人工開挖崩塌堆積體斜坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及發(fā)展趨勢(shì)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(fù)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(zāi)害較發(fā)育。鳳凰縣某項(xiàng)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(shè)中，斜坡前緣開挖坡比1:1.5，開挖高度26.9m，長(zhǎng)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(zhǎng)斷面及超高開挖，易在邊坡坡面及坡頂附近形成張應(yīng)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(yīng)力作用下，原有塊體的節(jié)理裂隙進(jìn)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(dá)到近飽水或過飽水狀態(tài)。因此，對(duì)斜坡的穩(wěn)定性及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析可以有效為支擋設(shè)計(jì)及工程建設(shè)提供參考。1.工程實(shí)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(chǎng)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(biāo)高約450m，南邊界地形標(biāo)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(biāo)高約332.7m，場(chǎng)地北部由北西向南東傾斜，地形坡度約35°，場(chǎng)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(chǎng)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(xì)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(yīng)力作用主要表現(xiàn)為由南東向北西推進(jìn)的擠壓應(yīng)力，地殼構(gòu)造呈間歇性抬升；在擠壓應(yīng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)區(qū)在南東—北西向構(gòu)造應(yīng)力作用下形成了多組節(jié)理，從場(chǎng)地內(nèi)及場(chǎng)地紅旗路東側(cè)節(jié)理裂隙統(tǒng)計(jì)分析，場(chǎng)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(yīng)力上的差異，場(chǎng)地內(nèi)為構(gòu)造應(yīng)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(chǎng)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(bǔ)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(chǎng)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(jí)平臺(tái)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(fēng)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(zhǎng)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(chǎng)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(shì)；在縱向剖面上，且在一級(jí)平臺(tái)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(tái)階式的折線；探井、探槽揭露及物探反應(yīng)，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(xì)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(qiáng)度及韌性中等，稍有光澤，無搖振反應(yīng)，廣泛分布于場(chǎng)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(xì)砂巖塊體大小不一，大者長(zhǎng)軸可達(dá)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(fēng)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(xué)指標(biāo)根據(jù)勘察結(jié)果，場(chǎng)地分布的混合土主要由碎石土和細(xì)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(yàn)及室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，混合土重度取值見表1。表1混合土重度計(jì)算表根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)帶，因此本報(bào)告混合土抗剪強(qiáng)度參數(shù)c、φ值按試驗(yàn)值、反演值[2]、土石比及地區(qū)經(jīng)驗(yàn)綜合取值。天然狀態(tài)下抗剪強(qiáng)度參數(shù)反演值C=13.28kPa，φ=21.0°，其對(duì)試驗(yàn)值所占的權(quán)重分別為：80%、20%。飽和狀態(tài)下抗剪強(qiáng)度參數(shù)采用反演值。詳見表2。表2混合土抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值表3.崩塌堆積體穩(wěn)定性分析3.1計(jì)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(chǎng)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(jì)算模型，計(jì)算模型見圖1。圖1剖面2-2’計(jì)算模型3.2Bishop法[3]對(duì)崩塌堆積體穩(wěn)定性分析3.2.1計(jì)算結(jié)果采用自動(dòng)搜索法計(jì)算坡體局部穩(wěn)定性小于穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值分布區(qū)域，有效評(píng)價(jià)在不利工況下坡體局部失穩(wěn)的可能性，并計(jì)算最不利滑面的穩(wěn)定性系數(shù)。各坡面計(jì)算結(jié)果詳見圖2和表3。圖2剖面2-2’局部穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果圖表3斜坡崩塌堆積體局部穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表3.2.2穩(wěn)定性評(píng)價(jià)根據(jù)斜坡崩塌堆積體局部穩(wěn)定性計(jì)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(xiǎn)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(xiǎn)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(jí)臺(tái)地(設(shè)計(jì)地坪標(biāo)高383.8m)東側(cè)邊坡，其次為一級(jí)臺(tái)地(設(shè)計(jì)地坪標(biāo)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(shí)還受崩塌堆積層厚度、切方邊坡坡度及高度等因素控制。計(jì)算結(jié)果表明，邊坡天然工況下處于極限平衡狀態(tài)，計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際變形情況一致。3.3有限元[4]對(duì)崩塌堆積體位移場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)計(jì)算3.3.1計(jì)算方法及理論采用有限元強(qiáng)度折減法對(duì)崩塌堆積體進(jìn)行位移場(chǎng)計(jì)算，是在理想彈塑性有限元計(jì)算中將巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)逐漸降低直到其達(dá)到破壞為止，可自動(dòng)根據(jù)彈塑性計(jì)算結(jié)果得到塑性應(yīng)變和位移突變的地帶，同時(shí)得到斜坡強(qiáng)度儲(chǔ)備安全系數(shù)，抗剪強(qiáng)度參數(shù)折減計(jì)算公式如下：3.3.2計(jì)算結(jié)果及評(píng)價(jià)擇有代表性的2-2’剖面建立有限元計(jì)算模型，初始狀態(tài)采用天然狀態(tài)下的計(jì)算參數(shù)，計(jì)算結(jié)果詳見圖3、圖4和表4。表4有限元法位移場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表圖3強(qiáng)度折減系數(shù)為1.14位移場(chǎng)計(jì)算圖圖4強(qiáng)度折減系數(shù)為1.25位移場(chǎng)計(jì)算圖根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，隨著崩塌堆積層(混合土)抗剪強(qiáng)度逐漸減小，首先一級(jí)臺(tái)地東側(cè)邊坡出現(xiàn)變形，表現(xiàn)為：折減系數(shù)為1.15時(shí)，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(dāng)折減系數(shù)為1.16時(shí)，塑性應(yīng)變和位移突變，形成滑移面，最大位移量達(dá)到0.6m，斜坡一級(jí)臺(tái)地東側(cè)邊坡失穩(wěn)，同時(shí)一級(jí)臺(tái)地西側(cè)邊坡出現(xiàn)位移；當(dāng)折減系數(shù)為1.18時(shí)，最大位移量繼續(xù)增大，但主滑面位置不變；折減系數(shù)達(dá)到1.25時(shí)，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(chǔ)備系數(shù)為1.15，與前述計(jì)算結(jié)果相符。4.崩塌堆積體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及發(fā)展趨勢(shì)通過對(duì)崩塌堆積體穩(wěn)定性和位移場(chǎng)計(jì)算，在兩種計(jì)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(qiáng)。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(jí)臺(tái)地東側(cè)邊坡處于欠