， 對邊坡進行開挖加固試算， 根據GB50330—2013《建筑邊坡工程技術規范》，邊坡工程安全等級為一級，治理后，穩定安全系數應大于等于1.35，并確定出最佳的治理措施。

2 關鍵斷面邊坡概況

BC段坡面裸露，坡長約25m，坡高35～39m，坡頂有植被覆蓋，邊坡總體傾向211°，坡面上部（距坡腳24m以上）坡角73°～76°，下部坡角55°～60°，無支護，無地表水及地下水滲出，坡面上無溶蝕溝槽，坡腳有采空區，寬度約10m，節理裂隙發育，層理面明顯，容易發生順層滑移破壞。 CD段巖質邊坡自然坡面裸露， 頂部邊緣有植被覆蓋， 坡長約180m， 坡高38～49m，邊坡傾向由213°到257°漸變，上部坡角外傾80°～86°下部坡腳50°～71°，無支護，現25～90m地表存在土質滑坡及巖溶塌陷，坡面溶蝕現象嚴重，溶洞口可見碎石塊及土體，160～168m處頂部有溶溝， 坡腳有堆積物，溶洞處有水流出，節理裂隙發育。 裂隙L1和裂隙L2結構面較粗糙， 張開度2～3mm， 局部鈣質膠結，延伸長度10～15m。 結構面結合程度一般，屬硬性結構面。 綜合作用來看，巖層層面與裂隙L1及裂隙L2的交線外傾，裂隙L1與裂隙L2交線外傾，該段邊坡可能產生楔形體破壞。 DE段自然坡面裸露，坡長約160m，坡高47～52m左右，25～78m分兩級臺階，下臺階邊坡傾角75°，其余傾角80°～83°；邊坡傾向258°漸變到315°，無支護，10～40m坡面頂部可能發生楔形體破壞，坡腳層理明顯，易沿層面滑動，82～160m范圍，危巖及巖溶極其發育區，坡腳有崩塌堆積體，易產生巖崩及沿層面的順層滑動。 EF段坡面裸露， 坡長52m，坡高84～86m（含水下28～30m），邊坡傾向300°，坡角52°，坡腳下為礦坑水，無支護，無地表水及地下水滲出，節理裂隙較發育，有較大層理面出露，有順層滑移的可能。 該段邊坡將會產生沿巖層層面順層滑移破壞， 或在兩組節理裂隙的切割下產生沿巖層層面滑移的楔形體破壞。 FG段該段自然邊坡坡面裸露，坡長約300m，坡高89～92m（含水下32m），邊坡傾向5°，坡角51°～78°，無支護，無地表水及地下水滲出，坡腳下為礦坑水，節理裂隙較發育，有大的節理面出露，200～300m地表為巖溶塌陷發育區， 已有兩個滑坡，局部存在崩塌可能性。該段邊坡巖層層面與裂隙L2交線內傾，對邊坡穩定性影響小；巖層層面與裂隙L1及裂隙L2的交線與邊坡小角度相交， 裂隙L1與裂隙L2交線與邊坡小角度相交， 對邊坡穩定性影響較小。 斷面結構面赤平投影如圖3。

圖3 斷面結構面赤平投影圖

3 有限元分析

本次數值模擬邊坡大小比例按原邊坡1∶1進行建模， 邊坡臨空面以坡頂至現礦坑坑底為邊坡高度，模型寬度及高度足夠寬以消除邊界的影響。 巖體結構面采用Phase2軟件中的無質量Joint單元進行模擬，加固措施錨桿及錨索采用軟件中的Bolt單元進行模擬。 計算分析基本假定如下：地層材料采用Mohr-Coulomb準則計算； 地層和材料的應力應變均在彈塑性范圍內變化； 不考慮地下水滲流的影響。

3.1 數值模擬巖土物理力學參數

表1為該邊坡建模所采用的物理力學參數。

表1 數值模擬巖土物理力學參數

3.2 應力松弛區判定

用假設的開挖過程大致圈定出該邊坡的應力松弛區范圍， 如圖4紅色圈內即為該邊坡應力松弛區較為集中的區域，BC段集中在邊坡上部及坡腳平臺外側區域，CD 段集中在坡頂附近及坡腳臺階外側區域，DE 段在坡體中上部附近及坡腳臺階外側區域， 坡腳處為應力集中區，EF段集中在坡體中上部， 坡腳為應力集中區，FG段集中在坡體中上部附近及坡腳臺階外側區域，坡腳處為應力集中區。

