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類土質(zhì)邊坡失穩(wěn)機理分析與穩(wěn)定性研究

2016-05-30 07:48:32李滿意周洪燕魏燕珍
長江科學院院報 2016年5期
關(guān)鍵詞:條塊土質(zhì)坡體

李滿意,周洪燕,魏燕珍,史 玲

(1.重慶市地質(zhì)災(zāi)害自動化監(jiān)測工程技術(shù)研究中心, 重慶 400042;2.成都理工大學 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室,成都 610059;3.重慶郵電大學移通學院 管理工程系,重慶 401520)

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類土質(zhì)邊坡失穩(wěn)機理分析與穩(wěn)定性研究

李滿意1,2,周洪燕3,魏燕珍1,史玲1

(1.重慶市地質(zhì)災(zāi)害自動化監(jiān)測工程技術(shù)研究中心, 重慶400042;2.成都理工大學 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室,成都610059;3.重慶郵電大學移通學院 管理工程系,重慶401520)

摘要:類土質(zhì)邊坡工程特性及穩(wěn)定性明顯區(qū)別于一般的均質(zhì)土邊坡和巖質(zhì)邊坡,實際生產(chǎn)項目中,工程技術(shù)人員多將其視為一般的均質(zhì)土邊坡進行勘察、設(shè)計,造成了設(shè)計浪費或設(shè)計失敗,因此對類土質(zhì)邊坡變形的地質(zhì)力學模式及失穩(wěn)機理的研究具有實用價值。以重慶市合川區(qū)獅灘鎮(zhèn)洞堂灣邊坡為地質(zhì)原型,在對邊坡賦存的地質(zhì)環(huán)境條件、邊坡的坡體結(jié)構(gòu)特征、變形破裂特征分析的基礎(chǔ)上,得出該類邊坡變形的地質(zhì)力學模型為漸進后退式蠕滑-拉裂;邊坡失穩(wěn)機理分析結(jié)果表明該邊坡多發(fā)生在暴雨或持續(xù)降雨期間,有一定的滯后特征,邊坡失穩(wěn)多受坡體中傾外的緩傾結(jié)構(gòu)面及陡傾的裂隙面控制。最后采用平面滑動法對該邊坡進行穩(wěn)定性分析和評價,計算結(jié)果與邊坡的變形破裂特征基本相互吻合。

關(guān)鍵詞:類土質(zhì)邊坡;洞堂灣邊坡;地質(zhì)力學模式;失穩(wěn)機理;穩(wěn)定性評價;重慶合川區(qū)

1研究背景

重慶地區(qū)出露的自流井組巖組以泥質(zhì)砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及砂質(zhì)泥巖等軟巖為主,該巖組具有全—強風化的特性,即所謂的類土質(zhì)邊坡[1-5]。根據(jù)筆者近年來對重慶地區(qū)發(fā)生多處類土質(zhì)邊坡失穩(wěn)事例的總結(jié),此類邊坡具有類土質(zhì)、淺表層、規(guī)模小(危害嚴重)、漸進式和邊坡失穩(wěn)的后緣通常在坡體的中后部等共同特征。類土質(zhì)邊坡工程特性及穩(wěn)定性明顯區(qū)別于一般的均質(zhì)土邊坡和巖質(zhì)邊坡,然而,現(xiàn)行規(guī)范中對邊坡穩(wěn)定性評價多針對于巖質(zhì)邊坡和土質(zhì)邊坡,對類土質(zhì)這種過渡型邊坡的穩(wěn)定性評價方法較少。在實際生產(chǎn)項目中,設(shè)計人員多將該類邊坡視為一般均質(zhì)土邊坡或巖質(zhì)邊坡進行處理,這類邊坡的失穩(wěn)模式往往不是土質(zhì)邊坡的圓弧形破壞,而是近似于產(chǎn)生受結(jié)構(gòu)面控制的平面形破壞。設(shè)計人員在沒有弄清楚坡體結(jié)構(gòu)特征、邊坡變形的地質(zhì)力學模式和失穩(wěn)機理的情況下,盲目地進行支護設(shè)計,這勢必造成支護結(jié)構(gòu)或可靠性不足,或偏于保守[1,6-8]等問題。

