岩质矿坑边坡稳定性分析及加固治理效果评价

韩国銮

（福建力创建设工程有限公司，福州350016）

1 工程概况及难点分析

1.1 工程概况

长沙恒大童世界乐园地块矿坑为南方水泥有限公司一露天开采的石灰岩采石场所遗留的采石坑。矿坑顶纵向最长约480m，横向最长约450m，矿坑底纵向最长约390m，横向最长约为380m。 矿坑的侧壁因采矿形成了规模较大的一些采空区， 根据现场的情况， 采空区主要分布于矿坑的北侧、 东北侧及西侧。

长沙恒大童世界乐园地块采空区系地下采矿所形成，勘探范围内场地采空区分为两部分，由南方水泥有限公司石灰岩矿山地下采空区和观音堂石材厂石灰岩地下采空区组成， 南方水泥有限公司地下采空区位于勘探范围内的北侧， 观音堂石材厂石灰岩地下采空区位于场地勘探范围内的西北侧。 区域规划如图1。

图1 矿坑平面布置方案

1.2 地形地貌

拟建场地原有山体经开山采石已形成一座大型采石坑， 现边坡为山体开挖后与剩余山体形成的近环形斜坡，坡度45°～90°，目前总体周边高、中间低，其中坑内标高约为-12.89～-16.56m， 北侧坑顶标高36～55m， 东侧坑顶标高36～53m， 西侧坑顶标高49～55.2m，南侧坑顶标高坑顶标高43～57.0m，最高点为场地西北侧，标高70.00m。 场地地形复杂，起伏很大。部分区域存在空洞、 局部坑壁区域有采空区延伸分布，如图2。

图2 矿坑地形地貌

为更好地分析该边坡稳定性， 根据现场地质测绘和钻探结果将边坡分为B-C、C-D、D-E、E-F、F-G共计5段进行数值模拟计算。根据勘察报告场地内分布的上覆地层有人工填土层 （）、 第四系冲积层（Qal），第四系残积层（Qel），基岩为泥盆系灰岩及泥灰岩。

1.3 地层岩性

根据场地钻探揭露， 矿坑岩质边坡坡体主要包含以下3种地层：

（2）第四系冲积（Qal）地层：褐红、褐黄色，可见灰白色，具网纹结构，不均匀含15%～35%的卵砾石，粒径约1～4cm，硬塑、局部坚硬，摇震无反应，切面稍有光泽，干强度及韧性中等。 层厚1.00～11.40m。

（3）第四系残积（Qel）黏土：系灰岩风化残积而成，褐黄、褐红等色，含10%～30%的灰岩质角砾及碎石，硬塑状态，局部可塑，摇震无反应，光泽反应有光泽，干强度及韧性较高，层厚1.50～10.30m。

（4）微风化灰岩12：浅灰色、灰白色、灰白夹红色、深灰色，矿物成分主要为方解石、含少量白云石，隐晶～细晶质结构，中厚层状构造，产状210°～290°∠45°～50°，裂隙稍发育，局部顶部见溶蚀粗糙面。 岩石坚硬质脆，金钢石钻进一般，岩芯多呈柱状、长柱状，少量块状，岩石质量指标RQD 为好的，介于82～90之间，属较硬岩，岩体较完整，岩体基本质量等级为Ⅲ级，层厚0.20～121.0m。

1.4 模拟方法及特点

岩质边坡稳定性受结构面的影响很大， 岩体中裂隙结构面的发展与岩土的受力状态关系密切，原本受压岩体， 在卸荷回弹应力的作用影响下容易造成岩体的开裂，导致岩体强度下降。因此采用有限元软件Phase2进行模拟时， 借助软件所具备的求解最大主应力σ1增量的功能， 而开挖坡面应力张量增量的最大主应力分量增减变化反应了边坡松弛区的力学性质。在数值计算过程中，对其稳定性的影响因素很难逐一进行考量。

对岩体的卸荷应力松弛情况进行初步分析，然后结合分析结果进行岩体结构面参数的赋值， 计算坡体的稳定性。 数值计算思路如下：

（1）假设矿坑原地形为现有地面的延伸，将每个边坡原始状态分时步进行开挖， 得到现状边坡，进行数值模拟。 计算边坡最大主应力σ1的增量变化情况，判定边坡应力松弛、集中区域，最大主应力σ1的增量为负值时即为应力松弛区， 反之为应力集中区。

