蔡益丰,李志宽,沈朱斌

(浙江工业大学 土木工程学院 杭州市 310014)

0 引言

人类工程活动是最常见影响边坡稳定性的因素之一,因边坡工程的不确定性和复杂性,导致边坡稳定性难以准确把握,一直是工程界关注的热点问题。

因极限平衡法计算简单,物理意义明确,近些年来使用较多。韦楼等[1]运用BISHOP和JANBU极限平衡法结合某实际工程,分析高边坡加固前后两种方法的不同结果,通过对比,BISHOP法得到的安全系数要比JANBU法得到的高;董利军[2]采用基于M-C准则的简化BISHOP法对某公路大桥的两个边坡进行了三种工况(天然工况、饱水工况和饱水加地震工况)的稳定性分析,为边坡的支护设计提供了合理的依据和参考;马欢等[3]采用Geo-Studio软件中的极限平衡法分析了库水位变化、降雨及其共同作用等工况下边坡稳定性变化规律。王康三等[4]运用SLIDE软件并分别采用BISHOP法、JANBU法、FELLENIUS法以及SPENCER法对云南某输水隧洞洞口边坡在正常、暴雨、地震工况下进行稳定性分析。

SLIDE软件自带极限平衡法,能够快速地进行动态分析模拟,蕴含工程设计的实用性强。因此,文章将运用SLIDE软件对四川某工程隧洞口边坡进行稳定性分析。

1 工程背景

研究区位于四川盆地东南部川东平行岭谷中的璧山向斜槽谷内,为丘陵地貌,区内地形以侵蚀剥蚀地形为主,长江边为堆积地形。出水塔处为斜坡地形,地面高程250.0～301.0m,地形坡度25°～35°。隧洞口边坡设计采用放坡明挖,共设置5级马道,马道高程分别为293m、281m、269m、257m、248.4m,高程257m,初级马道宽8m,其余马道宽2m。边坡开挖坡比1∶1。

隧洞口基面高程240.0m,隧洞口及出水塔开挖将形成54～60m的高边坡,为岩质边坡,局部边坡残留覆盖层,为崩坡积的粉质粘土夹碎块石,厚约2～2.6m,土质边坡稳定性较差。基岩为侏罗系遂宁组紫红色、砖红色泥岩、泥质粉砂岩夹薄层粉砂岩、砂岩,强风化层厚约1.5～3.0m,以下岩石弱风化,岩层近水平,地下水位埋深一般9.8～19.2m,岩质边坡稳定性较好。但泥岩、泥质粉砂岩存在抗风化能力弱,具有易失水干裂、遇水软化的特点,影响边坡稳定性。因此,隧洞口边坡开挖存在边坡稳定问题。

2 参数确定

研究区露出地层主要为侏罗系上统遂宁组及第四系岩性,具体如下:

(1)崩坡积

为褐红色碎块石土、粉质粘土夹碎石,碎块石粒径多2～15cm,含量约30%～60%,厚度一般13m,局部可达4～5m,主要分布于山丘坡脚。

(2)Ⅱ级阶地

Ⅱ级阶地为基座阶地,主要为卵砾石夹土中密～密实,卵石粒径多2～10cm,少量直径约15cm,含量约60%,厚度一般5～16m,局部可达22.1m。主要分布于出水隧洞边坡。

计算所需的地层参数综合室内试验、现场标准贯入试验结果并结合国家相关规范参数确定。已知天然含水率和饱和含水率,根据含水率的变化,按照刘明扬等[5]推导的公式确定得到降雨后的c、φ值。具体边坡物理力学参数见表1。

表1 边坡岩土体物理力学参数

3 模型选择

3.1 SLIDE建模及分析方法

该边坡由抗风化能力弱的泥岩、泥质粉砂岩组成,具有易失水干裂、遇水软化的特点,隧洞口边坡开挖存在稳定问题。选取该边坡的地质剖面,利用SLIDE软件建立二维模型。

第1层为强风化砂岩,厚度为2～5m;第2层为弱风化泥质粉砂岩,厚度为3～7.5m;第3层为弱风化砂岩,厚度为9～12m;第4层为微风化砂岩,厚度为11m左右;第5层为微风化以及弱风化泥岩和砂岩的互层,岩质较好且泥岩占比较大,c、φ值采用泥岩数值计算。

SLIDE软件对边坡安全系数的计算已经比较成熟,采用mohr-coulomb强度准则,计算方式为极限平衡理论。

力矩平衡:

(1)

力平衡:

(2)

式中:c′为有效粘聚力;φ′为有效内摩擦角;μ为孔隙水压力;N为基底法向应力;D为线荷载;β,R,ω为几何参数;α为基底倾角。

对比天然和降雨状态下边坡稳定性变化,分析得出更合理更经济的坡率。

降雨对边坡力学参数的弱化规律参考刘明扬等[5]推导的公式:

c=c0x-0.089(x2-5.93x+12.56)

(3)

(4)

3.2 计算模型

3.2.1初步设计下的计算模型

计算滑动面呈圆弧形,采用简化BISHOP法对模型计算分析,并利用JANBU修正法以及SPENCER法进行比较。按照初步设计开挖的要求,运算结果得到天然状态下安全系数见图1。