本文以重慶合川區(qū)洞堂灣邊坡為典型實例,根據(jù)該邊坡的坡體結(jié)構(gòu)及變形破壞特征,結(jié)合邊坡所賦存的地質(zhì)環(huán)境條件,從類土質(zhì)邊坡的風化層、裂隙性及時間效應(yīng)對該邊坡變形破裂的地質(zhì)力學模式及邊坡失穩(wěn)機理進行分析,在此基礎(chǔ)上對該邊坡穩(wěn)定性現(xiàn)狀進行分析和評價,并以此為依據(jù),提出邊坡相應(yīng)的加固措施,對確保邊坡下方廠礦的安全具有一定的工程指導(dǎo)意義,同時為同類工程提供參考。

2邊坡的地質(zhì)環(huán)境條件和基本特征

2.1地質(zhì)環(huán)境條件

邊坡所在的區(qū)域?qū)贅?gòu)造剝蝕型低山地貌,系一條北東-南西走向的條狀山體,呈現(xiàn)出中部高、東、西兩側(cè)低的特點。地形坡度一般20°~30°。邊坡兩側(cè)邊緣為沖溝,左右兩側(cè)雙溝同源,且邊坡以溝為界。邊坡出露的主要地層為為侏羅系中下統(tǒng)自流井(J1-2zl)中段暗紫紅色砂質(zhì)泥巖、灰白色砂巖不等厚互層,巖層產(chǎn)狀315°∠72°,根據(jù)勘探成果并結(jié)合地面調(diào)查,全風化層厚度8.0~12.0 m。邊坡前緣由于修建工業(yè)用房對邊坡坡腳進行開挖,破壞了斜坡的原始平衡狀態(tài),這為邊坡失穩(wěn)提供了臨空條件,邊坡坡腳雖采用條石擋墻支擋,但局部已發(fā)生外傾變形。

2.2邊坡形態(tài)特征及規(guī)模

洞堂灣邊坡位于富玖建材廠廠房后緣,邊坡平面形態(tài)呈不規(guī)則扇形,前緣寬115.0 m,后部寬35 m,坡向69°;坡度26°~35°,坡長55 m,面積約4 000 m2,全風化層厚度8.0~12.0 m,體積約4.0×104m3。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,結(jié)合該邊坡的變形破壞跡象,洞堂灣邊坡沿泥巖全—強風化線內(nèi)部發(fā)生漸進后退式破壞(溜滑體即說明這一破壞模式),屬于小型類土質(zhì)邊坡。

目前,無明顯剪出口。邊坡后緣最大高程為325.0 m,前緣潛在剪出口高程289.0 m,最大相對高差36.0 m(見圖1)。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及前緣開挖坡腳后基巖露頭揭露,邊坡表層土體薄,基巖露頭的巖層產(chǎn)狀與穩(wěn)定基巖的產(chǎn)狀存在一定的差異,這說明邊坡存在一定的蠕變特征。根據(jù)邊坡的坡體結(jié)構(gòu)特征并結(jié)合變形破裂跡象,推測該邊坡是由于坡體前緣開挖坡腳,加之持續(xù)暴雨而形成的,失穩(wěn)方向N18°~25°E。

圖1 邊坡工程地質(zhì)剖面圖Fig.1 Engineering geological profile of slope

2.3邊坡體結(jié)構(gòu)特征

該邊坡為類土質(zhì)邊坡,其失穩(wěn)的機理為漸進后退式沿全—強風化巖體內(nèi)部發(fā)生蠕滑變形甚至逐級失穩(wěn)。坡體結(jié)構(gòu)特征根據(jù)地質(zhì)調(diào)查及對鉆探資料的分析?;w物質(zhì)主要由表層粉質(zhì)黏土夾碎塊石,以及紫紅色全—強風化泥巖組成。全—強風化巖體表層存在一定的球狀風化現(xiàn)象,遇水后可塑狀,新鮮斷面未現(xiàn)明顯的層理結(jié)構(gòu)。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查,并結(jié)合地表變形破裂特征分析,該邊坡的潛在滑面在全—強風化泥巖內(nèi)部;滑帶土成分主要為全風化泥巖,根據(jù)邊坡前部開挖后的基巖露頭觀察,滑帶土手捻滑感強,質(zhì)地松軟,含膨脹性黏粒,遇水后崩解,呈可塑狀,固結(jié)程度較其他巖體弱,重結(jié)晶不明顯,抗風化能力差,該類巖土體浸水后強度明顯降低。

