某建筑场地高切坡破坏模式及支护建议

张少锋, 胡　义, 刘　彬, 白咸勇

(1.长江岩土工程总公司(武汉),湖北 武汉　430010； 2.国务院 南水北调工程建设委员会办公室 建管司，北京　100038)

0　引言

鄂西北地区广泛分布中元古界武当群地层,岩性主要有石英云母片岩、云母片岩及石英绢云母片岩等[1]。本文以丹江口市某居民集中建房场地开挖人工边坡治理工程为例,对影响片岩构成高切坡的变形破坏因素、形成机理及可能的破坏模式进行了初步分析和评价,并对高切坡的稳定性进行了计算和论证,提出了工程处理建议。

1　工程概况

该工程高切坡位于丹江口市丹郧公路附近,距离丹江口市市区约5 km。场地规划建设居民楼房9栋。场地平整后形成最高约25 m的高切坡,根据《建筑边坡工程技术规范》GB 50330—2002,该高切坡安全等级为二级。 2011年6月雨季坡面多处发生变形,高切坡失稳将直接威胁到场地新建居民房屋的安全[2]。随后,对该高切坡进行了详细勘察和应急治理,目前该高切坡运行良好。

2　高切坡地质特征

2.1　形态特征

场地开挖后形成的工程高切坡,整体近似呈“L”型,规划居民建房沿高切坡布置。根据高切坡的走向、坡面形态等,将该建筑场地高切坡分为北侧和南侧两段。

(1)北侧高切坡,平面形态上较顺直,全长约82 m,高切坡走向235°,坡面倾NW,坡脚高程175 m左右,坡眉高程约为190～195 m,坡高约15～20 m,于高程185.5 m左右预留宽约2 m的马道,将边坡分为上、下两级,上级边坡开挖坡角约45°,下级边坡开挖坡角约42°。坡面186 m高程以上岩体多呈强风化状,以下呈弱风化状,表层全风化片岩开挖过程中多被剥离,岩层产状为20°∠65°,为斜交顺向坡、岩质边坡。

(2)南侧高切坡,全长约92 m,高切坡平面走向略有变化,走向143°～150°,坡脚高程约176 m,坡眉高程约190～201 m,坡高14～25 m,于高程185 m左右预留宽约2 m马道,将边坡分为上、下两级,上级边坡开挖坡角约45°,下级边坡开挖坡角约50°。构成切坡的岩体多呈弱风化状,坡顶向下厚约10 m为强风化片岩,该段岩层产状24°∠68°,为斜交逆向坡、岩质边坡。2011年6月雨季该段坡面多处发生变形,局部发生滑移破坏。

2.2　物质组成

组成高切坡的物质成分主要为下元古界武当群(Pt2wd)片岩及少量第四系松散堆积物。

(1)基岩。下元古界武当群(Pt2wd)片岩为浅变质岩系,灰、灰黄色,具鳞片变晶体结构，片状构造。主要矿物成分为云母、石英、长石,次为石榴子石、角闪石和绿泥石等。

(2)第四系松散堆积物零星分布于高切坡顶部,主要有以下成因类型和岩性特征:

①残坡积(Qel-dl):碎石土夹块石,碎块石含量30%～60%,结构松散,碎石成分主要为全强风化片岩,土为黄褐色、黄色粉质粘土;

2.3　地质构造特征

构成高切坡的基岩为武当群(Pt2wd)片岩,片理面走向290°～294°,倾向NNE,倾角65°～68°。

高切坡坡面及周围未见大的断裂发育,仅于北侧高切坡坡体发育断层一条,倾向40°～55°,倾角43°～60°,断层面起伏,粗糙,断层带宽20～35 cm,由红、红褐色碎裂岩构成,完整性差,手捏可碎。

据高切坡坡面裂隙统计,构成高切坡的岩体裂隙较发育,主要发育以下两组(图1):

图1　高切坡岩体裂隙走向玫瑰图

(1)走向0°～30°,倾向NWW为主、少量倾SEE,倾角60°～86°,裂隙面较平直,延伸长一般0.5～2.0 m,少量长度>3 m,平均发育线密度3～8条/m,该组裂隙占统计裂隙总数的32.5%。

