李觀波, 楊 東, 陳建明

(核工業(yè)西南勘察設(shè)計研究院有限公司， 四川成都 610061)

某邊坡失穩(wěn)模式、過程及原因分析

李觀波, 楊 東, 陳建明

(核工業(yè)西南勘察設(shè)計研究院有限公司， 四川成都 610061)

某邊坡為人工開挖而形成的高陡邊坡，邊坡上部為粉質(zhì)黏土組成的土質(zhì)邊坡，下部為順層泥巖夾薄層粉砂巖組成的巖質(zhì)邊坡，在該邊坡治理工程實施過程中西側(cè)邊坡出現(xiàn)了失穩(wěn)破壞，導致部分已完成的治理工程失效，并使得邊坡坡體結(jié)構(gòu)特征、穩(wěn)定性均發(fā)生改變。文章闡述了某中學邊坡的基本特征、結(jié)構(gòu)特征，在此基礎(chǔ)上分析了邊坡可能發(fā)生的失穩(wěn)模式，并通過邊坡失穩(wěn)所表現(xiàn)出的宏觀變形特征，對邊坡失穩(wěn)演變過程及失穩(wěn)原因進行分析。

高陡邊坡； 變形特征； 失穩(wěn)模式； 失穩(wěn)過程； 失穩(wěn)原因

某中學位于四川省廣元市利州區(qū)，受學校擬建操場場平開挖影響，形成最大高約22m的高陡邊坡，邊坡上部為土質(zhì)邊坡，下部為順層巖質(zhì)邊坡。為了確保邊坡的穩(wěn)定，針對上部土質(zhì)邊坡采用“格構(gòu)錨桿”進行支護，下部巖質(zhì)邊坡采用“抗滑樁+樁間擋土板”進行支擋。在邊坡治理工程實施過程中，邊坡西側(cè)出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，對邊坡的施工安全及操場的運營安全造成了嚴重的威脅。本文在調(diào)查邊坡基本特征、結(jié)構(gòu)特征及變形特征的基礎(chǔ)上，對邊坡失穩(wěn)模式、失穩(wěn)過程及失穩(wěn)原因進行了分析，并提出了相關(guān)的思考。

1 邊坡基本特征

該邊坡位于四川省廣元市利州區(qū)東壩水柜村，邊坡所在區(qū)域?qū)儆诘蜕角鹆陞^(qū)，原始地貌為斜坡地貌，斜坡坡頂最大高程為535.6m。受學校操場場平(操場設(shè)計標高為513.7m)和邊坡治理工程施工影響，邊坡區(qū)原始地貌被嚴重破壞，現(xiàn)已形成一個最大高約22m的直立人工挖方邊坡，上部為土質(zhì)邊坡，下部為巖質(zhì)邊坡(其中上部土質(zhì)邊坡采用“格構(gòu)錨桿”進行支護，下部巖質(zhì)邊坡采用“抗滑樁+擋土板”進行支擋)，邊坡長約130m，坡向為220°，如邊坡破壞后果很嚴重，該工程安全等級為一級。

2 邊坡結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及工程地質(zhì)測繪，邊坡開挖區(qū)域出露的地層主要為粉質(zhì)黏土和泥巖，局部夾薄層粉砂巖。其中粉質(zhì)黏土位于邊坡上部，呈可塑-硬塑狀態(tài)，沖洪積成因，厚約2～10m；下部巖質(zhì)邊坡出露地層主要為侏羅系中統(tǒng)泥巖，泥質(zhì)膠結(jié)，薄-中厚層構(gòu)造，局部夾薄層粉砂巖，巖層產(chǎn)狀：200°∠25°，主要發(fā)育2組節(jié)理裂隙：JL1：20°∠42°，JL2：272°∠75°，由于邊坡開挖未及時封閉，巖體風化作用非常強烈，表層巖體多成碎塊狀或片狀(圖1)。