3邊坡變形破裂特征及失穩(wěn)機理分析

3.1邊坡變形破裂特征

據(jù)調(diào)查,該邊坡所在區(qū)域常發(fā)生失穩(wěn),具有類土質(zhì)、淺表層、規(guī)模小、漸進式和邊坡失穩(wěn)的后緣通長在坡體中后部的共同特征。該邊坡在歷史時期內(nèi)就出現(xiàn)不同程度的變形,主要表現(xiàn)在:兩側(cè)出現(xiàn)可追蹤性斷續(xù)雁行式地表裂縫(圖2)。

圖2 側(cè)緣繼承性圈弧狀下錯臺坎Fig.2 Successive arc-shaped steps on both sidesof the slope

坡體前緣陡坎臨空面向臨空方向發(fā)生一定的滑移,前緣出現(xiàn)鼓脹變形,前緣的條石擋墻局部發(fā)生外傾變形的現(xiàn)象;后緣發(fā)育多條可追蹤性圈弧狀張拉裂縫,分析是前緣牽引式變形而致,這類拉裂縫具有一定的拉裂-下錯特征,坡體中后部具有明顯的伴生錯落陡坎。另外,坡體前緣雖出現(xiàn)多條地表裂縫,但未發(fā)現(xiàn)明顯的剪出跡象(圖3和圖4)。

圖3 擋墻受擠壓發(fā)生外傾變形Fig.3 Toppling deformation of retaining wall causedby extrusion

圖4 前緣基巖受擠壓變形Fig.4 Deformation of the leading edge of bedrockcaused by extrusion

3.2邊坡失穩(wěn)機理分析

邊坡的變形破裂特征及失穩(wěn)機理取決于邊坡的坡體結(jié)構(gòu)特征、巖土體的工程特性等內(nèi)部因素;降雨及坡腳不合理開挖等外部誘發(fā)因素亦起到較重要的作用。本文所研究的類土質(zhì)邊坡,其工程特性及穩(wěn)定性明顯區(qū)別于一般的均質(zhì)土邊坡和巖質(zhì)邊坡;如前述,邊坡的巖體中含有膨脹性黏粒,以往的研究表明,此類巖體具有遇水膨脹、失水干縮龜裂的特征,這是邊坡產(chǎn)生陡傾裂隙面(隱伏陡傾裂隙面)的原因之所在。

該類巖體的工程地質(zhì)問題主要是膨脹性軟巖遇水后產(chǎn)生陡傾裂隙面;由于其膨脹性、裂隙性和濕化性引起的巖土體遇水后工程特性惡化,巖土體抗剪強度顯著降低,從而導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。以往的研究表明,此類邊坡巖土體由原巖風化而來,既保留著部分原巖的結(jié)構(gòu)面,邊坡具有一定的自穩(wěn)能力;同時,邊坡又在風化過程中坡表形成隱伏的陡傾裂隙面,這為地表水的滲入提供了通道,對類土質(zhì)邊坡的變形甚至失穩(wěn)起著關(guān)鍵的作用。在暴雨或持續(xù)降雨季節(jié),大量的雨水直接沿坡體裂隙面(隱伏裂隙面遇水后變?yōu)榱严睹?滲入坡體內(nèi)部,使裂隙面(隱伏裂隙面)張開,從而引起邊坡巖土體強度驟減,同時,水對邊坡的軟化效應(yīng)及飽和加載效應(yīng),邊坡極有可能發(fā)生失穩(wěn)[6,8-9]。

圖5 邊坡變形的地質(zhì)力學模式及失穩(wěn)機理Fig.5 Schematic diagram of geomechanical mode and instabilitymechanism of slope deformation

