第三十章：岩质边坡—平面滑动

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本章讲解了在选定剖面上如何分析由变质玄武岩组成的岩质边坡的稳定性（设计场地的左侧）。需要计算的剖面是挖方岩质边坡，开挖之前岩质边坡处于稳定状态。岩质边坡坡脚原来有一座公寓楼，现在在岩质边坡坡顶修建了一条主干道。原来的地质调查报告和现有的水文地质调查报告中给出了不连续结构面和 岩石强度的描述。

图 30.1  需要分析的岩质边坡剖面

30.1  基本参数

　　由于岩质边坡按照长期稳定性设计，因此，设计安全系数在本例中取 1.5。 如果边坡的计算安全系数小于 1.5，那么必须对边坡进行支护。选定岩质边坡开挖后的某危险剖面，对其稳定性和安全施工进行分析和评价。

图 30.2  分析剖面（红色线为坡脚开挖线）

　　综合地质调查结果和当地工程经验，得到以下岩体（变质玄武岩）参数：

　　岩石重度　　　　　γ＝26 kN/m3；

　　有效内摩擦角　　　φ'= 43°；

　　有效黏聚力　　　　c'=423 kPa。

　　由原位测试（回弹仪）得到的岩石的无侧限抗压强度平均值为 60MPa。 在水文地质调查中没有发现地下水，仅在雨季观察到坡脚微风化岩石上有少量的水出露，主要是由地表水引起的。

30.2  解决方案

　　我们采用 GEO5「岩质边坡稳定分析」模块来分析和计算本案例。根据中国 规范，所需分析的剖面我们采用安全系数法进行验算。接下来，我们将一步一步 讲解如何进行本案例的计算和分析 – 任务、分析和结论。

30.3  定义任务

1）在「分析设置」界面中根据采用的验算方法（这里采用安全系数法）和岩质 边坡的破坏模式来进行相应的设置。

　　在「分析设置」界面中点击“选择设置”按钮，在弹出的“分析设置列表” 中选择编号 1 分析设置“标准 -  安全系数”，然后点击“确定”按钮。

图30.3“分析设置列表”对话窗口 

　　选择好相应的“分析设置”后，我们在「分析设置」界面中还需要选择对应的分析类型。GEO5「岩质边坡稳定分析」模块可以分析岩质边坡的直线滑动、 折线滑动和楔形滑动。通常情况下，确定岩质边坡的危险滑面位置和破坏模式是比较困难的，往往需要和构造地质工程师合作。在本案例中，岩体含有多组不连 续结构面，因此，可以认为破坏面相对于水平面的倾角为 45+ φ'/2（φ'为岩体的等效内摩擦角）。因此，选择“直线滑动”作为分析类型。

2）输入地形和岩坡的几何形状 

　　在「坡面」界面中输入地形和岩坡的几何形状。在定义岩质边坡剖面之前，可以修改起点的坐标。输入岩质边坡剖面最好的方法是从岩坡坡脚开始输入，或 者从坡脚前不远处的某一个点开始输入。在本案例中，边坡起点取距离坡角前方 5m 处的水平地面上的一点，起点坐标采用默认值（x=0，y=0）。

　　在「坡面」界面中点击“添加”按钮，弹出“添加坡段”对话框，用于添加 从起点开始的第一个坡段。可以通过多种参数来定义各个坡段：坡段倾角，坡段 长度，水平投影和竖向投影。输入任意两个参数，软件会自动计算其余两个参数 的值。

