土巖組合高邊坡穩定性分析與治理

黃凱湘，溫忠義，彭衛平

(廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510060)

1 引 言

我國的丘陵約有100萬平方千米，占全國總面積的10%，丘陵地帶較適宜工農業開發和經濟建設。隨著城市建設快速發展和建設用地日益緊張，在丘陵地帶開挖山體造地的工程建設也日益增多，常形成土巖組合的高邊坡，易產生滑坡、崩塌等地質災害，對人身安全和工程質量構成重大隱患。綜合評價土巖組合高邊坡穩定性并設計治理，減少對周邊建筑物及環境的不良影響，可促進丘陵地區的山體轉為建設用地開發利用，最大限度實現土地資源增值。

本文以廣東省清遠市某大型小區內土巖組合高邊坡為研究對象，提出了定性評價、極射赤平投影法、有限元強度折減法結合的綜合性穩定性評價方法，并根據邊坡土體和巖體的穩定性和變形模式，分別提出土體和巖體的系統治理設計方法，可供同類工程借鑒和參考。

2 邊坡場地環境與工程地質條件

2.1 工程概況及地形地貌

邊坡性質為永久性邊坡，安全等級為一級，設計使用年限為50年。

場地屬低山丘陵地貌單元，由采石場爆破開挖形成土巖組合高邊坡，如圖1所示。山頂最高點標高 172.0 m，已開挖坡面坡頂現狀最高標高 171.0 m，現狀坡腳標高 66.4 m～127.9 m，變化大，坡率 1∶0.2～1∶1.5，主要由兩級較大的開挖平臺和多級開挖馬道組成，最大開挖平臺寬約 25 m，馬道寬 2 m～4 m不等。坡頂未開挖區植被較發育，已開挖區坡面裸露，坡腳大量破碎巖塊雜亂堆積，如圖2所示。

圖1 邊坡中部照片

圖2 邊坡破碎巖塊雜亂堆積在坡腳

2.2 場地巖土層

邊坡由基巖和覆蓋層組成。基巖為晚侏羅世侵入的巖漿巖，巖性主要為青灰色中粒斑狀黑云母二長花崗巖，巖質堅硬密實、強度高，抗風化作用強，其物理力學性質對邊坡的穩定性有利，可使邊坡保持較高的高度和較陡的坡度。

覆蓋土層主要為殘積土和全強風化巖等，主要由砂質黏性土組成，厚度約 5 m～15 m，遇水易軟化。

2.3 場地結構面情況

邊坡中下部中微風化巖體較完整，受構造擠壓及邊坡爆破卸荷作用，表層節理裂隙發育。

采用三維激光掃描儀掃描邊坡全景，從海量點云數據中量取大量結構面，結合現場結構面調查情況，共獲取結構面198處，采用結構面統計軟件Dips進行最優結構面統計(圖3)，得出最優結構面：J110°∠79°、J2303°∠78°、J3266°∠41°、J4145°∠37°。其中以J1J2組陡傾結構面最為發育，常以面狀出露，形成基巖光板；J3J4組傾坡外，兩者傾向片狀，為典型的X節理現象，該兩組結構面出露相對較少，但局部貫通性較好，成為最不利結構面，楔形塊體易沿此組結構面出現滑移式失穩破壞。

圖3 結構面等密度圖

2.4 地下水情況

已開挖坡體坡面較干燥，未見地下水排出，僅在降雨后局部中微風化巖裂隙有少量地下水滲出。地下水主要為孔隙潛水和裂隙水，水量小埋藏深，主要受大氣降水補予。

場地屬亞熱帶季風區，水量豐富，是廣東省三大降雨量高值區之一。場地表層節理裂隙發育，導致多處危巖體，不穩定巖體與穩定巖體之間有裂隙分開。在雨季張開的裂隙可能充滿雨水，巖塊底部孔隙水壓力抵消部分巖塊自重進而減少阻滑力，巖塊后緣裂隙水壓力增加傾向坡外下滑力，導致雨季危巖體易發生傾倒式破壞。