通過對重慶地區(qū)類土質(zhì)邊坡失穩(wěn)機理的分析可知,該邊坡多發(fā)生在暴雨或持續(xù)降雨期間,有一定的滯后特征,邊坡失穩(wěn)多受坡體中傾外的緩傾結(jié)構(gòu)面及陡傾的裂隙面控制。如上所述,坡體上陡傾裂隙面(隱伏裂隙面)為地表水滲流的重要通道,降雨期間,陡傾裂隙面(隱伏裂隙面)充水,裂面逐漸張開,巖土體顆粒的黏結(jié)力減少甚至喪失。隨著陡傾裂隙面的拉張加深,孔隙水壓力逐漸升高,邊坡巖土體遇水后強度降低;同時,隨著陡傾裂隙面的拉張加深至潛在滑帶位置,由于全—強風化巖體介質(zhì)的差異效應(yīng),受弱透水基巖層的阻擋,在上覆全—強風化泥巖與下伏中風化泥巖接觸面上形成徑流帶,進而產(chǎn)生揚壓力,且隨著坡表裂隙面的加深拉寬,揚壓力逐漸增大;另外,緩傾結(jié)構(gòu)面的逐漸貫通,由于水的軟化效應(yīng),滑帶土軟化且強度降低甚至喪失,這將導(dǎo)致巖土體剪應(yīng)力集中區(qū)轉(zhuǎn)移至后側(cè)巖土體,并使之發(fā)生前述類似的變形和破壞,最終導(dǎo)致相對緩傾的潛在滑面貫通;加之水入滲邊坡后的飽水加載效應(yīng)及軟化效應(yīng),最終類土質(zhì)邊坡發(fā)生漸進后退式平面滑動,即:前緣塊體先失穩(wěn),其后塊體依次失穩(wěn)[8-10]。

根據(jù)上述內(nèi)容,結(jié)合水對邊坡的飽水加載效應(yīng)、軟化效應(yīng)、靜水壓力及揚壓力效應(yīng),類土質(zhì)邊坡變形的地質(zhì)力學機制為漸進后退式蠕滑-拉裂。其失穩(wěn)機理大概可以概括以下4個階段(如圖5所示)。

(1) 降雨入滲階段:由于類土質(zhì)邊坡中含膨脹性黏粒,巖體遇水后膨脹、失水干縮后龜裂,這使得邊坡產(chǎn)生了與坡面近垂直的裂隙面或隱伏裂隙面。在降雨補給的過程中,隱伏裂隙面張開,裂隙面加深拉寬;雨水沿著裂隙面下滲,一方面由于水的軟化效應(yīng),降低了邊坡巖土體的的抗剪強度,另一方面坡體內(nèi)孔隙水壓力不斷增大。

(2) 邊坡惡化階段:根據(jù)有效應(yīng)力原理分析,當巖土體內(nèi)孔隙水壓力增大時,其有效應(yīng)力迅速減少;由于陡傾裂隙面的加深(至潛在滑面位置)拉寬,雨水沿著裂隙面下滲至潛在滑帶位置,由于風化后巖體的差異,受下覆弱透水中風化泥巖的阻擋,在潛在滑帶處形成徑流帶,進而產(chǎn)生揚壓力,且隨降雨時間不斷增強。同時,陡傾裂隙面充水深度增高,這使得靜水壓力不斷增大;邊坡由于受飽水加載效應(yīng)、揚壓力效應(yīng)及靜水壓力效應(yīng),穩(wěn)定性開始惡化。

(3) 局部失穩(wěn)階段:隨著降雨的不斷入滲,陡傾裂隙面不斷加深拉寬,潛在滑面逐漸貫通;由于水的軟化效應(yīng),滑帶土飽水軟化且強度降低甚至完全喪失;加之靜水壓力、揚壓力的不斷增大,邊坡前緣A塊體與后緣B塊體形成拉陷槽且不斷拉寬,最終A塊體發(fā)生失穩(wěn)。

