人工岩质高边坡稳定性分析评价

摘要：在低山丘陵地区进行大规模的工程建设中经常会形成人工岩质边坡，而其稳定性分析当前并无定式。本文借助工程实例从边坡勘测入手，在岩体力学参数选取，边坡稳定性分析方法的比较等方面分析研究，综合各种影响因素，建立适合模型进行边坡稳定性综合评价，其经验对类似工程具有借鉴意义。

关键词：人工岩质边坡 安全等级 允许安全系数 稳定分析

引言

某房地产开发项目开发建设工程中，建筑场地爆破施工整平期间形成大面积的人工岩质陡坡，且部分边坡因爆破影响，岩体松动，直接影响拟建建筑物的安全，必须对新形成的岩质边坡稳定性进行分析评价并提出整治措施。

1 边坡范围及安全等级

边坡范围按拟建建筑物位置划分为三个区： A区距离拟建建筑物5.4～15.0m，边坡高度38.10～51.00m； B区距离拟建建筑物5.1～6.60m，边坡高度6.20～8.80m； C区距离拟建建筑物5.6～12.0m，边坡高度6.80～18.50m，分区示意图见图1。

根据拟建建筑物特点及场区的岩土工程条件，该边坡稳定性及安全等级[1]见表1。

2 边坡工程地质条件

2.1 地形地貌

场地是原山脊之上采石形成的斜坡状采石场，西南高，东北低，高低起伏，坡度为10°～15°，地面标高介于149～194m之间，最大高差约为45m。由于现在工程需要，场区经爆破开挖，边坡呈阶梯状分布。

2.2场地地层岩性

根据场地勘察及工程地质测绘成果资料，场地内分布的主要地层为：

（1）豹斑状白云质灰岩浅棕褐色、灰白色，隐晶结构，中厚层构造，质地较纯，竖向节理局部较发育，节理多为钙质充填，局部为未充填，岩体较完整，层面间为泥钙质充填，岩层倾向53°～73°，倾角3°～8°。

（2）灰质白云岩：灰白色，隐晶结构，中厚层构造，泥质含量较高，竖向节理局部较发育，节理多由粘性土及钙质充填，岩体较完整，层面间为泥钙质充填，岩层倾向36°～50°，倾角3°～12°。

2.3场地地质构造

2.3.1断层

场地工作区内未见断层及断裂带，场地受东侧距离工作区1.7Km处非全新活动断裂港沟断裂及其东侧距离工作区0.8Km东坞断裂次生断裂的影响，节理裂隙发育明显。

2.3.2节理、裂隙

（1）A场区节理裂隙特征：由该场区的节理玫瑰图[2]和等密图（图1）可以看出，该场区节理走向主要有45°～80°，300°～350°两组分布，其中又以45°～80°此组节理居多，更密集，倾向主要集中在NW和SE方向，倾角绝大多数>75°，部分节理近直立，以张性节理为主，部分较大裂隙宽度有1～5cm不等。

图4 A场区节理玫瑰图和等密图

（2）B场区节理裂隙特征：该场区节理走向主要有35°～80°，300°～340°两组分布，其中又以300°～340°此组居多，节理更密集，该场区节理倾向主要集中在SW和NW方向，倾角绝大多数>80°，部分节理近直立，以张性节理为主，近边坡位置部分较大裂隙宽度有5～10cm不等，部分甚至达到15cm，部分节理裂隙填充有泥钙质充填物和方解石细脉。

（3）C场区节理裂隙特征：该场区节理走向分布较杂乱，主要有集中在340°～360°，10°～20°，75°～85°，几组分布，其中又以340°～360°此组节理最多，最密集，该场区节理倾向主要集中在SW和SE方向，倾角绝大多数>80°，部分节理近直立。从节理性质来看，以压性节理为主，岩石大部分呈巨厚层状构造产出，裂隙2～20cm不等，垂直节理较发育，部分节理裂隙填充有泥钙质充填物，部分裂隙是由于人工爆破而成，贯通较大，部分岩体呈碎裂状结构，边坡较陡峭，易发生崩落，同时基岩下发现有少量岩溶。

