深圳市地铁8号线车辆段高边坡稳定性研究

王智强

(1.深圳市房地产评估发展中心,广东 深圳 518034;2.深圳市地质环境监测中心，广东 深圳 518034)

深圳市地铁8号线车辆段高边坡稳定性研究

王智强1,2

(1.深圳市房地产评估发展中心,广东 深圳 518034;2.深圳市地质环境监测中心，广东 深圳 518034)

根据深圳地铁8号线车辆段高边坡地质资料，采用赤平投影法和有限单元法对边坡的稳定性及影响因素进行了分析。该场地存在5条小规模的断层，这5条断层对于边坡整体稳定性不起控制作用。但是会在局部造成危岩和落石等坡面病害。该边坡的节理裂隙主要有三组，经过分析该边坡内存在一组缓倾角节理面，为该边坡的不利结构面，其余组节理裂隙对边坡坡体存在切割作用。利用大型有限元模拟软件采用强度折减法对该边坡的应力场及应变场进行了分析。该边坡的安全系数为1.55，此时塑性区贯通。该边坡的滑动面为岩土体分界面。整个边坡的破坏模式是岩土体分界面的顺层滑动或土体的圆弧滑动。

高边坡；强度折减法；有限单元法；安全系数

深圳市地铁8号线盐田港东车辆段位于深圳市盐田区菠萝山西侧，南临盐田港，西临三盐公路。该场地原为东信采石场，现已停止开采，该边坡为岩土混合边坡,该边坡长 约520 m，高约115 m，整体倾向约270°，整体倾角约36.2°。采石期间对原自然边坡进行了开挖，下部基岩裸露，上部风化岩土体覆盖。由于采石卸荷，岩体卸荷裂隙发育。拟建停车检修库为双层结构，下层为地下结构，上层为地平结构，同检修库同一标高。下层停车检修库轨面标高57.45 m，上层停车检修库、试车线轨面标高均为67.95 m。基岩为黑云母花岗岩, 拟建场地东侧边坡的稳定问题是制约车辆段建设的重大工程地质问题。研究现状边坡的稳定性及影响因素，为车辆段选址方案比选提供科学依据。

1 地质环境概况

1.1 地形地貌

场地区域原始地貌为低丘陵，场地范围内由于开采石方，场地标高差异较大，高程介于63.63～138.46 m。地表基岩裸露，上部为坡积土及强风化花岗岩，厚度约16 m。

1.2 地层岩性

该边坡的地层主要由第四系坡积层和燕山期细粒-中粒黑云母花岗岩及构造碎裂岩组成。

砂质粘性土②：褐黄、棕红、灰白色,硬塑-坚硬,由黑云母花岗岩风化残积而成，原岩结构可辨，镐可挖掘，手捏易散，局部含较多强风化岩块。主要分布于边坡中上部。

强风化黑云母花岗岩③2：褐黄、褐灰、灰白色，岩石风化强烈，原岩结构清晰，风化裂隙发育，见大量次生矿物，岩块易折断，镐较难挖掘，遇水易崩解软化。岩体呈散体或碎裂状,碎块间结合很差,岩体基本质量等级Ⅴ类。主要分布于边坡中上部。

中风化黑云母花岗岩③3：灰白、灰黄色，黑色，原岩结构部分破坏，沿节理面有次生矿物，矿物成份基本未变化，裂隙较发育，锤击声脆，不能用镐挖掘。岩石点荷载换算饱和单轴抗压强度介于30.8～42.3 MPa，平均值37.63 MPa，标准值34.14 MPa，岩石坚硬程度为较硬岩，岩体完整程度为较破碎-较完整，岩体基本质量等级Ⅲ～Ⅳ类。该层结构面以原生结构面为主，少量次生构造结构面，延续性较好，结构面大部分呈闭合状，结构面较平整。该岩层可视为块状结构。该岩层整体强度高，结构面互相牵制，岩体较稳定。

微风化黑云母花岗岩③4：灰白、灰红色，细粒-中粒花岗结构，块状构造，原岩结构基本未变，仅节理面有渲染或略有变色，有少量风化裂隙及次生裂隙，结构面结合良好。岩石饱和单轴抗压强度介于45.9～120.0 MPa，平均值84.94 MPa，标准值74.00 MPa，岩石坚硬程度为较硬岩-坚硬岩，岩体完整程度为较完整，岩体基本质量等级Ⅱ～Ⅲ类。该层结构面以原生构造结构面为主，结构面大部分呈闭合状，较平整，互相牵制，岩体较稳定，接近弹性各向同性体。该岩层可视为块状结构。东侧台阶多出露该地层。

2 地质构造

本场地有五个小的断层通过，编号为F1～F5。断层F1产状为0°∠87°，断裂带宽度4.0 m，裂隙面闭合较好，延展性差，局部泥质充填，断层面可见擦痕，断层两侧岩性为中-微风化黑云母花岗岩，断裂带内岩石破碎，风化深度较大。断层F2产状为15°∠82°，断裂带宽度5.0 m，裂隙面铁质浸染，裂隙水呈滴水状，裂隙面闭合差，有泥质充填，延展性较好。断层面可见擦痕，断层两侧岩性为中-微风化黑云母花岗岩，断裂带内岩石破碎，风化深度较大。断层F3产状为5°∠85°，断裂带宽度3.0 m，裂隙面铁质浸染，裂隙面闭合差，有泥质充填，延展性较好。断裂带内岩石破碎，风化深度较大。断层F4产状为300°∠65°，断裂带宽度1.0 m，裂隙面铁质浸染，裂隙面闭合差，有泥质充填，延展性较好。断裂带内岩石破碎，风化深度较大。断层F5产状为15°∠70°，断裂带宽度1.1 m，裂隙面铁质浸染，裂隙面闭合差，有泥质充填，延展性较好。断裂带内岩石破碎，风化深度较大。这5条断层与边坡临空面呈大角度相交，且其倾角大于临空面倾角，断层对坡体具有切割作用，对于边坡整体稳定性不起控制作用。但是会在局部造成危岩和落石等坡面病害。断层与坡面的赤平投影[1-4]见图1所示。