圖1 典型工程地質(zhì)剖面

3 邊坡失穩(wěn)模式分析

邊坡開挖使得坡體的地貌形態(tài)和原始應力狀態(tài)發(fā)生改變，在坡體應力釋放和重分布過程中，綜合外營力作用，邊坡可能會產(chǎn)生不同模式的變形失穩(wěn)破壞。因此，結(jié)合邊坡的基本特征、結(jié)構(gòu)特征對某中學邊坡可能產(chǎn)生的變形失穩(wěn)破壞模式分析。

3.1 土質(zhì)邊坡

根據(jù)邊坡勘查報告，土質(zhì)邊坡由粉質(zhì)黏土構(gòu)成，由于巖土接觸面平緩，土體不會沿基覆界面發(fā)生整體滑動。但由于土體厚度較大，且開挖后未及時進行支護，在經(jīng)歷多次強降雨之后，邊坡發(fā)生變形，變形主要集中在坡口2～3m處，可見明顯張性裂縫，延伸方向大致和坡向垂直，延伸長約5m，裂縫張開約2～5cm。因此，上部土質(zhì)邊坡在暴雨等作用下，可能在土體內(nèi)部發(fā)生較大規(guī)模的圓弧滑動[1]。該邊坡格構(gòu)錨桿支護施工完成之后，邊坡穩(wěn)定性得到提高，邊坡變形得到有效控制，之后未出現(xiàn)新的變形跡象。

3.2 巖質(zhì)邊坡

根據(jù)邊坡勘查報告，巖質(zhì)邊坡為順層泥巖巖質(zhì)邊坡，局部夾薄層粉砂巖。巖層產(chǎn)狀為：200°∠25°，發(fā)育2組節(jié)理裂隙：JL1：20°∠42°，JL2：272°∠75°。根據(jù)邊坡坡面形態(tài)、巖層產(chǎn)狀及節(jié)理裂隙面產(chǎn)狀組合，作赤平投影圖對邊坡變形破壞模式進行分析(圖2)。根據(jù)赤平投影圖分析可知[2]：巖層產(chǎn)狀與邊坡呈小角度相交，巖層面和JL2形成不利組合，組合跡線傾向坡外，因此，邊坡可能沿巖層面發(fā)生整體的平面滑動；且?guī)r體在多組結(jié)構(gòu)面組合切割下形成的楔形體易發(fā)生掉塊、崩落[3]。

圖2 巖質(zhì)邊坡赤平極射投影

從上面分析可知，土質(zhì)邊坡和巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)模式是不同的，土質(zhì)邊坡可能產(chǎn)生的失穩(wěn)模式為土體內(nèi)部的滑動，而巖質(zhì)邊坡可能產(chǎn)生的失穩(wěn)模式為沿巖層面的平面滑動，其失穩(wěn)模式示意圖見圖3。

圖3 邊坡失穩(wěn)破壞模式示意

4 邊坡變形特征

邊坡開挖后，坡體沿著外傾軟弱結(jié)構(gòu)面不斷向臨空面卸荷，在應力釋放過程中，邊坡西側(cè)出現(xiàn)蠕滑拉裂變形并逐漸達到極限平衡狀態(tài)，宏觀表現(xiàn)為2013年8月A1、A3抗滑樁樁頂和鎖口附近出現(xiàn)多條細小的裂紋(圖4)。

