人工開挖崩塌堆積體斜坡穩定性評價及發展趨勢分析

文／李成 湖南省工程勘察院有限公司 湖南婁底 417000

引言：

鳳凰縣地處湖南省西部邊緣，湘西土家族苗族自治州，地形復雜，區內以中低山、高丘為主、兼有崗地及部分河谷平地，地表切割破碎，谷狹坡陡，崩塌、滑坡等地質災害較發育。鳳凰縣某項目位于高差100m 的斜坡地帶，其物質組成多為崩塌堆積層[1]，表層較松散；在前緣邊坡開挖之前，原始狀態下的邊坡未出現變形現象，坡體是穩定的。后在工程建設中，斜坡前緣開挖坡比1:1.5，開挖高度26.9m，長約170m,且開挖未形成支檔措施，在邊坡發生變形之后，采取了反壓措施。該邊坡的超長斷面及超高開挖，易在邊坡坡面及坡頂附近形成張應力帶。該邊坡多由崩塌堆積層組成，表層結構松散，含有塊石大小不一。在張應力作用下，原有塊體的節理裂隙進一步發展，形成上寬下窄，不斷向深處延伸的拉張裂縫，從而使前緣邊坡產生拉張變形。

由于邊坡開挖，斜坡一帶地表覆土及植被破壞，工程施工過程加劇了大氣降水的滲入作用，使土體達到近飽水或過飽水狀態。因此，對斜坡的穩定性及發展趨勢進行分析可以有效為支擋設計及工程建設提供參考。

1.工程實例

1.1 地形地貌

工程位于鳳凰縣土橋村，原始地貌為剝蝕丘陵地貌。場地為高丘及低谷組成，整體特征呈北西、西南面高，中部向北東傾斜的凹陷地形，北西邊界地形標高約450m，南邊界地形標高約350m,南西面為一崗地，最高海拔446.26m，東側為紅旗水庫，水面標高約332.7m，場地北部由北西向南東傾斜，地形坡度約35°，場地南部由南西高崗向東傾斜，傾斜方向約50°，地形由陡坡至緩坡，地形坡度18°～36°。

1.2 地層巖性

場地覆蓋層主要為人工填土（Q4ml）、第四系殘坡積粉質黏土（Q4el+dl）及堆積體混合土（Q4el+dl），下伏基巖為白堊系下統細粒含灰質石英砂巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖三者呈不等厚互層軟硬相間組合。

1.3 地質構造

區域內構造應力作用主要表現為由南東向北西推進的擠壓應力，地殼構造呈間歇性抬升；在擠壓應力作用下形成了斷裂構造（F1、F2），其中F1 斷層由南西—北東橫貫場區北西側，其上盤上升，地層產狀較陡，產狀D155°∠27°，下盤下降，地層產狀較平緩，產狀D140°∠11°。場地東側紅旗路開挖揭露F2 斷層，也體現上盤地層產狀較陡，下盤產狀平緩的特征。

場區在南東—北西向構造應力作用下形成了多組節理，從場地內及場地紅旗路東側節理裂隙統計分析，場地內與東側節理裂隙發育的組數及產狀存在一定的差異，體現了構造應力上的差異，場地內為構造應力較集中的區域，巖體在陡傾或近垂直相交的節理裂隙作用下，巖體被切割成塊體狀結構。

1.4 水文地質條件

場地地下水主要為第四系孔隙水和基巖裂隙水，主要接受大氣降水垂直入滲補給，水量季節性變化明顯，沿斜坡方向滲流向坡腳排泄，在坡腳處形成3 處季節性泉水。

2.崩塌堆積體工程地質特征

2.1 崩塌堆積體平面分布特征

根據勘探工程及工程地質調繪表明，場區崩塌堆積體平面分部范圍較為清晰，分界特征突出，崩塌堆積體后緣南西側沿地形陡坡延伸，至北西側與斷層F1 相交，北西側以斷層F1 為界，前緣位于斜坡一級平臺斜坡坡腳處，現已開挖坡腳，且斜坡處分布較多的，產狀紊亂的巖石塊體，塊體受下部軟巖風化剝蝕形成臨空面（K31°∠40°），沿節理裂隙破裂，塊體向斜坡體方向傾斜。崩塌堆積體平面中心長約460m，最大寬度約170m，其厚度約2.5～19.0m。

2.2 崩塌堆積體縱向分布特征

結合物探綜合分析，場地斜坡體由坡頂至坡腳方向，在橫向剖面上，崩塌體由兩側向中間加深的趨勢；在縱向剖面上，且在一級平臺處，崩塌體與基巖接觸面呈較陡傾接觸，分界線在縱向剖面上表現呈臺階式的折線；探井、探槽揭露及物探反應，基本一致。

2.3 崩塌堆積體物質組成

崩滑堆積體物質由含碎石粉質粘土、泥質粉砂巖塊石、細砂巖塊石組成。粉質粘土呈褐黃色、紅褐色，稍濕，硬塑-可塑狀態，干強度及韌性中等，稍有光澤，無搖振反應，廣泛分布于場地內，前期勘察孔均有揭露，粉質粘土及碎塊石物質結構較松散；泥質粉砂巖與細砂巖塊體大小不一，大者長軸可達5m 以上，分布狀態可呈直立、傾斜坡面、斜交坡面等，大塊體分布多與坡面傾斜方向相近，部分塊體呈球狀風化，排列分布無規則，大面積分布。

