土岩组合高边坡稳定性分析与治理

黄凯湘，温忠义，彭卫平

(广州市城市规划勘测设计研究院，广东 广州 510060)

1 引 言

我国的丘陵约有100万平方千米，占全国总面积的10%，丘陵地带较适宜工农业开发和经济建设。随着城市建设快速发展和建设用地日益紧张，在丘陵地带开挖山体造地的工程建设也日益增多，常形成土岩组合的高边坡，易产生滑坡、崩塌等地质灾害，对人身安全和工程质量构成重大隐患。综合评价土岩组合高边坡稳定性并设计治理，减少对周边建筑物及环境的不良影响，可促进丘陵地区的山体转为建设用地开发利用，最大限度实现土地资源增值。

本文以广东省清远市某大型小区内土岩组合高边坡为研究对象，提出了定性评价、极射赤平投影法、有限元强度折减法结合的综合性稳定性评价方法，并根据边坡土体和岩体的稳定性和变形模式，分别提出土体和岩体的系统治理设计方法，可供同类工程借鉴和参考。

2 边坡场地环境与工程地质条件

2.1 工程概况及地形地貌

边坡性质为永久性边坡，安全等级为一级，设计使用年限为50年。

场地属低山丘陵地貌单元，由采石场爆破开挖形成土岩组合高边坡，如图1所示。山顶最高点标高 172.0 m，已开挖坡面坡顶现状最高标高 171.0 m，现状坡脚标高 66.4 m～127.9 m，变化大，坡率 1∶0.2～1∶1.5，主要由两级较大的开挖平台和多级开挖马道组成，最大开挖平台宽约 25 m，马道宽 2 m～4 m不等。坡顶未开挖区植被较发育，已开挖区坡面裸露，坡脚大量破碎岩块杂乱堆积，如图2所示。

图1 边坡中部照片

图2 边坡破碎岩块杂乱堆积在坡脚

2.2 场地岩土层

边坡由基岩和覆盖层组成。基岩为晚侏罗世侵入的岩浆岩，岩性主要为青灰色中粒斑状黑云母二长花岗岩，岩质坚硬密实、强度高，抗风化作用强，其物理力学性质对边坡的稳定性有利，可使边坡保持较高的高度和较陡的坡度。

覆盖土层主要为残积土和全强风化岩等，主要由砂质黏性土组成，厚度约 5 m～15 m，遇水易软化。

2.3 场地结构面情况

边坡中下部中微风化岩体较完整，受构造挤压及边坡爆破卸荷作用，表层节理裂隙发育。

采用三维激光扫描仪扫描边坡全景，从海量点云数据中量取大量结构面，结合现场结构面调查情况，共获取结构面198处，采用结构面统计软件Dips进行最优结构面统计(图3)，得出最优结构面：J110°∠79°、J2303°∠78°、J3266°∠41°、J4145°∠37°。其中以J1J2组陡倾结构面最为发育，常以面状出露，形成基岩光板；J3J4组倾坡外，两者倾向片状，为典型的X节理现象，该两组结构面出露相对较少，但局部贯通性较好，成为最不利结构面，楔形块体易沿此组结构面出现滑移式失稳破坏。

图3 结构面等密度图

2.4 地下水情况

已开挖坡体坡面较干燥，未见地下水排出，仅在降雨后局部中微风化岩裂隙有少量地下水渗出。地下水主要为孔隙潜水和裂隙水，水量小埋藏深，主要受大气降水补予。

场地属亚热带季风区，水量丰富，是广东省三大降雨量高值区之一。场地表层节理裂隙发育，导致多处危岩体，不稳定岩体与稳定岩体之间有裂隙分开。在雨季张开的裂隙可能充满雨水，岩块底部孔隙水压力抵消部分岩块自重进而减少阻滑力，岩块后缘裂隙水压力增加倾向坡外下滑力，导致雨季危岩体易发生倾倒式破坏。