隨著時間推移，邊坡變形進一步加劇并向邊坡東側(cè)延伸，宏觀表現(xiàn)為2013年9月A1、A3抗滑樁裂紋發(fā)展成裂縫，抗滑樁與背側(cè)擋土板出現(xiàn)明顯錯位，A2、A4、A5、A6和B1抗滑樁也出現(xiàn)裂縫，裂縫與樁身呈約45°夾角，縫寬1～2cm；抗滑樁之間的坡體沿著泥巖和粉砂巖界面發(fā)生滑動，滑移距離約2cm，形成上、下兩個滑動面，邊坡進入滑移階段，此時邊坡坡頂土質(zhì)邊坡仍未見到明顯的變形跡象。邊坡發(fā)生滑移后，巖土體的物理力學性質(zhì)降低，滑坡推力增大，長期處于疲勞破壞階段的抗滑樁無法抵擋增大的滑坡推力，2013年10月4日凌晨12點左右，邊坡西側(cè)巖、土體沿泥巖與粉砂巖界面發(fā)生顯著滑移，最大滑移距離約15m，將A1、A2、A3、A4、A5、A6和B1等7根抗滑樁剪斷。邊坡西側(cè)滑坡區(qū)平面形態(tài)呈圈椅狀，縱向長約15m，橫向?qū)捈s35m，后緣見明顯滑動下錯后形成的滑坡壁，壁高約5m，滑坡方量約2 500m3。受下部巖質(zhì)邊坡滑移牽引，邊坡西側(cè)上部土體也產(chǎn)生滑移破壞，導致已施工完的格構(gòu)錨桿拉裂垮塌在滑坡左側(cè)(B2抗滑樁附近)形成陡直的臨空面(圖5～圖8)。

圖5 抗滑樁剪切裂紋

圖6 抗滑樁剪切裂縫

圖7 邊坡滑移形成上、下滑面

圖8 滑坡區(qū)照片

5 邊坡失穩(wěn)過程分析

邊坡失穩(wěn)破壞具有一定的空間和時間特征，不同時間階段具有不同的空間變化特征[4]。根據(jù)該邊坡失穩(wěn)所表現(xiàn)出的宏觀變形特征建立地質(zhì)模型，對邊坡失穩(wěn)破壞過程進行分析，邊坡失穩(wěn)破壞可以分為5個階段，其失穩(wěn)破壞演變過程分析如下[5](圖9)。

(a)階段一(卸荷階段)

(c)階段三(滑移拉裂階段)

(d)階段四(變形加劇階段)

(e)階段五(失穩(wěn)破壞階段)圖9 邊坡失穩(wěn)破壞演變過程

(1)卸荷階段：由于抗滑樁未緊貼坡面，邊坡前緣存在臨空面，因此，邊坡開挖后坡體不斷向臨空方向卸荷。

(2)蠕滑拉裂階段：在坡體不斷向臨空面卸荷過程中，坡體結(jié)構(gòu)逐漸松弛，結(jié)構(gòu)面抗剪強度逐步降低，使得坡體沿層面和裂隙面發(fā)生蠕滑拉裂，滑移體后緣出現(xiàn)裂縫。

(3)滑移拉裂階段：后緣裂縫從坡體深部逐漸向上延伸，滑移體向臨空面滑動至抗滑樁背側(cè)，抗滑樁受壓出現(xiàn)剪切裂紋。

(4)變形加劇階段：受抗滑樁阻擋，邊坡變形在一定時間范圍內(nèi)得到控制。但邊坡發(fā)生滑移后，巖土體的物理力學性質(zhì)進一步降低，滑坡推力增大，長期處于疲勞破壞階段的抗滑樁無法抵擋增大的滑坡推力 ，抗滑樁結(jié)構(gòu)進一步被破壞，出現(xiàn)剪切裂縫，樁頂移顯著增大，樁體傾斜，滑坡后緣拉裂縫逐漸向上貫通。

(5)失穩(wěn)破壞階段：抗滑樁完全喪失支擋能力，滑移體脫離邊坡母體，在自重作用下發(fā)生失穩(wěn)破壞，并將抗滑樁剪斷。

6 邊坡失穩(wěn)原因分析

邊坡的失穩(wěn)受內(nèi)部因素和外部因素共同控制，其中內(nèi)部因素主要包括邊坡的地形地貌特征、坡體結(jié)構(gòu)特征、巖土體工程地質(zhì)條件等，而外部因素主要包括人類工程活動、降雨、地震、施工工序及施工質(zhì)量等[6]。因此，從內(nèi)部因素和外部因素對該邊坡失穩(wěn)破壞原因進行綜合分析。

