顺层岩质边坡滑剪破坏规律研究

于群群,孙朝燚

(1.中电光谷建筑设计院有限公司,湖北 武汉 430000;2.中国科学院 武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室,湖北 武汉 430071)

顺层岩质边坡是指坡体内发育结构面倾向与坡面近似一致的顺向坡,此类边坡广泛应用于房屋建筑地基开挖、公路铁路路基修建、水利水电工程施工、露天矿山采场建设等场景中[1-7]。顺层岩质边坡由于坡内发育软弱结构面,在降雨、地震或人工开挖条件下,经常发生失稳破坏[1-4,7-11]。该类边坡按照失稳机制可分为2类[12]:一是结构面倾角小于边坡角的顺向坡,该类边坡潜在滑动面出露于坡面或随开挖施工将会出露于坡面,失稳机制表现为平面滑移或蠕滑-拉裂式滑动,破坏机理比较简单,破坏规律相对清楚,容易识别和治理[12-13];二是结构面倾角大于或等于坡角的顺向坡,该类边坡的潜在主滑面不直接出露于坡面,而是向下插入坡内,坡体内容易集聚高能量孕育滑剪型大滑坡,如千将坪、鸡尾山和山阳滑坡等[6,14-15]。

顺层岩质边坡滑剪破坏深度深、规模大,且发生前征兆不明显,潜在危害大[12-15]。梁专明等[1]依托长沙商贸旅游职业技术学院工程边坡,研究了软岩顺层边坡滑剪破坏机制;赵之举[2]以长江沿岸某工业园区内开挖工程边坡为例,揭示了粉砂岩夹泥岩的互层顺层边坡滑剪破坏机制;李红卫[3]、Li等[4]及代云山[5]研究了公路铁路工程中顺层路堑边坡的失稳机理和处置措施。相关研究加深了学者对于顺层岩质边坡滑剪破坏的认识,阐明了该类边坡的滑剪破坏机制,提出了相应的稳定性评价方法,但对其滑剪破坏规律研究较少。

顺层岩质边坡滑剪破坏的影响因素众多,徐盼等[16]采用离散元数值程序模拟了节理倾角对层状岩质边坡位移分布特征的影响;Alejano等[17]和Havaej等[18]采用数值模拟、物理试验等手段开展了矿山下盘边坡的滑剪破坏机理探究,并分析了不同节理倾角下边坡安全系数特征;Sun等[7,19]提出了露天矿山顺层采场边坡厚层滑剪破坏极限平衡分析方法,并开展了节理倾角及其强度对边坡极限高度或安全系数影响的研究;Chen等[20]提出了2组结构面控制的岩质边坡图表分析方法,并得到了不同节理倾角、节理强度及边坡高度下边坡安全系数规律。以上文献针对顺层岩质边坡滑剪破坏的主要影响因素开展了相应的边坡稳定性规律研究,但没有详细展开滑剪破坏陡倾段和缓倾段各自不同剪切强度对边坡稳定性影响的研究,更缺少这些因素对滑剪破坏滑体厚度影响的研究。

本文在房屋建筑、高速公路和露天矿山等相似工程边坡案例中概化了顺层岩质边坡滑剪破坏地质模型,总结了双平面滑剪破坏的主要影响因素,并采用严格极限平衡方法系统性地开展了不同滑体厚度、边坡高度、陡倾和缓倾结构面倾角及强度参数影响下的边坡稳定性规律研究。

1 双平面滑剪破坏地质模型

长沙商贸旅游职业技术学院新校区建设过程中,形成了坡度为34.1°～37.8°、高度为22～31 m的顺层建筑边坡[1]。边坡岩性主要为泥质粉砂岩,岩层倾向28°、倾角20°,层间含泥化夹层(黏土岩)。边坡在降雨作用下形成滑坡,剖面呈圈椅状,见图1(a)。滑坡主滑段滑面为黏土岩夹层,未出露于坡面;坡脚岩体在上覆滑体作用下,发生弯曲、隆起、损伤直至剪断破坏,形成滑坡,属于典型的顺层边坡滑剪破坏。

