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花崗巖殘積土邊坡破壞及防護(hù)

文檔作者：阮林龍1 葉興軍2 文檔來源： 1. 中機(jī)工程勘察設(shè)計(jì)研究院 2. 重慶市市政設(shè)計(jì)研究院, 重		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2022年12月11日
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巖土工程界第12卷第12期邊坡工程
收稿日期3
花崗巖殘積土邊坡破壞及防護(hù)
阮林龍1, 葉興軍2
( 1. 中機(jī)工程勘察設(shè)計(jì)研究院, 廈門361012; 2. 重慶市市政設(shè)計(jì)研究院, 重慶400020)
摘要花崗巖殘積土邊坡破壞具有其特殊性, 它既不同于普通的土質(zhì)邊坡, 亦不同于巖石邊坡。文章試
圖通過分析花崗巖殘積土遇水崩解軟化的特性及微裂隙對邊坡破壞的影響機(jī)制等, 總結(jié)殘積土
邊坡可能存在的幾種破壞形式。并針對各類型邊坡的穩(wěn)定計(jì)算及防護(hù)提出建議。
關(guān)鍵詞花崗巖殘積土邊坡崩解軟化微裂隙破壞類型
中圖分類號(hào): U416. 1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 1009- 5098( 2009) 12- 0061- 04
0 引言
花崗巖殘積土系花崗巖原地風(fēng)化殘留物, 受母
巖性質(zhì)的不均勻及風(fēng)化作用的差異影響, 其邊坡表
現(xiàn)出不同于均質(zhì)土邊坡及巖質(zhì)邊坡的特性, 花崗巖
殘積土邊坡的穩(wěn)定性有其特殊性。目前, 對花崗巖
殘積土的研究主要集中于其強(qiáng)度及變形性能上, 而
對該類邊坡穩(wěn)定性的研究較少。長期以來在此類邊
坡病害整治設(shè)計(jì)中將其視為一般性粘性土邊坡, 并
以該類邊坡土體的室內(nèi)試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度為依據(jù), 而忽
略了該類邊坡的特殊性。文獻(xiàn)[ 1]運(yùn)用離心模型試
驗(yàn)方法研究該類邊坡的破壞形式及破壞規(guī)律。文獻(xiàn)
[ 2]亦通過分析花崗巖殘積土中微裂隙研究該類邊
坡的破壞機(jī)理及防護(hù)措施。
本文通過分析殘積土的崩解軟化及微裂隙結(jié)構(gòu)
特征對邊坡穩(wěn)定性的影響, 探討此類邊坡的破壞機(jī)
理, 總結(jié)出邊坡破壞可能存在的幾種類型, 為此類邊
坡的研究、設(shè)計(jì)及防護(hù)提供參考。
1 花崗巖殘積土的工程特性
花崗巖殘積土是一種特殊性土, 在天然狀態(tài)下
具有較高的承載能力和抗剪強(qiáng)度, 但這種地基土的
結(jié)構(gòu)性強(qiáng)、孔隙比大、粘性差、在具有臨空面的浸水
條件下, 極易崩解軟化, 甚至產(chǎn)生流泥等。同時(shí), 花
崗巖殘積土中有大量原生裂隙(母巖中原有的軟弱
巖脈風(fēng)化而成的結(jié)構(gòu)面和原有的節(jié)理裂隙面)和次
生裂隙(由于自然氣候影響、風(fēng)化作用、臨空面形成
等原因而產(chǎn)生的裂隙)。這些特性對此類邊坡穩(wěn)定
性起了決定性作用。
1. 1 花崗巖殘積土的軟化崩解
花崗巖殘積土在粒度分布上具有/ 兩頭多, 中
間少, 粗細(xì)均衡0的特征, 即大于0. 5 mm 和小于
01074 mm的顆粒含量多, 而0. 5~ 0. 074 mm少; 以
01074 mm為界, 粗、細(xì)粒組的總量較接近。其微結(jié)
構(gòu)為: 由粗粒(礫粒、粗砂及部分中砂)構(gòu)成骨架, 粗
粒之間主要由游離氧化物包裹及填充實(shí)現(xiàn)聯(lián)結(jié), 以
及來自原巖礦物晶粒間的殘存聯(lián)結(jié), 而填充粗粒骨
架的中細(xì)砂及粉砂的含量少, 孔隙大。根據(jù)這微結(jié)