（2）结合划定的边坡应力变化区域，分为应力松弛显著区，应力松弛渐变区，应力集中区。 对应的区域添加结构面和层面进行建模。

（3）结合勘察报告资料，对现状边坡按照稳定安全系数1.05～1.20进行参数反演， 判断出各个结构面和层面的参数。

（4）结合反演的边坡应力、变形云图，并结合松弛区分布特点， 对边坡进行开挖加固试算， 根据GB50330—2013《建筑边坡工程技术规范》，边坡工程安全等级为一级，治理后，稳定安全系数应大于等于1.35，并确定出最佳的治理措施。

2 关键断面边坡概况

BC段坡面裸露，坡长约25m，坡高35～39m，坡顶有植被覆盖，边坡总体倾向211°，坡面上部（距坡脚24m以上）坡角73°～76°，下部坡角55°～60°，无支护，无地表水及地下水渗出，坡面上无溶蚀沟槽，坡脚有采空区，宽度约10m，节理裂隙发育，层理面明显，容易发生顺层滑移破坏。 CD段岩质边坡自然坡面裸露， 顶部边缘有植被覆盖， 坡长约180m， 坡高38～49m，边坡倾向由213°到257°渐变，上部坡角外倾80°～86°下部坡脚50°～71°，无支护，现25～90m地表存在土质滑坡及岩溶塌陷，坡面溶蚀现象严重，溶洞口可见碎石块及土体，160～168m处顶部有溶沟， 坡脚有堆积物，溶洞处有水流出，节理裂隙发育。 裂隙L1和裂隙L2结构面较粗糙， 张开度2～3mm， 局部钙质胶结，延伸长度10～15m。 结构面结合程度一般，属硬性结构面。 综合作用来看，岩层层面与裂隙L1及裂隙L2的交线外倾，裂隙L1与裂隙L2交线外倾，该段边坡可能产生楔形体破坏。 DE段自然坡面裸露，坡长约160m，坡高47～52m左右，25～78m分两级台阶，下台阶边坡倾角75°，其余倾角80°～83°；边坡倾向258°渐变到315°，无支护，10～40m坡面顶部可能发生楔形体破坏，坡脚层理明显，易沿层面滑动，82～160m范围，危岩及岩溶极其发育区，坡脚有崩塌堆积体，易产生岩崩及沿层面的顺层滑动。 EF段坡面裸露， 坡长52m，坡高84～86m（含水下28～30m），边坡倾向300°，坡角52°，坡脚下为矿坑水，无支护，无地表水及地下水渗出，节理裂隙较发育，有较大层理面出露，有顺层滑移的可能。 该段边坡将会产生沿岩层层面顺层滑移破坏， 或在两组节理裂隙的切割下产生沿岩层层面滑移的楔形体破坏。 FG段该段自然边坡坡面裸露，坡长约300m，坡高89～92m（含水下32m），边坡倾向5°，坡角51°～78°，无支护，无地表水及地下水渗出，坡脚下为矿坑水，节理裂隙较发育，有大的节理面出露，200～300m地表为岩溶塌陷发育区， 已有两个滑坡，局部存在崩塌可能性。该段边坡岩层层面与裂隙L2交线内倾，对边坡稳定性影响小；岩层层面与裂隙L1及裂隙L2的交线与边坡小角度相交， 裂隙L1与裂隙L2交线与边坡小角度相交， 对边坡稳定性影响较小。 断面结构面赤平投影如图3。

图3 断面结构面赤平投影图

3 有限元分析

本次数值模拟边坡大小比例按原边坡1∶1进行建模， 边坡临空面以坡顶至现矿坑坑底为边坡高度，模型宽度及高度足够宽以消除边界的影响。 岩体结构面采用Phase2软件中的无质量Joint单元进行模拟，加固措施锚杆及锚索采用软件中的Bolt单元进行模拟。 计算分析基本假定如下：地层材料采用Mohr-Coulomb准则计算； 地层和材料的应力应变均在弹塑性范围内变化； 不考虑地下水渗流的影响。

3.1 数值模拟岩土物理力学参数

表1为该边坡建模所采用的物理力学参数。

表1 数值模拟岩土物理力学参数

3.2 应力松弛区判定

用假设的开挖过程大致圈定出该边坡的应力松弛区范围， 如图4红色圈内即为该边坡应力松弛区较为集中的区域，BC段集中在边坡上部及坡脚平台外侧区域，CD 段集中在坡顶附近及坡脚台阶外侧区域，DE 段在坡体中上部附近及坡脚台阶外侧区域， 坡脚处为应力集中区，EF段集中在坡体中上部， 坡脚为应力集中区，FG段集中在坡体中上部附近及坡脚台阶外侧区域，坡脚处为应力集中区。