(4) 整體失穩(wěn)階段:隨著拉陷槽的不斷加深拉寬,導(dǎo)致A塊體失穩(wěn),邊坡前緣B塊體具有一定的臨空條件,由于階段(2)所述的效應(yīng),使之發(fā)生階段(3)類似的變形和破壞,最終導(dǎo)致相對緩傾的潛在滑面貫通,類土質(zhì)邊坡發(fā)生漸進后退式平面滑動,即:前緣塊體先失穩(wěn),其后塊體依次失穩(wěn)。

4邊坡穩(wěn)定性評價與預(yù)測

4.1定性分析

根據(jù)該類土質(zhì)邊坡的坡體結(jié)構(gòu)特征、變形破裂特征對邊坡穩(wěn)定性進行定性分析。經(jīng)綜合分析認為:該邊坡在天然狀態(tài)下處于基本穩(wěn)定狀態(tài);在暴雨或持續(xù)降雨下處于欠穩(wěn)定—不穩(wěn)定狀態(tài)。預(yù)測該邊坡在不利工況下將發(fā)生大規(guī)模的失穩(wěn)。

4.2定量計算

4.2.1計算模型及計算原理

為進一步分析邊坡的穩(wěn)定性,筆者在本文選取的類土質(zhì)邊坡的坡體結(jié)構(gòu)特征、變形破裂特征及變形的地質(zhì)力學機制及失穩(wěn)模式分析的基礎(chǔ)上,對該邊坡進行穩(wěn)定性評價。結(jié)合圖5中的失穩(wěn)機理分析,現(xiàn)基于極限平衡理論,采用平面滑動法對邊坡進行穩(wěn)定性計算,計算模型如圖6[11]所示。

圖6 穩(wěn)定性計算模型Fig.6 Stability calculation model

圖6中Pi為第i條塊的推力,Pi-1為第i條塊的剩余下滑力,Wi為第i條塊自重標準值與附加荷載之和,單位均為kN/m。

穩(wěn)定性系數(shù)計算公式為

其中:

式中:K為穩(wěn)定系數(shù);n為條塊個數(shù);Ri,Ti分別為第i條塊的抗滑力和下滑力(kN/m);Di為第i條塊所受的動水壓力(kN/m);Qi為第i條塊所受的地震力(kN/m),Qi=ζeWi,ζe為水平地震力系數(shù);ψj為第i條塊剩余下滑力傳遞至第i+1條塊時的傳遞系數(shù)(j=i時);Wi為第i條塊自重標準值與附加荷載之和(kN/m);ci,φi分別為第i條塊土的黏聚力(kPa)和內(nèi)摩擦角(°);li為第i條塊滑動面長度(m);γw為水的重度,取10 kN/m3;hi為第i條在地下水位面至河(庫)水位面范圍內(nèi)的高度(m);αi為第i條塊滑面傾角(°),滑面反傾時取負值;βi為第i條塊地下水流線平均傾角(°)。

4.2.2計算參數(shù)及計算工況選取

根據(jù)室內(nèi)試驗成果,并結(jié)合對已發(fā)生垮塌區(qū)進行反演和同類工程類比進行綜合取值(表1)。

表1 巖土體力學參數(shù)

4.2.3計算結(jié)果及分析

對該類土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性計算時,暴雨或持續(xù)降雨工況采用降低巖土體抗剪強度指標(c,φ),增大其重度(γ)進行計算。

通過穩(wěn)定性計算(表2),并結(jié)合《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330—2013)表5.3.1及表5.3.2相關(guān)規(guī)定表明,該邊坡在天然狀況下處于基本穩(wěn)定狀態(tài);在暴雨或持續(xù)降雨工況下處于欠穩(wěn)定—不穩(wěn)定狀態(tài);穩(wěn)定性計算成果也反映出類土質(zhì)邊坡在天然條件下自穩(wěn)能力較好,其穩(wěn)定性的決定性因素為暴雨或持續(xù)降雨。

表2 各工況下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)