石忠高速公路K15+455～+645段路堑边坡,地层主要为块碎石土和砂泥岩互层,岩层呈单斜状产出,产状为NE50°～NE60°∠40°～70°[3]。该段边坡因切坡形成了5级高陡顺层边坡,边坡坡率均为10.75,每级坡高为8 m,堑坡总高约36 m;在连续降雨作用下发生了滑剪破坏,见图1(b)。这类滑坡主要是由于开挖边坡削弱了坡脚支撑力,坡脚岩土体不足以承受上部岩体挤压作用,导致上部岩体沿陡倾层面出现蠕动滑移变形,同时上部岩体的挤压致使坡脚岩体产生剪切破坏,最终形成贯通滑动面,发生滑剪破坏,可概括为顺层滑移-压碎(溃)剪断型破坏。

山西浑源露天矿山采场边坡,主要岩性为片麻岩,片麻理产状约68°∠70°,采场开挖形成了150～210 m的高陡顺层边坡[7]。数值模拟结果表明该类边坡在继续向下开挖条件下会发生双平面滑剪破坏,破坏面主要由层间结构面和坡脚岩体剪断面组成,破坏模式可概括为顺层滑移-剪断破坏,见图1(c)。

顺层岩质边坡坡内陡倾顺层结构面发育,且常常发育缓倾节理、夹层或破碎带,在降雨、地震或人工开挖条件下,易形成滑剪破坏,破坏面主要由层间陡倾结构面和坡脚岩体缓倾剪断面组成,可概括为陡倾和缓倾2段滑动面组成,典型的地质模型如图2所示。

图2 典型顺层岩质边坡滑剪破坏地质几何模型

图3 顺层岩质边坡双平面滑剪破坏力学模型

2 滑剪破坏力学模型与分析方法

顺层岩质边坡双平面滑剪破坏的力学模型见图3。

顺层岩质边坡滑剪破坏理论分析方法采用极限平衡条分法中的Spencer方法假设[21-22],即:(1)假设条块间作用力倾角为一待定常数;(2)各条块满足力平衡条件;(3)滑体整体满足力矩平衡条件。

条块i在竖直方向上力平衡方程为

Wi+Ti-1=Nicosαi+Sisinαi+Ti

(1)

条块i在水平方向上力平衡方程为

Ei-1+Nicosαi=Sicosαi+Ei

(2)

式中:Wi为条块i重力;Ni和Si为条块底边法向力和切向力。

Si=(cili+Nitanφi)/Fs

(3)

式中:ci和φi为结构面的粘聚力和摩擦角;li为条块底边长度;Fs为边坡安全系数;αi为条块底边倾角;Ei和Ti为条间力Pi沿条块界面法向和竖向的分量。

令条间力Pi和Pi-1的合力ΔPi与水平方向的倾角为Θi:

tanΘi=(Ti-Ti-1)/(Ei-Ei-1)

(4)

根据Spencer法条间力假设可得:

Ti=tanΘEi

(5)

联立上式可得:

(6)

基于滑体整体力矩平衡可得边坡安全系数:

(7)

式中:xni和yni为条块底边法向力和切向力的作用横纵坐标;xci为条块重力作用横坐标。

基于滑体力平衡可得边坡安全系数:

(8)

边坡安全系数求解时,在同一图中绘制Fsm～Θ和Fsf～Θ曲线,两条曲线的交点就是同时满足力和力矩平衡的边坡安全系数严格解及条间力倾角。

3 滑剪破坏影响参数分析

顺层岩质边坡滑剪破坏包含陡倾和缓倾两段滑动面,从地质模型中可以清晰看出其稳定性主要受滑体厚度、边坡高度、陡倾和缓倾结构面倾角及强度参数影响。本节将对这些主要影响参数开展系统性的边坡稳定性影响规律研究。

3.1 基本模型和计算参数

顺层岩质边坡滑剪破坏基本模型见图2。边坡高度60 m,陡倾结构面倾角60°,缓倾结构面倾角20°。模型中岩体基本质量级别为IV级,结构面类别为2～3级,计算参数依据工程岩体分级标准(GB/T 50218-2014)[23]并参考相似工程[2]进行取值。基本计算参数见表1。

图4 不同h条件下,D和Fs的关系(虚线圆圈表示最小值)

3.2 滑体厚度影响

在边坡基本模型基础上,保证其他参数不变,取边坡高度(h)为30 m、60 m和90 m,分析滑体厚度(D)在5～25 m范围内对边坡安全系数(Fs)的影响,计算结果如图4所示。

从图4可以看出,边坡安全系数在不同h条件下随滑体厚度增加而先减小后增加,存在一个最小安全系数对应的最危险滑体厚度Dcr,且该最危险滑体厚度Dcr与边坡高度h呈正相关关系,Dcr与h的比值均小于1/3,与Sun等[7]研究结果一致。