2.5 邊坡不良地質現象

邊坡上部因開挖裸露土體在暴雨下沖刷溝槽明顯，如圖4所示。中下部中微風化巖體卸荷節理裂隙發育，形成切割體，局部危巖體和崩塌等發育，如圖5所示。

圖4 坡頂表層沖刷溝壑

圖5 結構面切割形成危巖體

3 邊坡穩定性定量計算

3.1 極射赤平投影法計算結構面切割體穩定性

(1)優勢結構面及極射赤平投影圖

現場調查及點云數據解譯顯示，西側坡體主要發育陡傾結構面J1J2J3，東側坡體主要發育陡傾結構面J1J2J4，產狀見上文。以東側坡體為例說明結構面作用下中微風化巖切割體的穩定性，坡體傾向約155°，平均坡角約42°，局部陡坎70°～90°。

優勢結構面及坡面的極射赤平投影圖如圖6所示。

圖6 優勢結構面與坡面極射赤平投影圖

(2)結構面組合關系分析

①一組結構面的分析

結構面J1、J2與邊坡的走向均相反或者大角度相交，屬于穩定結構。結構面J4傾向與坡面相同，傾角接近，當遇到陡坎時，屬于不穩定結構。

②二組結構面的分析

a. 結構面J1、J2組合時，結構面組合交線的傾向與坡面相反，屬于穩定結構。

b. 結構面J1、J4組合時，結構面組合交線的傾向與坡面相同，傾角接近，當遇到陡坎時屬于不穩定結構。

c. 結構面J2、J4組合時，結構面組合交線的傾向與坡面相同，傾角與小于坡面平均坡腳，屬于不穩定結構。

③三組結構面的分析

結構面J1、J2、J4同時組合成楔形體切割時，滑動方向由順坡向緩傾結構面J4控制，當遇到坡面陡坎時，楔形體不穩定。

3.2 有限元軟件ABAQUS強度折減法計算邊坡整體穩定性

(1)計算剖面

計算模型采用坡體中部典型剖面，剖面形態由三維激光掃描儀生成，工程地質情況由鉆孔揭露和現場調查得到。計算采用大型通用有限元軟件ABAQUS，導入剖面并按實際情況劃分巖土層，包括可塑粉質黏土層、堅硬砂質黏性土層、全風化花崗巖層、強風化花崗巖層、中微風化花崗巖層，如圖7所示。

圖7 邊坡典型斷面示意圖

(2)巖土體參數

巖土材料本構模型采用理想彈塑性模型，屈服準則采用莫爾-庫侖(Mohr-Coulomb)屈服準則，計算所需的巖土參數為：重度(γ)、彈性模量(E)、泊松比(ν)、內摩擦角(φ)和黏聚力(c)。根據室內試驗和工程經驗確定有限元分析所使用的物理力學指標，如表1所示。

邊坡巖土體物理力學參數 表1

采用有限元強度折減法計算邊坡的穩定性系數和變形趨勢。中微風化花崗巖巖質堅硬，不會發生整體貫通滑動破壞，計算邊坡穩定性系數時，不對中微風化巖體做強度折減，對上覆土層(全強風化巖和黏性土層)進行強度折減計算。折減后的抗剪強度參數用下式表達：

①Cm=c/Fv

②φm=arctan(tanφ/Fv)

(3)計算模型

場地位于地震烈度6度區，施加重力模擬天然工況，按照平面應變問題建立模型。巖土體采用四節點平面應變單元CPE4，有限單元網格劃分如圖8所示。第一個分析步驟施加地應力，第二個分析步對其φ和c隨著場變量Fv(安全系數)線性增加進行強度折減。

圖8 有限元模型網格劃分

(4)計算結果

①初始狀態

現階段該邊坡位移主要位于坡頂粉質黏土和砂質黏性土覆蓋層(圖9)，最大水平位移為 1.4 cm，邊坡處于穩定狀態。

圖9 邊坡現狀水平位移云圖

②穩定性系數確定

a. 以數值計算是否收斂確定的穩定系數Fs=1.41。

b. 以特征部位的位移拐點確定的穩定系數

選取馬道邊緣一點作為特征點，分析該處水平位移U1與強度折減系數Fv的變化規律(圖10)。當Fv=1.36時，位移拐點出現，故以特征部位的位移拐點確定的穩定系數為Fs=1.36。

c. 以是否形成連續的貫通區確定的穩定系數

邊坡現狀的塑性區出現在土巖交界面，隨著邊坡強度折減，塑性區在坡積土底部臨空面出現，當Fv=1.35時，塑性區基本貫通，如圖11所示。以是否形成連續的塑性貫通區來確定穩定系數時，Fs=1.35。