(2)走向285°～320°,倾向NE或SW,倾角45°～81°,面平直、光滑或粗糙,延伸长度一般1～2.5 m,少量长度>5 m,平均发育线密度5～10条/m,该组裂隙占统计裂隙总数的27.7%。

其余裂隙多短小,密集发育,裂隙面光滑,附着铁锰质薄膜或卸荷张开无充填。

2.4　岩体风化特征

据现场调查及钻孔揭露,构成高切坡的强风化岩体大多为片状,岩性和力学性质较为均匀,岩芯采取率在30%～60%之间,RQD=0～25,属极软岩—软岩,片理发育,岩体破碎,裂隙面附着铁锰质薄膜或浸染,岩体基本质量等级为Ⅴ类,该层厚度约7.5～13.0 m;弱风化岩体完整性较好,岩芯采取率在55%～85%之间,RQD=20～50,属软岩,片理发育,岩体较破碎,断面新鲜或附着少量铁锰质浸染,岩体基本质量等级为Ⅳ-Ⅴ类,钻探及边坡开挖未揭穿该层,厚度>8 m。岩体风化特征见表1。

2.5　水文地质条件

工程区水文地质条件简单,西北侧紧邻丹江口水库,区内地表排水条件较好,地表水主要来源于大气降水,降水以坡面流的形式排入两侧冲沟后汇入水库。地下水类型以第四系松散介质孔隙水及基岩裂隙水为主,片岩含水性差,透水性微弱。同时由于该区域片岩节理裂隙较发育,使得雨水较易入渗、聚集和留存于高切坡坡体中。在水的作用下,片岩的强度特别是抗剪强度显著被弱化。

表1　岩体风化特征一览表

3　高切坡破坏模式

据现场地质调查及分析判断,该高切坡破坏模式主要有楔形体破坏及滑移变形破坏两种。下面分别进行简要论述。

3.1　楔形体破坏

如前所述,构成高切坡的岩体裂隙密集发育,主要发育NNE、NW向两组,线密度3 ～10条/m,岩层产状20°～24°∠65°～68°,与开挖坡面组合切割多形成块径10～30 cm的不稳定楔形体。采用赤平极射投影法分别对北侧及南侧高切坡不利结构面进行分析(图2、图3)。

由图2可以看出:北侧高切坡坡面走向235°,坡角45°,优势裂隙面2、片理面3同优势裂隙面1及坡面组合后能够形成不稳定楔形体,考虑到结构面间距较小,形成的不稳定楔形体规模均不大,楔形体块径较小;由图3可以看出:优势结构面1、2及片理面3交线与坡面倾向相对,构不成不利结构体,不会发生楔形体破坏。

图2　北侧高切坡结构面赤平投影

图3　南侧高切坡结构面赤平投影

3.2　滑移变形破坏

构成高切坡的岩体为强风化—弱风化片岩,属于软岩—极软岩,受雨水浸泡、软化后,强度急剧降低。南侧高切坡在2011年雨季已经发生坡体变形(照片1),坡面出现多条剪切裂缝,裂缝一般宽2～5 cm,局部张开宽度达20 cm左右,无充填。剪切裂缝剪出坡面最高达40 cm左右,该段高切坡坡面变形面积约1 000 m2。滑移变形前缘最低点高程约为178 m,后缘高程约为201.5 m,推测主滑移方向约为156°,与高切坡坡面走向夹角80°左右,最大滑移变形厚度约7 m,属于中层滑坡[3]。

照片1　南侧高切坡沿片理面向坡外变形照片

南、北侧两段高切坡的构成岩体相同,开挖后北侧高切坡整体稳定性没有发生改变,而南侧高切坡发生了明显的变形破坏。分析其原因,主要由大气降雨入渗后,排泄不畅造成的。北侧高切坡为斜交顺向坡,主要结构面也都倾向坡外(如图2),利于下渗雨水及时排出坡面,而南侧高切坡为逆向坡,主要结构面倾向坡内(如图3),同时由于片岩透水性微弱,不利于下渗雨水排泄,受雨水长期浸泡后,结构面抗剪强度急剧降低,发生剪切滑移破坏。从排水条件来看,在同样由片岩构成的高切坡中,横向高切坡的稳定性优于逆向高切坡。