定性分析和定量計算基本相吻合。可以預(yù)測到,該邊坡在暴雨或持續(xù)降雨工況下發(fā)生局部失穩(wěn),甚至會發(fā)生整體失穩(wěn)。

5結(jié)論及建議

(1) 重慶地區(qū)出露的自流井組巖組形成的邊坡易發(fā)生失穩(wěn),該類邊坡失穩(wěn)具類土質(zhì)、淺表層、規(guī)模小(危害嚴重)、漸進式和邊坡失穩(wěn)的后緣通常在坡體中后部的共同特征。

(2) 類土質(zhì)邊坡變形的地質(zhì)力學機制為漸進后退式蠕滑-拉裂。其失穩(wěn)機理經(jīng)歷降雨入滲、邊坡惡化、局部失穩(wěn)、整體失穩(wěn)4個階段。

(3) 本文以洞堂灣邊坡為例,結(jié)合該邊坡的坡體結(jié)構(gòu)特征及變形破裂特征對該邊坡進行穩(wěn)定性評價,結(jié)果表明,邊坡在天然條件下處于基本穩(wěn)定狀態(tài),在持暴雨或持續(xù)降雨等不利工況下處于欠穩(wěn)定—不穩(wěn)定狀態(tài)。

(4) 穩(wěn)定性計算成果也反映出類土質(zhì)邊坡在天然條件下自穩(wěn)能力較好,其穩(wěn)定性的決定性因素為暴雨或持續(xù)降雨。

(5) 建議對該邊坡采取“格構(gòu)護坡+護腳墻+地表截排水”的防治措施,從而確保邊坡坡腳位置廠礦及公路的安全。

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(編輯:趙衛(wèi)兵)

Instability Mechanism and Stability Analysis of Soil-like Slope

LI Man-yi1,2, ZHOU Hong-yan3, WEI Yan-zhen1, SHI Ling1

(1.Chongqing Engineering Research Center of Automatic Monitoring for Geological Hazards, Chongqing 400042, China; 2.State Key Laboratory of Geo-hazard Prevention and Geo-environment Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu610059, China; 3. Management Engineering, College of Mobile Telecommunications, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing401520, China)

Abstract:The engineering properties and stability of soil-like slope obviously differ from those of homogeneous soil slope and rock slope. In actual construction projects, soil-like slopes are regarded as general homogeneous soil slope and rock slope, resulting in inadequate reliability, or conservative support. Research on the geomechanical model and instability mechanism of soil-like slope is of practical significance. In this paper, Dongtangwan slope in Hechuan district of Chongqing is taken as a geological prototype to analyze the geological conditions, structural features, and deformation behaviors of the slope. Results reveal that the geomechanical model is progressive backwards creep slide-tension fracture; instability analysis shows that the failure of soil-like slope usually happens in storm or continuous rainfall, with some lag in time, and the instability is mainly controlled by the gently-inclined structural planes and steep-inclined fissure planes. Furthermore, the slope stability is analyzed and evaluated based on plane sliding mode. The calculation results are consistent with the deformation characteristics of the slope.

Key words:soil-like slope; Dongtangwan slope; geomechanical model; instability mechanism; stability assessment; Hechuan district of Chongqing

中圖分類號:P642.22

文獻標志碼:A

文章編號:1001-5485(2016)05-0111-05

doi:10.11988/ckyyb.201501402016,33(05):111-115

作者簡介:李滿意(1986-),男,安徽碭山人,工程師,碩士,主要從事巖土體穩(wěn)定性評價及地質(zhì)災(zāi)害防治等方面的生產(chǎn)及研究工作,(電話)15213097163 (電子信箱)562365608@qq.com。

收稿日期:2015-02-25;修回日期:2015-03-25

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西北水電(2021年5期)2021-11-29 07:26:00
求解推移式滑坡的一種改進條分方法
高含鐵大比重土質(zhì)對泥漿配比的影響
烏弄龍水電站庫區(qū)拉金神谷坡體變形成因機制分析
不同開采位置對邊坡穩(wěn)定性影響的數(shù)值模擬分析
山西煤炭(2019年2期)2019-08-29 05:35:40
凍融循環(huán)作用下土質(zhì)河堤的穩(wěn)定性分析
土質(zhì)文物鹽害中硫酸鈉的研究——從微觀到宏觀
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