圖11 邊坡塑性區發展云圖(Fv=1.35)

三種穩定性系數判別方法得出來的穩定性系數接近，取最低值Fs=1.35，邊坡處于基本穩定狀態。

③變形發展趨勢

如圖11，強度折減后邊坡處于極限平衡狀態時，邊坡全風化花崗巖及以下穩定，上部坡積土和少量殘積土發生滑動。

3.3 邊坡穩定性評價結論

上部覆蓋土層處于基本穩定狀態，存在沖刷溝壑等現象，建議加固處理。

邊坡中下部中微風化巖體，整體穩定，局部巖體表層結構面發育，切割體不穩定，尤其遇陡坎時，切割體最不穩定，已出現局部危巖體和崩塌，建議清除掉節理裂隙發育的表層巖石。

4 治理措施研究

4.1 治理措施

計算采用北京理正軟件設計研究院所編制的《理正巖土計算》設計。在計算中根據總平面、現狀地面標高、相應地質鉆孔等情況確定支護設計分區、采取的支護型式、計算剖面。邊坡支護設計方案如下，典型剖面治理如圖12所示。

圖12 邊坡典型剖面支護設計圖

(1)上部坡殘積土和全強風化巖分布區

①放坡

充分利用已開挖形成的多級馬道平臺和坡面結構，結合現狀坡面采用1∶1～1∶1.5坡率進行放坡。

②錨桿格構梁或小擋墻

采用錨桿格構梁支護。對上部自然坡面較平緩區域，可不設錨桿格梁，間隔設置小擋墻(高約 1 m)，沿坡面縱向布置，預防暴雨沖刷減少水土流失。

③排水工程

坡頂設置截水溝，布置坡面明溝排水兼做檢查踏步。

④三維網植草防護

所有格梁內可采用三維網植草防護。

⑤孤石處理

邊坡開挖時應對孤石進行處理，根據孤石是否已經在土體中生根，決定保留錨固或清除。

(2)中下部中微風化巖巖質邊坡

①削坡

充分利用巖體邊坡自穩能力，保留現狀坡面結構，或結合已開挖馬道和坡體現狀采用1∶0.5～1∶1坡率削坡，清除危巖體，防止巖塊掉落或坍塌危險。

②擋石墻

在馬道平臺和坡腳設置防落石擋石墻。

③安全防護網

在馬道平臺上(較開闊處)設置安全防護網。

④排水工程

對現有馬道進行修整，確保排水順暢。坡腳設置排水溝。

⑤客土植草或燕窩槽式復綠

4.2 施工流程

邊坡施工順序：坡頂截水溝施工→自上而下分層開挖和修整已有坡面→分層施工錨桿格梁和馬道及坡面排水溝→坡腳排水溝和擋土墻施工→坡面和坡腳(頂)綠化。對未設置錨桿格梁支護的巖質邊坡體，應該按設計坡率削坡、清除危巖體，對局部裂隙發育的中等風化巖，必要時可采用巖石錨噴加固。

4.3 治理效果

工程竣工后運行良好，治理效果較為明顯，達到安全和美觀的統一，如圖13所示。監測數據顯示邊坡治理后一直處于穩定狀態。

圖13 邊坡治理竣工后航拍圖

5 結論和建議

(1)廣東清遠銀湖城高邊坡屬于丘陵地區山體開挖形成的土巖組合高邊坡。上部覆蓋土層處于基本穩定狀態，存在沖刷溝壑等現象。中下部中微風化巖體整體穩定，局部巖體表層結構面發育，切割體不穩定，已出現局部危巖體和崩塌。

(2)對于土巖組合高邊坡，在定性評價的基礎上，可采用極射赤平投影計算中微風化巖體的結構面組合關系下的穩定性，采用有限元強度折減法計算邊坡整體穩定性及變形趨勢。

(3)針對土巖組合高邊坡的破壞模式，提出上覆土體采用“放坡、錨桿格構梁或小擋墻、三維網植草防護、排水工程、孤石處理”，中下部中微風化巖體采用“削坡、擋石墻、安全防護網、排水工程、客土植草或燕窩槽式復綠”的綜合治理措施。工程竣工后運行良好，監測數據顯示邊坡治理后一直處于穩定狀態，論證了該措施的可行性。