图1 初设计天然状态下计算结果

此边坡天然状态下安全系数最小值由JANBU修正法得到为1.004,且安全系数小于2的面主要集中在坡顶。边坡整体处于基本稳定状态,无滑坡危险。

降雨饱和状态下的边坡安全系数见图2。

图2 初设计饱和状态下计算结果

由计算结果可知,安全系数最小值由JANBU修正法得到为0.918,强风化砂岩层以及弱风化泥质粉砂岩层将发生滑移,长约15m、高约7m的坡体可能发生滑动,将严重影响施工人员的安全以及施工进展。随着雨水入渗,各岩层达到饱和状态,粘聚力下降,边坡稳定性下降,导致滑坡。上部岩土体存在滑移危险,下部岩土体较稳定,可放缓上部开挖比例,加大下部开挖比例,通过优化开挖比例减小开挖方量,同时提高边坡的稳定性。

3.2.2优化坡率后的计算模型

根据现场岩石试验成果,坡率建议值见表2。

表2 岩(土)体开挖坡比建议值

根据表2的要求,取强风化砂岩层开挖坡比为1∶2,弱风化泥质粉砂岩层开挖坡比为1∶1.25,弱风化砂岩层为1:0.8。优化坡率后的剖面图见图3。

注:1.岩性边界线,弱风化上限;2.岩性边界线,微风化下限;3.粉质粘土夹碎石;4.海拔标注;5.水位线;6.初设计边坡开挖线;7.优化后边坡开挖线。图3 优化后边坡剖面图对比

重新建立模型后进行计算,得到降雨饱和状态下的边坡稳定性见图4。

图4 优化后边坡降雨饱和状态下计算结果

计算得到边坡最小的安全系数为1.137,边坡在降雨饱和状态下开挖也将处于稳定状态,且优化后的边坡稳定性高于优化前天然状态下的边坡稳定性。

4 结果分析

4.1 极限平衡计算分析

隧洞口开挖后,将在仰坡形成高约54～60m的高边坡,为岩质边坡,水平层状坡,局部边坡残留覆盖层,为崩坡积的粉质粘土夹碎块石,厚约0.6～2.6m,土质边坡稳定性较差,降雨后发生灾害概率极大。基岩为侏罗系遂宁组砂岩、粉细砂岩夹泥岩、泥质粉砂岩,强风化层厚约1.5～3m,以下岩石弱风化。极限平衡分析方法计算结果见表3。

表3 极限平衡分析方法计算结果统计

使用极限平衡分析方法对开挖边坡进行稳定性分析,对比三种工况对应的稳定性数据,在强降雨作用下,从天然状态转化为饱和状态,结合非饱和抗剪

强度理论得到基质吸力的降低直接导致材料抗剪强度的降低;降雨入渗导致岩土体内部含水量增加,坡体吸水造成重量增加,间接促进滑体向下发生滑动;边坡各层岩土体的力学参数受粒径分布、孔隙比、颗粒几何形态及含水量等各种因素影响,含水量的增加促使颗粒内部发生滑动和错动,导致黏聚力和内摩擦角的降低和减小,使得在坡率为1:1的开挖过程中上部岩土体发生滑移,导致边坡失稳。

4.2 边坡治理建议

根据图5分析得知,仰坡为水平层状岩质边坡,层面外倾不利于边坡稳定;两组结构面裂隙L1、裂隙L2内倾,对边坡稳定有利;裂隙L1与裂隙L2的交线、岩层面与裂隙L2的交线倾向与坡面相反,对边坡稳定有利;但岩层面与裂隙L1、岩层面与裂隙L2的交线倾向坡外,倾角分别为3°、2°裂隙组合线切割边坡,形成外倾楔形体但由于交线倾角较小,总体稳定性较好,与计算分析结果相吻合。要素统计结果见表4、表5。

图5 隧洞口仰坡边坡赤平投影图

表4 隧洞口边坡产状要素统计表

表5 隧洞口边坡结构面间的交线产状要素

边坡现状稳定性较好,边坡开挖时应清除边坡周边零星分布的崩坡积土层,岩质边坡总体稳定性较好,坡面局部偶有掉块,建议开挖后及时加强支护。泥岩、泥质粉砂岩存在抗风化能力弱,影响边坡稳定性,建议放缓上部岩土体坡率,并加大下部岩土体的坡率,并做好边坡稳定监测工作。

研究岩层面与裂隙L1、岩层面与裂隙L2的交线倾向坡外,倾角分别为3°、2°裂隙组合线切割边坡,形成外倾楔形体,由于交线倾角较小,总体稳定性较好,偶有小楔形体局部掉块,建议加强防护。

5 结论

SLIDE软件使用的极限平衡理论能够较直观地显示边坡稳定性系数及对应的危险滑动面,通过比对分析简化BISHOP法、JANBU修正法、SPENCER计算结果,得到准确的边坡安全系数。

(1)边坡在相同工况下,对比三种分析方法,验证了JANBU修正法得到的稳定性系数是最小的。

(2)在饱和工况下,边坡潜在灾害区在雨水入渗岩土体吸水饱和,土体物理力学性质降低,诱发滑移,边坡发生失稳的可能性极大,建议优化边坡放坡开挖比例。

(3)治理后,边坡稳定性系数有了显著提升,也增加了开挖的经济效益。