图4 断面边坡Δσ1增量图

提取图中1#直线的应力变化量数值，如图5。 由Δσ1增量变化曲线的变化情况图5可知，BC段的应力松弛区可分为两段：0～77.3m为应力松弛显著区，77.3～170m为应力松弛渐变区； CD段的应力松弛区范围0～51m；DE段的应力松弛区范围0～50m；EF段的应力松弛区可分为两个区： 应力松弛显著区范围0～15.7m； 应力松弛渐变区范围15.7～67m；FG段的应力松弛区范围0～14.8m。

图5 边坡1#线Δσ1增量变化曲线

3.3 边坡现状稳定分析

结合上述应力松弛区的判断， 对边坡进行划分区域，然后进行节理裂隙面的添加，对边坡可能的破坏模式进行模拟，并计算其稳定安全系数。

经过计算BC段边坡的稳定安全系数为1.11，由图6（a）边坡潜在破坏模式可知，边坡存在顺倾的岩层面，边坡稳定性主要受岩层面控制，在边坡上部存在沿岩层面溜滑的薄层危岩体。 受节理裂隙的影响，在坡体强度衰减的过程中，在坡脚平台外侧的岩体也存在位移反应， 但其与坡面的距离较远， 影响较小； 经过计算CD段边坡的稳定安全系数为1.10，由图6（b）边坡潜在破坏模式图可知，边坡存在顺倾的岩层面， 边坡稳定性主要受岩层面控制， 存在沿岩层面在边坡中部滑移剪出破坏的可能； 经过计算DE段边坡的稳定安全系数为1.10，由图6（c）边坡潜在破坏模式可知，边坡存在顺倾的岩层面及陡倾的节理裂隙， 边坡稳定性主要受岩层面和陡倾节理裂隙的组合控制， 可能发生楔形体破坏； 经过计算EF段边坡的稳定安全系数为1.12，由图6（d）边坡潜在破坏模式可知，边坡存在顺倾的岩层面， 边坡稳定性主要受岩层面及一组陡倾的结构面控制， 存在沿岩层面在边坡面滑移剪出破坏及岩层面在结构面组合作用下的楔形体破坏； 经过计算FG段边坡的稳定安全系数为1.11，由图6（e）边坡潜在破坏模式可知，边坡存在顺倾的结构面， 边坡稳定性主要受两组结构面切割控制，以两组结构面为边界发生坡面岩体块体崩落。

图6 断面边坡潜在破坏模式

3.4 加固治理过程稳定性评价

结合边坡现状可能的破坏模式的模拟结果，对其进行加固处理。 加固采用深、 浅加固措施相结合， 加固目的主要为了限制坡体上部可能发生的顺层滑动，同时确保边坡的整体稳定性。BC段边坡分两级开挖，第1级坡面按坡率1∶0.75，第2级坡面坡率1∶0.5进行刷方，坡面开挖完后，坡顶危岩体被基本清除；CD段边坡坡面按1∶0.3坡率进行刷方，加固主要采用固脚强腰思路， 深、 浅加固措施相结合；DE段边坡按1∶0.5坡率刷方； EF段边坡第1级按1∶0.7坡率，第2级按1∶0.4，第3级按1∶0.2刷方；FG段边坡坡面分1级坡进行刷方，坡率1∶0.5。 边坡开挖坡面表层采用系统锚杆加固，加固措施如表2。 经过计算，BC～FG段坡加固后稳定安全系数分别1.58，1.44，1.39， 1.40，1.38，达到规范要求。 BC～FG段加固后的坡体塑性变形发展很小并未贯通，加固后的边坡稳定状态达到要求。

表2 加固措施信息

续表2

4 结语

通过对长沙恒大童世界矿坑边坡BC～FG段各选取一个典型边坡断面，共5个边坡进行现状边坡及加固后的数值模拟，通过对其应力松弛带的判断，采用节理控制来模拟其可能的破坏模式， 通过强度折减法计算，获得其稳定安全系数。发现矿坑边坡各边坡现在稳定状态处于欠稳定～稳定状态，现状边坡存在不同种类的破坏模式， 经过治理加固后边坡稳定安全系数均达到规范要求。