構(gòu)特征, 天然狀態(tài)的花崗巖殘積土, 其土骨架近乎剛
架, 由于起膠結(jié)作用的游離氧化物可溶于水, 當(dāng)土體
浸水后, 隨著膠結(jié)物的溶解, 剛架的節(jié)點(diǎn)逐漸被減
弱, 即由剛節(jié)點(diǎn)逐漸變?yōu)殂q接點(diǎn), 引起土體強(qiáng)度降
低, 壓縮性增大。在有臨空面條件下, 當(dāng)膠結(jié)物完全
溶解時(shí), 節(jié)點(diǎn)完全破壞, 臨空面部分土體就自然崩解
塌落[ 3]。文獻(xiàn)[ 4]表明: 花崗巖殘積土遇水易崩解,
其崩解率為36. 5% ~ 39. 1% , 崩解速度很快, 強(qiáng)度
降低。其自由膨脹率為10% ~ 18%, 在壓力50~
100kPa的作用下, 膨脹率為1% ~ 1. 5%。
1. 2 花崗巖殘積土的微裂隙
花崗巖主要由長石、石英和云母等礦物組成, 結(jié)
晶顆粒粗, 巖體中往往發(fā)育有大量的節(jié)理裂隙(節(jié)
理裂隙多被高嶺土、蒙脫石、綠泥石等填充)和不均
勻分布的巖脈。花崗巖風(fēng)化成土后這些原生裂隙仍
存在于殘積土中, 而裂隙中的充填物由于風(fēng)化和地
下水作用多數(shù)泥化, 強(qiáng)度很低。同時(shí), 在花崗巖風(fēng)化
過程中, 受自然氣候影響、風(fēng)化作用、臨空面形成等
影響, 花崗巖殘積土中亦會(huì)產(chǎn)生許多的次生裂隙。
這些裂隙多為閉合或充填有充填物, 各組裂隙的發(fā)
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育程度、長短、規(guī)模不一, 有的延伸數(shù)十米; 有的不足
一米, 各組裂隙縱橫交錯(cuò), 將花崗巖殘積土分割成不
均勻的楔形體。特別是殘積土中的張節(jié)理, 易形成
良好的水力通道。
2 花崗巖殘積土邊坡的破壞類型
2. 1 花崗巖殘積土邊坡破壞的特點(diǎn)
筆者通過對廈門周邊地區(qū)的調(diào)查發(fā)現(xiàn), 殘積土
邊坡的破壞具有以下幾個(gè)特點(diǎn):
( 1) 主要發(fā)生在山區(qū)及山前地帶。廈門地區(qū)殘
積土邊坡破壞主要發(fā)生在同安、翔安、集美區(qū)的北部
山區(qū)和廈門島內(nèi)的仙岳山、狐尾山、園山等山前地
段。
( 2) 殘積土邊坡破壞主要以滑坡、崩塌為主。
由于邊坡過陡而產(chǎn)生圓弧式滑動(dòng)的只占少數(shù), 大多
數(shù)為規(guī)模較小的滑坡、崩塌, 影響范圍一般波及一座
或幾座房子, 個(gè)別規(guī)模較大, 影響到幾十戶住家。
( 3) 雨季多發(fā), 旱季少見。大多數(shù)發(fā)生在雨季,
并且較集中出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)暴雨期間, 旱季較少發(fā)生。
( 4) 災(zāi)前征兆不明顯, 突發(fā)性強(qiáng)?；?、崩塌大
多數(shù)災(zāi)前征兆不明顯, 發(fā)生時(shí)運(yùn)動(dòng)速度快、突發(fā)性
強(qiáng), 容易造成人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失, 危害性大。
( 5) 人為引發(fā)的比重大。目前發(fā)現(xiàn)的邊坡破壞
大多數(shù)與人類工程活動(dòng)有關(guān), 主要發(fā)生在山區(qū)、山前
地帶人為削坡建房、修路等形成的斜坡處, 自然因素
產(chǎn)生的較少。
2. 2 邊坡破壞類型
通過對花崗巖殘積土邊坡的破壞機(jī)理的研究發(fā)
現(xiàn), 殘積土邊坡失穩(wěn)與殘積土遇水崩解軟化的特性
以及殘積土內(nèi)原生或次生節(jié)理及構(gòu)造微裂隙發(fā)育程
度有著密切關(guān)系。對于土質(zhì)較均勻或裂隙發(fā)育規(guī)模
較小的花崗巖殘積土邊坡破壞常為滑移破壞; 而土
質(zhì)不均勻且有大型構(gòu)造裂隙發(fā)育的花崗巖殘積土邊