3 工程物探

为了了解边坡体内部的工程地质条件，以便在数值模拟计算和分析中给予考虑，采用地质雷达对边坡区域的地质构造进行探测。地质雷达探测[2]的主要对象是边坡坡体。探测的测线布置是根据现场情况进行的，共布置测线16条。

4 场区不良地质作用

4.1岩溶

场区小型岩溶较发育，岩溶型式在地表主要表现为溶洞、溶沟、溶槽等；溶沟、溶槽分布具有一定的方向性，主要沿竖向构造节理发育，部分地段连汇贯通。

4.2危岩及崩塌

整个场区人工开挖后形成的边坡，岩坡面均较陡峭，尤其是A、B区经人工爆破后的边坡岩体较破碎，产生较大裂隙，危岩较多，边坡面较直立，被较多交错节理裂隙贯通。灰岩在原有结构面、竖向节理和溶蚀作用下，岩石被切割成大小不等的块体，在坡面处形成危岩。

现状危岩、崩塌等不良地质作用对未来开挖边坡安全影响大。未来开挖边坡时，由于结构面或者开挖不当会形成危岩及崩塌，开挖边坡时应采取防护和支护措施，防止对原结构层面的破坏或震动形成新的结构面，尽可能保证基岩的完整性。

5 边坡稳定性分析及评价

对边坡稳定性进行分析及评价，边坡稳定性计算是边坡稳定性研究和评价的主要依据。

5.1 边坡稳定性分析的主要方法

5.1.1 滑移线法

滑移线法同时考虑屈服条件（Coulomb准则）和平衡方程，导出基本的微分方程-塑性平衡方程，进而在屈服区内确定滑移线网，结合应力边界条件，得出各种问题的解。

5.1.2 极限平衡法[3]

极限平衡法是目前工程上主要采用的分析方法。其基本出发点是把岩土体作为一个刚体，为方便计算做一些假定，采用极限平衡分析方法可以将边坡的下滑力和抗下滑力进行单独分析，从而获得明确的安全系数。

5.1.3 极限分析法[3]

极限分析法的下限定理是构造一个静力场，使之满足平衡方程、应力边界，处处不违背屈服条件的应力分布（静力许可应力场），这时所确定的荷载不会大于实际破坏荷载。下限方法不考虑岩土体运动学条件，只考虑平衡方程和屈服条件。极限分析法的上限定理是满足速度边界、应变与速度相容条件的变形模式（运动许可速度场）中，由外功率等于消耗的内功率得到的荷载，不小于实际破坏荷载。上限只考虑速度模式和能量消耗，不要求满足平衡条件，而且只要在变形区域内定义。

5.1.4 数值方法

以有限元法[4]为代表的数值方法，可以对不同的单元根据具体情况指定不同的力学性质；可以对节理裂隙等软弱层设置适当的软弱面单元；可以方便地处理层状岩土体和有规则的节理岩体所表现出的正交各向异性；可以精确地估算地下渗流或爆破震动等对岩土体应力场、位移场以及稳定性的影响；还可以方便地处理各种不规则的几何边界以及各种复杂的边界条件。用数值方法分析边坡的稳定性，不仅能较方便地考察构造应力场的影响和模拟各种开挖高度的影响，获得坡体内的应力场、位移和塑性区的分布状态，而且还能求出可能的滑动面和安全系数。

5.2边坡岩体力学参数

岩体力学参数（包括强度特性和变形特性）对于分析工程的稳定性至关重要。从工程角度看，获取恰当的岩体力学参数比改进一个数学模型更有实际意义。

影响力学参数合理取值的主要因素有：

（1）地质介质复杂性：岩土介质是一种自然产物，在漫长的地质过程中，由于各种岩石组成矿物不同，成岩过程不同，经受的地质构造运动和地质应力作用不同，形成的岩体千差万别，力学性质非常复杂，力学参数测试数据的离散性，有其必然的内在因素。