2.5 边坡不良地质现象

边坡上部因开挖裸露土体在暴雨下冲刷沟槽明显，如图4所示。中下部中微风化岩体卸荷节理裂隙发育，形成切割体，局部危岩体和崩塌等发育，如图5所示。

图4 坡顶表层冲刷沟壑

图5 结构面切割形成危岩体

3 边坡稳定性定量计算

3.1 极射赤平投影法计算结构面切割体稳定性

(1)优势结构面及极射赤平投影图

现场调查及点云数据解译显示，西侧坡体主要发育陡倾结构面J1J2J3，东侧坡体主要发育陡倾结构面J1J2J4，产状见上文。以东侧坡体为例说明结构面作用下中微风化岩切割体的稳定性，坡体倾向约155°，平均坡角约42°，局部陡坎70°～90°。

优势结构面及坡面的极射赤平投影图如图6所示。

图6 优势结构面与坡面极射赤平投影图

(2)结构面组合关系分析

①一组结构面的分析

结构面J1、J2与边坡的走向均相反或者大角度相交，属于稳定结构。结构面J4倾向与坡面相同，倾角接近，当遇到陡坎时，属于不稳定结构。

②二组结构面的分析

a. 结构面J1、J2组合时，结构面组合交线的倾向与坡面相反，属于稳定结构。

b. 结构面J1、J4组合时，结构面组合交线的倾向与坡面相同，倾角接近，当遇到陡坎时属于不稳定结构。

c. 结构面J2、J4组合时，结构面组合交线的倾向与坡面相同，倾角与小于坡面平均坡脚，属于不稳定结构。

③三组结构面的分析

结构面J1、J2、J4同时组合成楔形体切割时，滑动方向由顺坡向缓倾结构面J4控制，当遇到坡面陡坎时，楔形体不稳定。

3.2 有限元软件ABAQUS强度折减法计算边坡整体稳定性

(1)计算剖面

计算模型采用坡体中部典型剖面，剖面形态由三维激光扫描仪生成，工程地质情况由钻孔揭露和现场调查得到。计算采用大型通用有限元软件ABAQUS，导入剖面并按实际情况划分岩土层，包括可塑粉质黏土层、坚硬砂质黏性土层、全风化花岗岩层、强风化花岗岩层、中微风化花岗岩层，如图7所示。

图7 边坡典型断面示意图

(2)岩土体参数

岩土材料本构模型采用理想弹塑性模型，屈服准则采用莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)屈服准则，计算所需的岩土参数为：重度(γ)、弹性模量(E)、泊松比(ν)、内摩擦角(φ)和黏聚力(c)。根据室内试验和工程经验确定有限元分析所使用的物理力学指标，如表1所示。

边坡岩土体物理力学参数 表1

采用有限元强度折减法计算边坡的稳定性系数和变形趋势。中微风化花岗岩岩质坚硬，不会发生整体贯通滑动破坏，计算边坡稳定性系数时，不对中微风化岩体做强度折减，对上覆土层(全强风化岩和黏性土层)进行强度折减计算。折减后的抗剪强度参数用下式表达：

①Cm=c/Fv

②φm=arctan(tanφ/Fv)

(3)计算模型

场地位于地震烈度6度区，施加重力模拟天然工况，按照平面应变问题建立模型。岩土体采用四节点平面应变单元CPE4，有限单元网格划分如图8所示。第一个分析步骤施加地应力，第二个分析步对其φ和c随着场变量Fv(安全系数)线性增加进行强度折减。

图8 有限元模型网格划分

(4)计算结果

①初始状态

现阶段该边坡位移主要位于坡顶粉质黏土和砂质黏性土覆盖层(图9)，最大水平位移为 1.4 cm，边坡处于稳定状态。

图9 边坡现状水平位移云图

②稳定性系数确定

a. 以数值计算是否收敛确定的稳定系数Fs=1.41。

b. 以特征部位的位移拐点确定的稳定系数

选取马道边缘一点作为特征点，分析该处水平位移U1与强度折减系数Fv的变化规律(图10)。当Fv=1.36时，位移拐点出现，故以特征部位的位移拐点确定的稳定系数为Fs=1.36。

c. 以是否形成连续的贯通区确定的稳定系数

边坡现状的塑性区出现在土岩交界面，随着边坡强度折减，塑性区在坡积土底部临空面出现，当Fv=1.35时，塑性区基本贯通，如图11所示。以是否形成连续的塑性贯通区来确定稳定系数时，Fs=1.35。