图 30.4  在「坡面」界面中输入地形和岩坡的几何形状

根据需要计算的岩坡坡面，得到各坡面段的参数如下表所示：

　　输入的坡段会即时显示在绘图窗口中。「坡面」界面中还给出了输入的各个 坡段的参数表格。

图 30.5  在绘图窗口中查看输入的岩质边坡剖面

3）输入岩石（结构面）参数 

　　在「岩石」界面中可以定义组成岩质边坡的岩体参数。根据地质调查结果，得到岩石的重度和结构面的抗剪强度参数（基于 Mohr-Coulomb 破坏准则）：

　　岩石重度　　　　　　γ=26 kN/m3；

　　有效内摩擦角　　　　φ'=43°；

　　有效黏聚力 　　　　　c'=423 kPa。

注：软件也允许采用 Barton-Bandis 或 Hoek-Brown 破坏准则定义岩体强度。

4）输入滑面（结构面）位置及其类型 

　　在「滑动面」界面中定义滑面的位置和设置滑面的类型。根据地质调查结果，滑动面相对于水平方向的倾角为  ，剪出口位于坡45°+φ'/2，剪出口位于坡脚。岩体的等效内摩擦角φ'并不是恒定的，而是和岩体的应力状态有关，可以通过由内摩擦角和黏聚力确定，其中内摩擦角即为非线性摩尔包络线的切线角度。因此，我们必须计算出等效内摩擦角的值。首先，计算坡脚的最大正应力σ_max。由计算剖面可知， 边坡的有效高度（active height）为 h=10.65m，因此

　　根据地质调查结果可知，岩石的有效黏聚力c'=423kPa，平均无侧限抗压强度为 60MPa。因此，最大正应力σ_max=277kPa 比变质玄武岩的峰值抗压强度小，通过摩尔包络线即可以确定组成该变质玄武岩岩质边坡岩体的等效内摩擦角φ'=72（在第一应力区间）。破坏面相对于水平方向的倾角为 45°+φ'/2=45+72/2=81°。

图 30.6  岩石抗剪强度峰值线

　　岩体破坏面（滑动面）倾角为α＝81°，滑面起点位于坡脚，坐标为 x=5.0m, y=0.0m。滑动面类型采用默认选项（平滑），因为我们没有关于滑动面的详细信息（剪胀性）。根据地质工程师的意见，这里不考虑张裂缝。

图 30.7  在「滑动面」界面中输入滑面（结构面）

5）地下水的影响 

　　地下水在「地下水」界面中输入。边坡露头上没有观察到出水点，因此保持默认设置 – 没有地下水，不考虑地下水的作用。

6）输入超载

　　在「超载」界面中可以输入作用在岩质边坡坡面和坡顶地表上的超载。坡顶 边缘坐落有一堵钢筋混凝土重力式挡墙和一条公路，但是，因为挡墙和公路产生 的超载并没有作用在滑动岩体上，因此，计算时无须考虑超载，这里不需要输入。

7）设计状况设置

　　在「工况阶段设置」界面中可以选择合适的“设计工况”。在本案例中，我们考虑永久性挖方边坡，因此选择“持久设计状况”。

30.4  分析任务

　　点击右侧模式栏的「分析」按钮，进入「分析」界面，软件自动完成稳定性计算。「分析」界面右侧是基本计算结果，左侧是一些功能选项。本例中，计算得到的安全系数为 37.75，远大于设计安全系数 1.5。点击「详细结果」按钮或打 印计算书可以得到更详细的计算结果。

图 30.8  「分析」界面中的详细结果列表

30.5  结论

　　对于该案例，计算安全系数 FS =37.75 远大于设计安全系数 1.5。这意味着该 挖方边坡的的长期稳定性是满足安全性要求的，不需要进一步的支护设计来提高 它的稳定性。当遇到雨季时，雨水渗入岩体中的不连续结构面，可能导致岩体抗 剪强度降低，从而降低岩坡稳定性，但是这里并不需要担心这种情况，理由如下：

　　变质玄武岩石一种坚硬的岩石，受结构面的影响不大（即结构面对其抗剪强 度影响较小），且本案例中岩体结构面不含任何填充物。

　　地下水位理论上能够上升到岩坡有效高度（ha = 10.26m）。设置地下水位至 最不利情况的高度，得到安全系数 F_S＝32.28 ，仍远大于设计安全系数。

　　即时考虑不可能发生的情况，即水位上升至坡顶（h = 12.7m），计算得到的安全系数 Fs=27.3 ，仍远大于设计安全系数。