（2）试验方法：采用不同的试验方法、不同试验仪器获得的结果不同。经过长期的努力形成了多种多样的岩土力学特性测试方法，但每种方法也是一定的理论确定基础上推算出来的，采用不同的试验方法，得到结果也不相同。

（3）风化程度不同、采样扰动不同测试结果各异：随着风化程度的加深，其力学参数值也逐渐降低，特别是内聚力和弹性模量降低幅度最大。试验取样的代表性问题是十分重要的，同类岩性风化程度不同力学特性迥异。从绝对意义讲，自然界不存在工程性质完全相同的岩土体。其次，试验条件原则上应与现场条件相一致，但是鉴于现场条件的复杂性，根据现有的测试仪器要做到完全模拟现场条件仍存在技术上的困难。另外，试验的不均一、试验误差、甚至整理资料的方法都将影响试验的结果。

（4）尺度效应的影响：随着试件尺寸的增加，反映岩体客观特性的力学参数值迅速降低，从标准试件（φ50×100）到现场试验（1000mm尺度）参数测试结果相差可达一个量级。

5.3边坡稳定性计算与分析方法

5.3.1 基于极限平衡分析方法的边坡稳定性分析

（1）边坡稳定性分析的极限平衡分析方法原理

①边坡稳定性安全系数的定义

边坡稳定性定量分析的核心问题是边坡安全系数的计算。边坡稳定性分析的方法很多，目前工程界普遍采用的计算方法仍为极限平衡法，因其计算方法简便，并能定量的给出边坡稳定系数大小。

基于安全系数可以建立多种分析方法：如瑞典分条法，毕肖普法，Morgenstern-Price法，Sencer法，Janbu法及余推力法等。本次稳定性分析计算采用瑞典条分法、毕肖普法和Janbu法。

（2）稳定性分析计算中几个问题的处理

①滑动面寻找方法：计算中采取了最优化寻优与现场实测滑面位置相结合办法寻找最大范围可能的破坏区。

②裂缝面的处理：为了真实的反映其稳定状况，在计算中需编制计算机软件，它与滑动面搜索相配套，其特点是：

1）计算岩土条重量对分层计算，然后叠加；

2）凝聚力c和内摩擦角 按滑动面所在的岩土层位置而采用不同的数值。

如图5所示，计算条块的宽度是以计算机软件按地形状况进行插值划分，但条块的宽度不大于滑弧半径的1/10，而且相邻两条块的滑动面倾角之差不大于8o。

图5 边坡稳定计算图式

张裂缝的深度根据费森科方法确定：

根据现场勘察结果，张裂深度很小，计算中垂直张裂取值为2m～15m。

5.3.2 基于ANSYS的有限元数值模拟分析

（1）Drucker-Prager模型与强度折减法

Drucker-Prager屈服条件又称广义的Mises屈服准则，它在Mises屈服准则的基础上考虑了静水压力的影响， 事实上，Drucker-Prager屈服条件是修正的Coulumb屈服条件，在主应力空间中Drucker-Prager屈服条件为一个圆锥体，而Coulumb屈服条件为六面锥体。

有限元强度折减法[5] （强度贮备安全系数法）基本原理是通过不断降低岩土强度使有限元计算最终达到破坏状态为止，强度降低的倍数就是强度折减安全系数。即将坡体抗剪强度指标粘聚力c和内摩擦角 值同时除以一个折减系数ω，得到一组折减后的抗剪强度指标c′、 ′值，取代了原抗剪强度指标c、 值，然后作为新的材料参数输入进行试算，直至计算不收敛或关键部位发生位移突变时坡体达到极限状态发生剪切破坏。

（2）有限元数值模拟分析主要功能

分析采用ANSYS，ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元计算机设计程序，它包含了前处理、解题程序以及后处理。