4　高切坡稳定性分析

4.1　宏观分析判断

(1)北侧高切坡坡高15～20 m,分两级开挖,上级边坡开挖较缓,下级边坡开挖略陡,坡体由强—弱风化片岩构成,该段高切坡为斜交顺向坡。构成高切坡的岩体各种结构面多倾向坡外,下渗雨水排泄顺畅,岩体受多组不利结构面组合切割,可形成不稳定楔形体破坏,但该段高切坡整体基本稳定。

(2)南侧高切坡坡高14～25 m,分两级开挖,上级边坡开挖坡角约45°,下级边坡开挖坡角约50°。构成高切坡的岩体以弱风化为主,坡顶向下厚约10 m为强风化片岩,该段高切坡为斜交逆向坡。构成高切坡的岩体各种结构面多倾向坡内,坡体表面未进行封闭,雨水较易入渗、汇集,留存于坡体内,岩体受浸泡软化后,抗剪强度将急剧下降,边坡在强降雨条件下易发生滑移变形破坏。边坡整体稳定性差。

4.2　稳定性计算

4.2.1参数确定

因南侧高切坡在强降雨条件下已经发生滑移变形破坏,进行反演分析变形体部分的计算参数,重度按照饱和状态强风化片岩计算,反演稳定系数取0.989,得到的变形体内摩擦角15°,粘聚力24 kPa。根据取样室内试验成果,结合现场岩体实际情况,综合给出高切坡岩土体物理力学参数建议值(表2)。

表2　高切坡岩土体物理力学参数建议值

4.2.2整体稳定性计算

根据高切坡的岩土物理力学特性,《建筑边坡工程技术规范》5.2.2规定,采用圆弧滑动法计算。计算的基本表达式为:

式中:Wi为垂直荷载,包括土条自重和其上部的建筑荷载。其中,自重可将其分为两部分,地下水位以上用湿容重计算,设为Wi1;地下水位以下用饱和容重计算,设为Wi2。其它垂直荷载,设为Pi。假设自重的作用线通过条块宽度的中心线。ui为剪切面上的孔隙水压力的合力,与剪切面正交。c′、φ′为剪切面抗剪强度(有效应力指标)。αi为土条地面倾角。

计算简图见图4。

图4　圆弧稳定性计算简图

稳定性计算采用2个计算工况:天然工况和饱水工况。南北两侧切坡整体稳定性计算结果如表3。

表3　高切坡稳定性计算结果表

由表3可知,在天然工况下南、北两侧高切坡整体处于稳定状态,饱和工况下北侧高切坡处于基本稳定状态,南侧高切坡处于不稳定状态(失稳状态)。2011年6月雨季南侧高切坡发生变形破坏,也基本验证了计算结果。

5　高切坡支护处理

高切坡支护处理方案应根据高切坡变形破坏模式、机理,充分分析影响高切坡稳定的因素进行综合制定。该高切坡坡顶8～10 m厚度范围多为强风化岩层,结构松散,完整性差,目前开挖坡角过陡,可考虑进行适当削坡处理。建议强风化片岩开挖坡比≤1∶1.5,弱风化片岩开挖坡比≤1∶1;经稳定性计算及破坏模式分析可知,该高切坡的稳定性受大气降水影响明显,因此应加强坡面排水及坡顶大气降水的疏导、引排工作,避免雨季大量雨水入渗坡体;考虑到构成该高切坡的岩体为武当群片岩,节理裂隙较发育,边坡表面存在楔形体破坏或风化剥落掉块现象,建议对该高切坡坡面进行封闭处理。

6　结论

鄂西北地区武当群片岩分布广泛,对工程建设、特别是对工程高切坡的长期稳定具有特殊意义。本文以某建筑工程场地人工高切坡为例,对影响片岩高切坡的变形破坏因素、形成机理及可能的破坏模式进行了初步分析和评价,并对高切坡的稳定性进行了计算和论证,提出了工程处理措施及建议。对类似高切坡的分析论证和支护处理有一定的借鉴意义。

参考文献:

[1]湖北省地质矿产局.湖北省区域地质志[M].北京:地质出版社,1990.

[2]张少锋,胡义,等.丹江口库区丹江口市同心安置点高切坡防护工程地质勘察报告[R].武汉:长江勘测规划设计研究有限责任公司,2011.

[3]常士骠,张苏民,等.工程地质手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2007.