坡常以楔形體崩塌破壞。筆者根據(jù)其邊坡的破壞機(jī)
理總結(jié)出邊坡破壞大致可以分為滑移破壞和崩塌破
壞兩大類, (圖1)。
圖滑移破壞型
2. 2. 1 滑移破壞型
( 1) 軟化滑移型
如圖1的( a) 所示, 該類型邊坡常處于地勢較
為低洼的地段, 地下水埋藏深度較淺。其上覆土層
多為沖積層, 與殘積土直接接觸的常為中粗砂等透
水性及富水性較好的土層。當(dāng)邊坡開挖形成臨空面
后, 坡面成了附近地下水的集中排泄區(qū)。在地下水
的作用下, 坡面表層土體浸水后崩解軟化而塌落, 加
快其后土體的應(yīng)力釋放, 使得坡體內(nèi)殘積土中的微
裂隙產(chǎn)生張開, 部分傾向于臨空面的裂隙在地下水
滲流作用下, 使裂隙中的充填物產(chǎn)生泥化和膨脹, 結(jié)
構(gòu)面強(qiáng)度迅速降低, 坡體將沿著軟弱結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)而
破壞; 而部分微裂隙由于填充的細(xì)小顆粒在地下水
動(dòng)水壓力作用下被挾走而逐漸貫通, 隨著時(shí)間推移,
孔隙不斷增大, 水的實(shí)際流速增大, 土體的孔隙不斷
擴(kuò)大和加深, 促使孔隙連通性變好, 產(chǎn)生流砂、管涌
等滲流破壞, 進(jìn)而使坡體整體發(fā)生滑移破壞。這類
破壞在基坑中比較常見, 根據(jù)滑移面的形態(tài)又可細(xì)
分為圓弧滑動(dòng)和平面滑動(dòng)兩種。
( 2) 滑移拉裂型
如圖1的( b)所示, 該類型邊坡常處于坡地或
低矮丘陵地段, 地下水穩(wěn)定水位多位于殘積土層中。
其上覆土層多為坡積層, 該坡積層透水性及富水性
較差, 土質(zhì)含水率較低, 力學(xué)性質(zhì)良好。在邊坡開挖
過程中, 在地下水位線以上開挖時(shí), 邊坡自穩(wěn)能力較
強(qiáng), 但當(dāng)開挖至地下水位以下時(shí), 與前述軟化滑移型
破壞一樣, 由于坡腳土體位于地下水位以下, 在地下
水等作用下, 坡面出現(xiàn)小面積的滑塌, 隨著時(shí)間的推
移, 地下水作用不斷加強(qiáng), 土體滑塌范圍不斷擴(kuò)大,
上部土體形成拉裂縫, 且這些拉裂縫隨著時(shí)間的推
移會(huì)不斷發(fā)展, 地表水的下滲使得坡體土質(zhì)迅速軟
化, 強(qiáng)度降低, 從而發(fā)生整體滑移破壞。
2. 2. 2 崩塌破壞型
如圖2所示, 該類型邊坡常處于地勢較高的山
坡及臺(tái)地, 地下水埋藏深度較深, 一般邊坡開挖深度
范圍內(nèi)未能揭示到穩(wěn)定的地下水位。其上覆土層多
為坡積層, 含水率較低, 力學(xué)性質(zhì)較好。
該類邊坡由于地下水水位較深, 土體含水率較
低, 抗剪強(qiáng)度較高, 邊坡開挖初期, 坡體相對較穩(wěn)定。
隨著時(shí)間推移, 有些微裂隙相對發(fā)育的殘積土坡體
由于微裂隙不斷擴(kuò)展、貫通, 將會(huì)形成楔形體崩塌。
有些坡體會(huì)在雨水等沖刷下形成土洞, 最終崩塌。
根據(jù)其崩塌的機(jī)理不同, 筆者將其分細(xì)為兩類。
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巖土工程界第12卷第12期邊坡工程
圖2 崩塌破壞型
( 1) 楔形體崩塌型
如圖2( a)所示, 該類型邊坡中花崗巖殘積土中
的微裂隙較發(fā)育, 殘積土被微裂隙切割成大小不一
的塊體, 邊坡未開挖前各塊體相互作用, 處于靜力平
衡狀態(tài); 但當(dāng)邊坡一旦開挖產(chǎn)生臨空面后, 應(yīng)力釋放
使殘積土中微裂隙產(chǎn)生張開, 地表水下滲使裂隙中
的充填物產(chǎn)生泥化和膨脹, 結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度迅速降低, 使
各塊體的抗滑摩阻力減小, 在重力作用下形成崩塌,
進(jìn)而導(dǎo)致大范圍崩塌。
( 2) 沖刷崩塌型
如圖2( b) 所示, 該類邊坡由于地下水水位較