图1 断层与坡面的赤平投影图

黑云母花岗岩体内发育三组节理:①226°～270°∠27°～35°，节理面平直，闭合，延展贯通性差，结构面结合较好，无充填，该组节理不发育，但是在局部该缓倾结构面遇陡倾结构面组合后可能在坡面上形成危岩和落石等坡面病害。② 0°～10°∠67°～85°节理面粗糙，闭合，延展贯通性差，结构面结合一般，无充填。③ 95°～110°∠66°～85°节理面平直，闭合，延展贯通性一般，结构面结合一般，无充填。第二和第三组节理构成X剪节理，为该边坡的优势节理面。该两组节理与边坡临空面大角度相交，且其倾角陡于坡面倾角，该两组节理不控制边坡的整体稳定，但是会在局部造成危岩和落石等坡面病害。节理面倾向玫瑰图见图2所示。

图2 节理面倾向玫瑰图

3 定性分析

3.1 边坡类别

该边坡为岩土混合边坡，岩体较完整结构面结合良好或一般，外倾结构面或外倾不同结构面组合线倾角27°～35°，高边坡整体稳定。边坡安全等级为一级。

3.2 边坡稳定性分析评价

根据本次勘察结果，已建成边坡地段自开挖形成至今未发生大的滑坡、崩塌等不良地质现象。各岩土层的分层界面以及基岩风化界面为渐变关系，边坡沿岩土层界面以及基岩风化界面滑移的可能性较小。边坡整体较稳定。

人工边坡走向约为0°，倾向270°，总体坡角36.2°，第一组节理282°∠30°与边坡倾向相近，倾角小于现状边坡总体坡角，属于对边坡稳定性不利的一组节理。边坡坡面与节理面的赤平投影图见图3所示。

图3 节理面与坡面的赤平投影图

4 基于ABAQUS 的三维稳定性分析

4.1 强度折减法原理

强度折减法是假定在外荷载保持不变的情况下，将边坡内土体所能提供的最大抗剪强度与外荷载在边坡内所产生的实际剪应力之比定义为抗剪强度折减系数。当假定边坡内所有土体抗剪强度的发挥程度相同时，这种抗剪强度折减系数相当于传统意义上的边坡整体稳定安全系数。折减后的抗剪强度参数可分别表达为

(1)

(2)

其中，C和φ是土体所能够提供的抗剪强度；Cm和φm是维持平衡所需要的或土体实际发挥的抗剪强度；Fr是强度折减系数[5]。有限元强度折减法相对于传统边坡稳定性分析方法而言具有明显的优势，能够对具有复杂地貌、地质的边坡进行计算，考虑了土体的非线性弹塑性本构关系以及变形对应力的影响，且在计算之前无需假定滑移面的形状[6]。

4.2 模型的建立及参数选取

根据室内试验及经验，边坡岩土体物理力学性质见表1所列。计算模型选取边坡1-1剖面，所建模型左右长为240 m，左边界高为95 m，右边界高为210 m，模型底部采用固定端约束，左右边界采用X方向法向约束，共同构成了模型的边界条件。强度准则采用摩尔-库伦强度准则[7]。边坡网格采用结构化网格划分方法，局部采用自由网格划分方法，单元类型为四结点双线性平面应变四边形单元CPE4。模型共划分了576个单元，630个节点。首先计算坡体的自重应力场，再进行自重应力平衡，采用强度折减法对边坡整体的稳定性进行分析[8-10]。模型网格的划分见图4所示。

4.3 安全系数分析

根据边坡等效塑性应变云图分析，安全系数为1.55。当折减系数为1.55时边坡最大位移为4.48 cm，折减系数为1.55时的位移见图5所示，此时边坡已经开始滑动。当折减系数为1.71时边坡最大位移为2 143 cm，边坡已经失稳，计算不收敛，折减系数为1.713的位移见图6所示。根据折减系数与边坡位移关系曲线见图7所示，可以看出，当折减系数小于1.55时，边坡位移很小，边坡处于稳定状态，当折减系数大于1.55时，边坡塑性区开始贯通，边坡位移不断增大，直至失稳，折减系数1.55时的等效塑性应变云图见图8所示。

图4 模型网格的划分

图5 折减系数为1.55时的位移图

图6 折减系数为1.713的位移图

图7 位移与折减系数关系曲线

图8 折减系数1.55时的等效塑性应变云图

5 结束语

(1) 通过对该边坡地形地貌、地质构造条件，分析了场地内发育的断层及节理裂隙对边坡的影响，该场地发育的小规模断层及节理裂隙对岩土具有切割作用，对边坡整体稳定性影响不大。

(2) 利用通用非线性有限元程序对边坡位移场及等效塑性应变场进行了分析，该边坡的破坏模式为沿岩土体分界面的顺层滑动，当塑性区贯通时其安全系数为1.55。

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2016-06-23；修改日期：2016-06-28

王智强(1983-)，男，河南新乡人，硕士，深圳市房地产评估发展中心工程师．

U416.14

A

1673-5781(2016)04-0522-04