（3）有限元用于边坡稳定性分析的优点

有限元考虑了介质的变形特征，真实的反映了边坡的受力状态。它可以模拟连续介质，也可以模拟不连续介质；能考虑边坡沿软弱结构面的破坏，也能分析边坡的整体稳定破坏。

5.5边坡稳定性综合评价

5.5.1 允许安全系数的确定

允许安全系数是我们在评价边坡稳定性时的一项重要指标，它的确定取决于对各种影响因素的综合考虑。

允许安全系数在取值时主要考虑了下列因素：

（1）勘探工作的控制程度、边坡的实际暴露情况、基础资料是否翔实、试验方法的合理性、试验所获得参数的可靠性；

（2）参数取值对安全储备的考虑；

（3）稳定性计算对工程模型的简化、处理及其计算方法所造成的可能误差的估计；

（4）工程的服务年限、规模、边坡的几何形状及其所处空间位置重要性，考虑失事后的危害及损失；

（5）边坡周围环境地质的影响；

（6）对影响安全系数的一些不确定因素的估计。

充分考虑了上述各项因素之后，结合该边坡的具体情况，确定该边坡稳定性允许安全系数为：一级边坡[FS]=1.50；二级边坡[FS]=1.30。

5.5.2 该边坡稳定性分级

根据该边坡稳定性现状、场地工程地质条件及对边坡稳定性要求，并参考相关规范，将该边坡稳定性分为五级。该边坡稳定性分级见表2。

5.5.3 边坡稳定性综合评价

经过边坡稳定性分析计算，可对各区域边坡稳定性做出综合评价。例如A区综合评价见表3。

5.6边坡稳定性评价结论及整治措施

（1）安全等级为一级，边坡稳定性状态为整体稳定（Ⅰ级和Ⅱ级）的区域，由于边坡坡体受爆破震动影响严重，爆破松动区范围大，建议对该区域的爆破松动区采用预应力锚索进行加固。

（2）边坡安全等级为一级，边坡稳定性状态为亚稳定（Ⅲ级）。建议对建筑物基础位置采用光面爆破技术爆破并下挖至公建基础标高位置，采用架空层方式将标高恢复至原设计标高。

（3）安全等级为二级，边坡稳定性状态为整体稳定（Ⅰ级），目前坡面存在着范围较小局部松动塌落区，应及早地进行清理和加固处理，建议对该区域边坡进行整形，并对爆破松动区采用预应力锚索进行加固和坡面防护。

（4）边坡的整形削坡工作应采用微差爆破和预留光面层的光面爆破，严格控制单响药量和一次爆破药量[6]，严防爆破作业对边坡岩体的二次损伤。

（5）场地边坡必须进行边坡稳定性监测[6]。对于安全等级为一级和二级的边坡必须地面监测、地下监测和支护结构监测综合运用。

6 结论

6.1获取恰当的边坡岩体力学参数对边坡的稳定性分析至关重要，在选取时，应室内试验和现场测试相结合，并进行工程地质信息调查与统计。

6.2对各种边坡稳定性分析方法进行比较研究，综合各种影响因素，建立适合模型进行边坡稳定性综合评价。

参考文献

[1] 中华人民共和国建设部. GB 50330—2002建筑边坡工程技术规范[S].

[2] 常土骠等.工程地质手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.

[3] 刘文平，郑颖人，刘元雪.边坡稳定性理论及其局限性[J].后勤工程学院学报，2005， （1）：15-19.

[4] 赵尚毅，时卫民， 郑颖人.边坡稳定性分析的有限元法[J].地下空间，2001，21（5）：450-454.

[5] Griffiths D V，Lane P A.Slope stability analysis by finite elements[J].Geotechnique，1999，49（3）：387-403.

[6] 郭学彬，张继春，刘泉，等.爆破振动对顺层岩质边坡稳定性的影响[J].矿业研究与开发，2006，26（2）：77-80.

[7] 刘小平，何志攀，周北，等.人工岩质高边坡稳定性的检测和分析[J].勘察科学技术，2006，（5）：9-12.

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