人工開挖崩塌堆積體斜坡穩(wěn)定性評價及發(fā)展趨勢分析

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(qū)內(nèi)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(zhì)災害較發(fā)育。鳳凰縣某項目位于高差100m的斜坡地帶，其物質(zhì)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(tài)下的邊坡未出現(xiàn)變形現(xiàn)象，坡體是穩(wěn)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(fā)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(jié)構(gòu)松散，含有塊石大小不一。在張應力作用下，原有塊體的節(jié)理裂隙進一步發(fā)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(chǎn)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(tài)。因此，對斜坡的穩(wěn)定性及發(fā)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(cè)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(zhì)黏土（Q4el+dl）及堆積體混合土（Q4el+dl），下伏基巖為白堊系下統(tǒng)細粒含灰質(zhì)石英砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖三者呈不等厚互層軟硬相間組合。1.3地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域內(nèi)構(gòu)造應力作用主要表現(xiàn)為由南東向北西推進的擠壓應力，地殼構(gòu)造呈間歇性抬升；在擠壓應力作用下形成了斷裂構(gòu)造（F1、F2），其中F1斷層由南西—北東橫貫場區(qū)北西側(cè)，其上盤上升，地層產(chǎn)狀較陡，產(chǎn)狀D155°∠27°，下盤下降，地層產(chǎn)狀較平緩，產(chǎn)狀D140°∠11°。場地東側(cè)紅旗路開挖揭露F2斷層，也體現(xiàn)上盤地層產(chǎn)狀較陡，下盤產(chǎn)狀平緩的特征。場區(qū)在南東—北西向構(gòu)造應力作用下形成了多組節(jié)理，從場地內(nèi)及場地紅旗路東側(cè)節(jié)理裂隙統(tǒng)計分析，場地內(nèi)與東側(cè)節(jié)理裂隙發(fā)育的組數(shù)及產(chǎn)狀存在一定的差異，體現(xiàn)了構(gòu)造應力上的差異，場地內(nèi)為構(gòu)造應力較集中的區(qū)域，巖體在陡傾或近垂直相交的節(jié)理裂隙作用下，巖體被切割成塊體狀結(jié)構(gòu)。1.4水文地質(zhì)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(jié)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(jié)性泉水。2.崩塌堆積體工程地質(zhì)特征2.1崩塌堆積體平面分布特征根據(jù)勘探工程及工程地質(zhì)調(diào)繪表明，場區(qū)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(cè)沿地形陡坡延伸，至北西側(cè)與斷層F1相交，北西側(cè)以斷層F1為界，前緣位于斜坡一級平臺斜坡坡腳處，現(xiàn)已開挖坡腳，且斜坡處分布較多的，產(chǎn)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(jié)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(jié)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(cè)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(xiàn)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(zhì)組成崩滑堆積體物質(zhì)由含碎石粉質(zhì)粘土、泥質(zhì)粉砂巖塊石、細砂巖塊石組成。粉質(zhì)粘土呈褐黃色、紅褐色，稍濕，硬塑-可塑狀態(tài)，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(nèi)，前期勘察孔均有揭露，粉質(zhì)粘土及碎塊石物質(zhì)結(jié)構(gòu)較松散；泥質(zhì)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(tài)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(guī)則，大面積分布。2.4崩塌堆積體物理力學指標根據(jù)勘察結(jié)果，場地分布的混合土主要由碎石土和細砂巖塊石、泥質(zhì)粉砂巖塊石組成，所占比重為5:3:2，依據(jù)大重度試驗及室內(nèi)試驗結(jié)果，混合土重度取值見表1。表1混合土重度計算表根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，斜坡前緣邊坡主要受大氣降水和坡腳開挖的影響發(fā)生滑移，未形成滑動帶，因此本報告混合土抗剪強度參數(shù)c、φ值按試驗值、反演值[2]、土石比及地區(qū)經(jīng)驗綜合取值。天然狀態(tài)下抗剪強度參數(shù)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(tài)下抗剪強度參數(shù)采用反演值。詳見表2。表2混合土抗剪強度參數(shù)取值表3.崩塌堆積體穩(wěn)定性分析3.1計算模型為系統(tǒng)模擬分析崩塌堆積體的穩(wěn)定性狀況，根據(jù)場地環(huán)境條件及巖土層分布特征，選擇代表性工程地質(zhì)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3.2Bishop法[3]對崩塌堆積體穩(wěn)定性分析3.2.1計算結(jié)果采用自動搜索法計算坡體局部穩(wěn)定性小于穩(wěn)定性評價標準規(guī)定值分布區(qū)域，有效評價在不利工況下坡體局部失穩(wěn)的可能性，并計算最不利滑面的穩(wěn)定性系數(shù)。各坡面計算結(jié)果詳見圖2和表3。圖2剖面2-2’局部穩(wěn)定性計算結(jié)果圖表3斜坡崩塌堆積體局部穩(wěn)定系數(shù)計算結(jié)果統(tǒng)計表3.2.2穩(wěn)定性評價根據(jù)斜坡崩塌堆積體局部穩(wěn)定性計算結(jié)果，天然工況下，坡體處于欠穩(wěn)定—穩(wěn)定狀態(tài)，最危險滑面穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.007～1.384，飽和工況下，坡體處于基本穩(wěn)定—不穩(wěn)定狀態(tài)，最危險滑面穩(wěn)定系數(shù)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(cè)邊坡，其次為一級臺地(設計地坪標高383.8m)西側(cè)邊坡。斜坡崩塌堆積體穩(wěn)定性表現(xiàn)為中部向兩側(cè)逐步趨向于穩(wěn)定。持續(xù)降雨或暴雨是影響坡體穩(wěn)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(jié)果表明，邊坡天然工況下處于極限平衡狀態(tài)，計算結(jié)果與現(xiàn)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(shù)逐漸降低直到其達到破壞為止，可自動根據(jù)彈塑性計算結(jié)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(shù)，抗剪強度參數(shù)折減計算公式如下：3.3.2計算結(jié)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(tài)采用天然狀態(tài)下的計算參數(shù)，計算結(jié)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(jié)果統(tǒng)計表圖3強度折減系數(shù)為1.14位移場計算圖圖4強度折減系數(shù)為1.25位移場計算圖根據(jù)有限元計算結(jié)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(cè)邊坡出現(xiàn)變形，表現(xiàn)為：折減系數(shù)為1.15時，最大位移量為0.074m，坡體出現(xiàn)塑性變形區(qū)，呈臨界穩(wěn)定狀態(tài)；當折減系數(shù)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(cè)邊坡失穩(wěn)，同時一級臺地西側(cè)邊坡出現(xiàn)位移；當折減系數(shù)為1.18時，最大位移量繼續(xù)增大，但主滑面位置不變；折減系數(shù)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(xù)降雨或暴雨及自重加大的影響面，后緣坡體發(fā)生滑移。綜上，剖面2-2’坡體穩(wěn)定性安全儲備系數(shù)為1.15，與前述計算結(jié)果相符。4.崩塌堆積體穩(wěn)定性評價及發(fā)展趨勢通過對崩塌堆積體穩(wěn)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(wěn)定—穩(wěn)定狀態(tài)，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(cè)坡體穩(wěn)定性增強。坡體穩(wěn)定性主要表現(xiàn)為局部變形的特征，在天然工況下，一級臺地東側(cè)邊坡處于欠