此外,也可明显看出边坡越高其安全系数越小,故在施工设计时可采用多台阶开挖法,减小单台阶边坡高度[24-25]。

3.3 结构面倾角影响

在边坡基本模型基础上,保证其他参数不变,分析陡倾结构面倾角(θ1)在40°～70°范围内对边坡安全系数(Fs)及最危险滑体厚度(Dcr)的影响,计算所得Fs和Dcr如图5所示。

图5 不同θ1条件下,Fs和Dcr的变化

图6 不同θ2条件下,Fs和Dcr的变化

从图5可以看出,边坡安全系数随陡倾结构面倾角增加呈显著降低趋势。这是因为陡倾结构面越陡,滑体下滑力越大,边坡稳定性就越低,安全系数也越小[26]。此外,边坡最危险滑体厚度亦随陡倾结构面倾角增加而降低,因此边坡越缓滑体破坏厚度越大,需及时加强边坡安全监测与评估。

保证其他参数不变,分析缓倾结构面倾角(θ2)在10°～30°范围内对边坡安全系数(Fs)及最危险滑体厚度(Dcr)的影响,计算所得Fs和Dcr见图6。

从图6可以看出,边坡安全系数随缓倾结构面倾角增加呈降低趋势。这是因为缓倾结构面越陡,滑体阻滑力越小,边坡稳定性就越低,安全系数也越小。此外,边坡最危险滑体厚度随缓倾结构面倾角增加略微呈增加趋势。

3.4 结构面强度影响

在边坡基本模型基础上,保证其他参数不变,分别取陡倾结构面粘聚力(c1)和摩擦角(φ1)为(0.10 MPa、24°),(0.12 MPa、29°),(0.14 MPa、31°),(0.16 MPa、33°),分析陡倾结构面强度(c1,φ1)对边坡安全系数(Fs)及最危险滑体厚度(Dcr)的影响,计算所得Fs和Dcr见图7。

从图7可以看出,边坡安全系数随陡倾结构面强度增加而增加,边坡最危险滑体厚度也随陡倾结构面强度增加而增加。这是因为陡倾结构面强度对岩层起着胶结作用,可以增加滑体的厚高比值,使得滑剪破坏趋于深层破坏,破坏范围增大。

保证其他参数不变,取缓倾结构面粘聚力(c2)和摩擦角(φ2)为(0.12 MPa、22°),(0.16 MPa、24°),(0.18 MPa、26°),(0.20 MPa、27°),(0.25 MPa、28°),分析缓倾结构面强度(c2,φ2)对边坡安全系数(Fs)及最危险滑体厚度(Dcr)的影响,计算所得Fs和Dcr见图8。

从图8可以看出,边坡安全系数随缓倾结构面强度增加而增加,但是边坡最危险滑体厚度随陡倾结构面强度增加而减小。这是因为缓倾结构面强度对滑体起阻滑作用,强度越大则滑动面越不易往深部延伸,破坏范围略微缩小。

图7 不同θ1条件下,c1,φ1对D和Fs的影响

图8 不同θ1条件下,c2,φ2对D和Fs的影响

4 结论

首先基于房屋建筑、高速公路和露天矿山等相似工程边坡案例概化了顺层岩质边坡双平面滑剪破坏地质模型,总结了该类破坏的主要影响因素,其次建立了滑剪破坏力学模型并引入了严格极限平衡分析方法,系统性地研究了顺层岩质边坡滑剪破坏在不同滑体厚度、边坡高度、陡倾和缓倾结构面倾角及强度参数影响下的边坡安全系数和最危险滑体厚度变化规律,结论如下:

(1)顺层岩质边坡滑剪破坏在不同结构面几何及强度参数变化下,边坡安全系数均随滑体厚度增加呈现先减小后增加的特征,存在一个最小安全系数对应的最危险滑体厚度。

(2)顺层岩质边坡安全系数均随陡倾和缓倾结构面倾角增加而减小;滑剪破坏最危险滑体厚度受陡倾结构面倾角影响显著,随其增加而减小,但受缓倾结构面倾角影响较小。

(3)顺层岩质边坡安全系数均随陡倾和缓倾结构面强度增加而增加;滑剪破坏最危险滑体厚度随陡倾结构面强度增加而增加,随缓倾结构面强度增加而减小。