深, 土體失水干縮, 在邊坡開挖后, 在卸荷等擾動(dòng)作
用下, 殘積土中的微裂隙產(chǎn)生張開, 特別是垂向裂
隙。下雨時(shí), 地表水將沿著張開的裂隙迅速下滲, 裂
隙兩側(cè)的土體很快就崩解軟化, 細(xì)小顆粒被水流帶
走, 形成沖溝, 對于原有微裂隙相對發(fā)育的地段, 崩
解速度就越快, 并最終形成向里凹的土洞, 隨著時(shí)間
的推移, 土洞范圍不斷擴(kuò)大, 在土洞不斷擴(kuò)大的過程
中, 上部土體由于重力的作用形成許多張裂縫, 當(dāng)這
些張裂縫不斷發(fā)展直至貫通后, 上部土體崩塌。
3 花崗巖殘積土邊坡的防護(hù)
3. 1 邊坡支護(hù)穩(wěn)定計(jì)算
目前邊坡支護(hù)的常規(guī)計(jì)算軟件大部分采用的是
瑞典條分法、簡化B ishop法及Janbu法等。其編制
前提都是假設(shè)同一土層為各向同性的均質(zhì)體, 且邊
坡破壞滑移面多為圓弧形。這對于沉積成因的土質(zhì)
邊坡較為合理, 而對于花崗巖殘積土邊坡卻有其局
限性。
( 1) 滑移破壞型邊坡穩(wěn)定性計(jì)算
對于土質(zhì)較均勻且微裂隙發(fā)育規(guī)模較小可能發(fā)
生局部滑移或整體滑移的花崗巖殘積土邊坡(如圖
中的滑移破壞型模式), 可根據(jù)邊坡可能破壞的滑
移面形態(tài)套用現(xiàn)有計(jì)算軟件, 計(jì)算參數(shù)采用殘積土
的力學(xué)指標(biāo)(圓弧滑移)或裂隙面(平面滑移)的力
學(xué)指標(biāo)。
( 2) 崩塌破壞型邊坡穩(wěn)定性計(jì)算
崩塌破壞型邊坡, 由于其破壞與殘積土的微結(jié)
構(gòu)特征密切相關(guān)。特別是楔形體破壞, 控制邊坡變
形破壞的是其中的微裂隙軟弱結(jié)構(gòu)面, 采用基于圓
弧法原理編制的計(jì)算軟件來計(jì)算殘積土邊坡穩(wěn)定性
不是很合理。且殘積土邊坡中軟弱結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)
度遠(yuǎn)小于殘積土的抗剪強(qiáng)度, 采用單一的殘積土力
學(xué)指標(biāo)計(jì)算邊坡穩(wěn)定性, 會(huì)帶來很大的安全隱
患[ 2]。
因此, 對于楔形體破壞的邊坡, 應(yīng)以軟弱結(jié)構(gòu)面
作為滑動(dòng)面, 以軟弱結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度作為穩(wěn)定計(jì)
算的力學(xué)指標(biāo), 采用相應(yīng)的穩(wěn)定計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。
文獻(xiàn)[ 2]中提供了楔形體等崩滑形式的穩(wěn)定性計(jì)算
方法。
而對于沖刷崩塌破壞的邊坡, 目前相關(guān)研究較
少, 現(xiàn)有的研究方法多為工程實(shí)例調(diào)查或基于眾多
的假定和簡化條件對沖刷產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行力學(xué)模擬分
析。文獻(xiàn)[ 5]提供了沖刷穩(wěn)定性模糊評價(jià)的方法。
3. 2 邊坡防護(hù)
( 1) 滑移破壞型邊坡的防護(hù)
地下水是這一類型邊坡破壞的主因。對于軟化
滑移型邊坡, 由于所處地勢低洼, 宜先進(jìn)行降水后再
進(jìn)行支護(hù), 這時(shí)可采用土釘墻或錨桿擋墻進(jìn)行支護(hù)。
如若無法對地下水進(jìn)行疏排, 則不宜采用土釘墻及
錨桿擋墻, 此時(shí)應(yīng)采用抗滑樁等。而對于滑移拉裂
型邊坡, 上部可采用噴錨支護(hù); 下部滑移破壞區(qū)域,
可在對地下水有效疏排的前提下, 選擇土釘或錨桿
支護(hù), 也可采用重力式擋墻、抗滑樁等對其進(jìn)行處
理。
( 2) 崩塌破壞型邊坡的防護(hù)
這類型邊坡多發(fā)生局部垮塌, 進(jìn)而發(fā)生大面積
坍塌。因此, 此類邊坡的治理要及時(shí)控制這種局部