(1)邊坡出露巖層為泥巖夾薄層粉砂巖，巖體工程性質(zhì)較差，具備遇水易軟化，暴露易風化等特征，加之存在軟、硬相間外傾的結(jié)構(gòu)面，為邊坡的失穩(wěn)提供了物質(zhì)條件。

(2)巖質(zhì)巖體可近似看著各向同性的均勻連續(xù)體，內(nèi)部應力處于靜態(tài)平衡，邊坡的開挖打破了這種靜態(tài)平衡，坡體 在應力重分布過程中不斷沿臨空面卸荷，使得坡體結(jié)構(gòu)松弛，物理力學性質(zhì)降低，為邊坡的失穩(wěn)提供了空間條件。

(3)根據(jù)邊坡治理工程設(shè)計要求，在邊坡治理工程實施過程中，應先進行抗滑樁施工，再將邊坡開挖至規(guī)劃操場邊界處。但施工單位未按設(shè)計要求進行施工，在對邊坡進行大面積開挖后，未及時進行支擋加固，使得邊坡治理工程預加固效果不明顯，為邊坡的變形失穩(wěn)進一步提供了時間和空間條件。

7 結(jié)束語

(1)某中學邊坡由上部土質(zhì)邊坡和下部巖質(zhì)邊坡組成，其上部土質(zhì)邊坡的主要破壞模式為土體內(nèi)部的圓弧滑動，下部巖質(zhì)邊坡的主要破壞模式為沿后緣節(jié)理裂隙面和順向巖層面的平面滑動。

(2)根據(jù)邊坡失穩(wěn)破壞所表現(xiàn)的宏觀變形跡象可知，邊坡失穩(wěn)破壞是具有一定的時間和空間特征的，在不同的時間階段所表現(xiàn)出的空間變化特征是不同的。某中學邊坡失穩(wěn)破壞可以以下分為5個階段：卸荷階段→蠕滑拉裂階段→滑移拉裂階段→變形加劇階段→失穩(wěn)破壞階段。

(3)邊坡的失穩(wěn)受內(nèi)部因素和外部因素共同控制，某中學邊坡失穩(wěn)破壞主要受邊坡的結(jié)構(gòu)特征、巖土體的工程地質(zhì)條件和人類工程活動影響。

(4)順層巖質(zhì)邊坡開挖過程中一定要注意邊坡整體穩(wěn)定性問題，特別是巖層傾角在20°左右的邊坡。

(5)巖質(zhì)邊坡更容易沿軟硬相間的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑動，邊坡從變形到破壞過程相對較短，且具一定的突發(fā)性。

(6)邊坡挖方施工組織設(shè)計中一定要明確施工順序和施工注意事項。

[1] 陳祖煜. 土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析——原理、方法、程序[M]. 北京：中國水利水電出版社，2003.

[2] 孫玉科，古迅.赤平極射投影在巖體工程地質(zhì)力學中的應用[M]//工程地質(zhì)學從書.科學出版社, 1980.

[3] 陳祖煜，汪小剛.巖石高邊坡失穩(wěn)機理和分析方法[M].北京：中國水利水電出版社，1999.

[4] 張倬元，王士天，王蘭生.工程地質(zhì)分析原理[M].北京：地質(zhì)出版社，1994.

[5] 黃潤秋.地質(zhì)災害過程模擬和過程控制研究[M].北京：科學出版社，2002.

[6] 包永興.邊坡穩(wěn)定性分析中主要影響因素判別[J].四川水利，1998，19(3)：315-318.

李觀波(1985～)，男，工程師，主要從事巖土工程勘察設(shè)計。

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[定稿日期]2015-07-17