2.4 崩塌堆積體物理力學指標

根據勘察結果，場地分布的混合土主要由碎石土和細砂巖塊石、泥質粉砂巖塊石組成，所占比重為5:3:2，依據大重度試驗及室內試驗結果，混合土重度取值見表1。

表1 混合土重度計算表

根據現場調查，斜坡前緣邊坡主要受大氣降水和坡腳開挖的影響發生滑移，未形成滑動帶，因此本報告混合土抗剪強度參數c、φ 值按試驗值、反演值[2]、土石比及地區經驗綜合取值。天然狀態下抗剪強度參數反演值C=13.28kPa，φ=21.0°，其對試驗值所占的權重分別為：80%、20%。飽和狀態下抗剪強度參數采用反演值。詳見表2。

表2 混合土抗剪強度參數取值表

3.崩塌堆積體穩定性分析

3.1 計算模型

為系統模擬分析崩塌堆積體的穩定性狀況，根據場地環境條件及巖土層分布特征，選擇代表性工程地質剖面2-2’建立計算模型，計算模型見圖1。

圖1 剖面2-2’計算模型

3.2 Bishop 法[3]對崩塌堆積體穩定性分析

3.2.1 計算結果

采用自動搜索法計算坡體局部穩定性小于穩定性評價標準規定值分布區域，有效評價在不利工況下坡體局部失穩的可能性，并計算最不利滑面的穩定性系數。各坡面計算結果詳見圖2 和表3。

圖2 剖面2-2’局部穩定性計算結果圖

表3 斜坡崩塌堆積體局部穩定系數計算結果統計表

3.2.2 穩定性評價

根據斜坡崩塌堆積體局部穩定性計算結果，天然工況下，坡體處于欠穩定—穩定狀態，最危險滑面穩定系數Fs=1.007～1.384，飽和工況下，坡體處于基本穩定—不穩定狀態，最危險滑面穩定系數Fs=0.885～1.161。不利滑面主要集中分布于一級臺地(設計地坪標高383.8m)東側邊坡，其次為一級臺地(設計地坪標高383.8m)西側邊坡。斜坡崩塌堆積體穩定性表現為中部向兩側逐步趨向于穩定。持續降雨或暴雨是影響坡體穩定性的主要因素，同時還受崩塌堆積層厚度、切方邊坡坡度及高度等因素控制。計算結果表明，邊坡天然工況下處于極限平衡狀態，計算結果與現場實際變形情況一致。

3.3 有限元[4]對崩塌堆積體位移場、應變場計算

3.3.1 計算方法及理論

采用有限元強度折減法對崩塌堆積體進行位移場計算，是在理想彈塑性有限元計算中將巖土體抗剪強度參數逐漸降低直到其達到破壞為止，可自動根據彈塑性計算結果得到塑性應變和位移突變的地帶，同時得到斜坡強度儲備安全系數，抗剪強度參數折減計算公式如下：

3.3.2 計算結果及評價

擇有代表性的2-2’剖面建立有限元計算模型，初始狀態采用天然狀態下的計算參數，計算結果詳見圖3、圖4 和表4。

表4 有限元法位移場、應變場計算結果統計表

圖3 強度折減系數為1.14 位移場計算圖

圖4 強度折減系數為1.25 位移場計算圖

根據有限元計算結果，隨著崩塌堆積層(混合土)抗剪強度逐漸減小，首先一級臺地東側邊坡出現變形，表現為：折減系數為1.15 時，最大位移量為0.074m，坡體出現塑性變形區，呈臨界穩定狀態；當折減系數為1.16 時，塑性應變和位移突變，形成滑移面，最大位移量達到0.6m，斜坡一級臺地東側邊坡失穩，同時一級臺地西側邊坡出現位移；當折減系數為1.18 時，最大位移量繼續增大，但主滑面位置不變；折減系數達到1.25 時，受坡體前緣變形破壞的影響，新的剪出口形成，在持續降雨或暴雨及自重加大的影響面，后緣坡體發生滑移。綜上，剖面2-2’坡體穩定性安全儲備系數為1.15，與前述計算結果相符。

4.崩塌堆積體穩定性評價及發展趨勢

通過對崩塌堆積體穩定性和位移場計算，在兩種計算工況下，斜坡整體處于基本穩定—穩定狀態，受前緣剪出口邊坡坡度、坡高及堆積體厚度的影響，由坡體中部向兩側坡體穩定性增強。坡體穩定性主要表現為局部變形的特征，在天然工況下，一級臺地東側邊坡處于欠穩定—基本穩定狀態，一級臺地西側邊坡處于基本穩定—穩定狀態，受大氣降水的影響，巖土體含水率增大，自重加大，坡體局部將出現滑移，當土體達到近飽和狀態時，一級臺地東側邊坡失穩，一級臺地西側邊坡處于臨界狀態，變形區域向兩側及后緣擴展。因此，斜坡在現狀條件下是基本穩定的，但在暴雨等不利工況下，變形將繼續發展，斜坡易發生滑移，應采取相應的工程支護措施。