图11 边坡塑性区发展云图(Fv=1.35)

三种稳定性系数判别方法得出来的稳定性系数接近，取最低值Fs=1.35，边坡处于基本稳定状态。

③变形发展趋势

如图11，强度折减后边坡处于极限平衡状态时，边坡全风化花岗岩及以下稳定，上部坡积土和少量残积土发生滑动。

3.3 边坡稳定性评价结论

上部覆盖土层处于基本稳定状态，存在冲刷沟壑等现象，建议加固处理。

边坡中下部中微风化岩体，整体稳定，局部岩体表层结构面发育，切割体不稳定，尤其遇陡坎时，切割体最不稳定，已出现局部危岩体和崩塌，建议清除掉节理裂隙发育的表层岩石。

4 治理措施研究

4.1 治理措施

计算采用北京理正软件设计研究院所编制的《理正岩土计算》设计。在计算中根据总平面、现状地面标高、相应地质钻孔等情况确定支护设计分区、采取的支护型式、计算剖面。边坡支护设计方案如下，典型剖面治理如图12所示。

图12 边坡典型剖面支护设计图

(1)上部坡残积土和全强风化岩分布区

①放坡

充分利用已开挖形成的多级马道平台和坡面结构，结合现状坡面采用1∶1～1∶1.5坡率进行放坡。

②锚杆格构梁或小挡墙

采用锚杆格构梁支护。对上部自然坡面较平缓区域，可不设锚杆格梁，间隔设置小挡墙(高约 1 m)，沿坡面纵向布置，预防暴雨冲刷减少水土流失。

③排水工程

坡顶设置截水沟，布置坡面明沟排水兼做检查踏步。

④三维网植草防护

所有格梁内可采用三维网植草防护。

⑤孤石处理

边坡开挖时应对孤石进行处理，根据孤石是否已经在土体中生根，决定保留锚固或清除。

(2)中下部中微风化岩岩质边坡

①削坡

充分利用岩体边坡自稳能力，保留现状坡面结构，或结合已开挖马道和坡体现状采用1∶0.5～1∶1坡率削坡，清除危岩体，防止岩块掉落或坍塌危险。

②挡石墙

在马道平台和坡脚设置防落石挡石墙。

③安全防护网

在马道平台上(较开阔处)设置安全防护网。

④排水工程

对现有马道进行修整，确保排水顺畅。坡脚设置排水沟。

⑤客土植草或燕窝槽式复绿

4.2 施工流程

边坡施工顺序：坡顶截水沟施工→自上而下分层开挖和修整已有坡面→分层施工锚杆格梁和马道及坡面排水沟→坡脚排水沟和挡土墙施工→坡面和坡脚(顶)绿化。对未设置锚杆格梁支护的岩质边坡体，应该按设计坡率削坡、清除危岩体，对局部裂隙发育的中等风化岩，必要时可采用岩石锚喷加固。

4.3 治理效果

工程竣工后运行良好，治理效果较为明显，达到安全和美观的统一，如图13所示。监测数据显示边坡治理后一直处于稳定状态。

图13 边坡治理竣工后航拍图

5 结论和建议

(1)广东清远银湖城高边坡属于丘陵地区山体开挖形成的土岩组合高边坡。上部覆盖土层处于基本稳定状态，存在冲刷沟壑等现象。中下部中微风化岩体整体稳定，局部岩体表层结构面发育，切割体不稳定，已出现局部危岩体和崩塌。

(2)对于土岩组合高边坡，在定性评价的基础上，可采用极射赤平投影计算中微风化岩体的结构面组合关系下的稳定性，采用有限元强度折减法计算边坡整体稳定性及变形趋势。

(3)针对土岩组合高边坡的破坏模式，提出上覆土体采用“放坡、锚杆格构梁或小挡墙、三维网植草防护、排水工程、孤石处理”，中下部中微风化岩体采用“削坡、挡石墙、安全防护网、排水工程、客土植草或燕窝槽式复绿”的综合治理措施。工程竣工后运行良好，监测数据显示边坡治理后一直处于稳定状态，论证了该措施的可行性。