坍塌的發(fā)生。對于楔形體崩塌, 應(yīng)采用錨桿擋墻進(jìn)
行支護(hù), 坡面應(yīng)采取有效地防護(hù)措施, 常用的有種植
草皮、掛網(wǎng)噴護(hù)等。對于沖刷崩塌, 要對坡面及坡頂
地表水進(jìn)行有效地疏排, 同時(shí)坡面種植草皮、掛網(wǎng)噴
護(hù)等。
4 結(jié)論
( 1) 花崗巖殘積土邊坡的破壞與花崗巖殘積土
遇水易崩解軟化的特性及花崗巖殘積土中原生及次
生的微裂隙發(fā)育程度有著密切關(guān)系?；◢弾r殘積土
邊坡破壞類型分為滑移破壞及崩塌破壞兩大類。
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( 2) 花崗巖殘積土邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算不宜盲目
采用常規(guī)計(jì)算軟件, 應(yīng)結(jié)合具體情況, 采取相應(yīng)的計(jì)
算模型和參數(shù)。
( 3) 花崗巖殘積土邊坡的防護(hù)應(yīng)結(jié)合具體情
況, 分析其可能存在的破壞形式, 采取有針對性的防
護(hù)措施。
參考文獻(xiàn)
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( 上接第60頁)
箭頭指向即為6個(gè)鉆孔孔口的移動(dòng)方向, 它反映了
邊坡的總體變形情況。
表2 5個(gè)鉆孔的滑面和孔口位移信息
鉆孔
編號(hào)
槽口及
方位角
滑面或
孔口位置
A- A 槽
口位移
B- B槽
口位移
合位移
合位移
方位角
ZK1 A- A 230b 滑面: 7. 5 m深處15. 04 4. 265 15. 63 245. 8b
B- B 320b 孔口: 0. 5 m深處19. 29 12. 2 22. 82 262. 3b
ZK3 A- A 185b 滑面: 10. 5 m深處20. 935 15. 215 25. 88 221b
B- B 275b 孔口: 0. 5 m深處19. 495 15. 125 24. 67 222. 8b
ZK4 A- A 180b 滑面: 7. 5 m深處17. 8 10. 14 20. 49 209. 7b
B- B 270b 孔口: 0. 5 m深處22. 07 6. 59 23. 03 196. 6b
ZK5 A- A 168b 滑面: 7 m深處62. 155 55. 285 83. 18 209. 6b
B- B 258b 孔口: 0. 5 m深處50. 89 35. 62 62. 12 203b
ZK6 A- A 197b 滑面: 9 m深處39. 925 4. 635 40. 19 203. 6b
B- B 287b 孔口: 0. 5 m深處35. 61 4. 34 35. 87 203. 9b
3 結(jié)論與建議
( 1) 抗滑樁的挖孔施工, 對邊坡造成擾動(dòng), 坡前
卸荷, 降低了邊坡抗滑剛度。致使ZK5和ZK6的位
移較其余3孔大, 變形增長較快, 在上覆土層和下伏
基巖之間的界面上形成貫通滑面。滑面蠕動(dòng), 滑體
前移, 但當(dāng)樁孔挖到滑面以下的深度后, 施工對邊坡
的擾動(dòng)減小, 變形進(jìn)入平穩(wěn)期。從位移量的大小和
發(fā)展情況來看, 滑坡的危險(xiǎn)較小, 施工是安全的。
( 2) ZK2布置在開挖的料場平臺(tái)上, 已經(jīng)超出
了滑體的前緣, 測量到的位移不能反映真實(shí)的變
形情況, 推斷為平臺(tái)上來往的載重車輛和堆載的
重物, 促使其產(chǎn)生與山體滑動(dòng)方向相反的位移(見
圖2)。
( 3) ZK1、ZK3和ZK4監(jiān)測到的滑面位移不大,
位移增長速率較慢。后期由于雨水減少, 開挖卸荷
充分, 邊坡變形進(jìn)入平穩(wěn)期。從數(shù)據(jù)上看, 邊坡總體
安全, 但應(yīng)及早支護(hù), 避免雨季來臨, 造成滑坡, 危及
村民和施工安全。
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