圖4 斷面邊坡Δσ1增量圖

提取圖中1#直線的應力變化量數值，如圖5。 由Δσ1增量變化曲線的變化情況圖5可知，BC段的應力松弛區可分為兩段：0～77.3m為應力松弛顯著區，77.3～170m為應力松弛漸變區； CD段的應力松弛區范圍0～51m；DE段的應力松弛區范圍0～50m；EF段的應力松弛區可分為兩個區： 應力松弛顯著區范圍0～15.7m； 應力松弛漸變區范圍15.7～67m；FG段的應力松弛區范圍0～14.8m。

圖5 邊坡1#線Δσ1增量變化曲線

3.3 邊坡現狀穩定分析

結合上述應力松弛區的判斷， 對邊坡進行劃分區域，然后進行節理裂隙面的添加，對邊坡可能的破壞模式進行模擬，并計算其穩定安全系數。

經過計算BC段邊坡的穩定安全系數為1.11，由圖6（a）邊坡潛在破壞模式可知，邊坡存在順傾的巖層面，邊坡穩定性主要受巖層面控制，在邊坡上部存在沿巖層面溜滑的薄層危巖體。 受節理裂隙的影響，在坡體強度衰減的過程中，在坡腳平臺外側的巖體也存在位移反應， 但其與坡面的距離較遠， 影響較小； 經過計算CD段邊坡的穩定安全系數為1.10，由圖6（b）邊坡潛在破壞模式圖可知，邊坡存在順傾的巖層面， 邊坡穩定性主要受巖層面控制， 存在沿巖層面在邊坡中部滑移剪出破壞的可能； 經過計算DE段邊坡的穩定安全系數為1.10，由圖6（c）邊坡潛在破壞模式可知，邊坡存在順傾的巖層面及陡傾的節理裂隙， 邊坡穩定性主要受巖層面和陡傾節理裂隙的組合控制， 可能發生楔形體破壞； 經過計算EF段邊坡的穩定安全系數為1.12，由圖6（d）邊坡潛在破壞模式可知，邊坡存在順傾的巖層面， 邊坡穩定性主要受巖層面及一組陡傾的結構面控制， 存在沿巖層面在邊坡面滑移剪出破壞及巖層面在結構面組合作用下的楔形體破壞； 經過計算FG段邊坡的穩定安全系數為1.11，由圖6（e）邊坡潛在破壞模式可知，邊坡存在順傾的結構面， 邊坡穩定性主要受兩組結構面切割控制，以兩組結構面為邊界發生坡面巖體塊體崩落。

圖6 斷面邊坡潛在破壞模式

3.4 加固治理過程穩定性評價

結合邊坡現狀可能的破壞模式的模擬結果，對其進行加固處理。 加固采用深、 淺加固措施相結合， 加固目的主要為了限制坡體上部可能發生的順層滑動，同時確保邊坡的整體穩定性。BC段邊坡分兩級開挖，第1級坡面按坡率1∶0.75，第2級坡面坡率1∶0.5進行刷方，坡面開挖完后，坡頂危巖體被基本清除；CD段邊坡坡面按1∶0.3坡率進行刷方，加固主要采用固腳強腰思路， 深、 淺加固措施相結合；DE段邊坡按1∶0.5坡率刷方； EF段邊坡第1級按1∶0.7坡率，第2級按1∶0.4，第3級按1∶0.2刷方；FG段邊坡坡面分1級坡進行刷方，坡率1∶0.5。 邊坡開挖坡面表層采用系統錨桿加固，加固措施如表2。 經過計算，BC～FG段坡加固后穩定安全系數分別1.58，1.44，1.39， 1.40，1.38，達到規范要求。 BC～FG段加固后的坡體塑性變形發展很小并未貫通，加固后的邊坡穩定狀態達到要求。

表2 加固措施信息

續表2

4 結語

通過對長沙恒大童世界礦坑邊坡BC～FG段各選取一個典型邊坡斷面，共5個邊坡進行現狀邊坡及加固后的數值模擬，通過對其應力松弛帶的判斷，采用節理控制來模擬其可能的破壞模式， 通過強度折減法計算，獲得其穩定安全系數。發現礦坑邊坡各邊坡現在穩定狀態處于欠穩定～穩定狀態，現狀邊坡存在不同種類的破壞模式， 經過治理加固后邊坡穩定安全系數均達到規范要求。