乌鲁木齐市头屯河区二号台地边坡临界坡角研究

曹小红;孟和;杨长德;艾比拜尔·买买提

【摘 要】基于对乌鲁木齐市头屯河区二号台地人工开挖边坡及滑塌体的大量现场调查、勘测及边坡岩土体室内试验、典型边坡稳定性分析计算,得出不同岩土体、坡面形态与边坡稳定性之间的关系:滑塌堆积体体积大、一般上部为凹坡、砾石含量高、砂含量低则坡体相对稳定,现场测得这类滑塌体临界坡角约36°;砂砾石坡体表现为崩塌破坏,滑塌体含砂量越高越容易垮塌、临界坡角约28°～32°;边坡露头底部强风化泥质砂岩差异风化明显,细砾及砂含量高则易垮塌;细粉砂及含钙质结核的粉土区低缓坡基本稳定,而高陡边坡先期以蠕动变形为主,后期趋于垮塌;滑塌体临界坡角为28°～36°,且随着滑塌体临界坡角的增大,边坡稳定性系数有所提高. 【期刊名称】《地质》 【年(卷),期】2019(037)001 【总页数】4页(P124-127)

【关键词】岩土体性质;坡面形态;边坡稳定性;临界坡角;分析计算 【作 者】曹小红;孟和;杨长德;艾比拜尔·买买提

【作者单位】工程学院,乌鲁木齐830091;农业大学,乌鲁木齐830000;工程学院,乌鲁木齐830091;工程学院,乌鲁木齐830091;工程学院,乌鲁木齐830091 【正文语种】中 文 【中图分类】P2.2

边坡失稳可能会导致人员伤亡和环境破坏，妨碍公路工程、水利水电工程等，可能会对资源开发和山区发展带来一定影响[1-3]。工程学院地处乌鲁木齐市头屯河区大学城内，区内人员相对密集，近几年大规模工程开工建设，出现大量基坑边坡、路堑边坡等人工裸露边坡，由于人工开挖切坡或堆载，加之地表水及地下水的作用乃至地震等因素的影响[4,5]，区内曾发生过多起局部甚至大范围边坡失稳滑塌现象[6]。一些不稳定性斜坡未能及时治理，对人员及交通安全构成了威胁[7,8]。因此，对研究区区域地质构造、岩土体力学性质、水文地质等条件展开调研，分析计算边坡稳定性，提出欠稳定边坡的防护设计，确保边坡长期稳固[9]，对减少事故发生和经济损失具重要的理论和实践意义[10]。

图1 研究区地质简图Fig.1 Geological map of the study area(据地矿局修编，2018)1.全新统下部洪冲积层；2.全新统下部坡洪积层；3.全新统上部洪冲积层；4.上更新统群坡洪积层；5.上更新统群洪冲积层；6.中更新统乌苏群洪冲积层；7.始新—渐新统安集海河组；8.上侏罗统齐古组；9.下白垩统清水河组；10.下白垩统呼图壁河组；11.推测断层；12.研究区位置 1 区域地质概况

头屯河区二号台地位于乌鲁木齐市区西部，海拔高度为852～1 208 m，地貌属剥蚀-堆积丘陵区，微地貌为山前坡积、冲洪积台地及坡地，呈波状起伏的低山丘陵，地势总体南高北低，周边被低山丘陵环抱，冲沟、槽型沟发育(图1)。研究区出露的地层主要为全新统下部洪冲积层和上更新统群洪冲积层。全新统下部洪冲积层为浅灰色砂砾石层，砾石成分复杂，磨圆度中-较好，多呈次圆状，分选性中等。上部为土黄色、浅黄色砂土、含砾亚砂土，厚几米至200余米。上更新统群洪冲积层为砂砾石、细砂、粉质黏土混合组成的疏松层，砾石约60%～75%，分选中等，磨圆度为浑圆-次浑圆状，球度中等。流经本区的河流主要为乌鲁木齐河

及水磨河，地下水以松散岩类孔隙水及基岩裂隙水为主，含水层为浅层基岩裂隙、砂砾石层、砂土层。春季融雪和夏季降水入渗补给潜水层径流。 2 边坡形态及稳定性 2.1 边坡形态

对新校区停车场西北侧各类人工开挖边坡现场勘测，边坡上部岩土体垮塌堆积在坡脚形成滑塌堆积体，当上部垮塌物减少后趋于稳定(图2，3)。 2.2 边坡临界坡角

文中提及的临界坡角即为边坡上部岩土体滑塌或垮塌后堆积在坡脚下部形成的滑塌堆积体稳定时的最大坡角，这时未考虑地震和水的作用。当滑塌堆积体坡角大于临界坡角时堆积体趋于不稳定。参照溜砂坡天然休止角的概念，现场勘察阶段先用肉眼识别滑塌堆积体，选用稳定的堆积体，在边坡顶向坡脚处投掷约100 g中砂，当坡底滑塌堆积体局部被流砂带动向下移动时，用地质罗盘测定此时的滑塌堆积体坡角即为临界坡角。

现场勘察发现上部凹坡砾石含量高、砂含量低则越容易垮塌，中、细砾含量高临界坡角偏大，现场测得此类滑塌体临界坡角34°～36°；砂砾石坡体表现为垮塌破坏，滑塌体含砂量越高越容易垮塌、临界坡角约28°～32°；含钙质结核的粉质黏土及粉土区坡体垮塌，临界坡角随细粒的粉土和黏土含量的增高而增大，对新校区锅炉房东侧这类边坡勘测临界坡角35°～36°。对新校区周边砂砾石边坡、粉土及黏土坡的勘测，当临界坡角α＜30°时，仅在坡顶和坡面浅表层存在较少张力带，此时边坡的变形破坏模式主要为岩土体碎落，处于临界状态，整个边坡的稳定性较好；当30°＜α＜40°时，坡顶张力带向坡面方向扩展，并向坡体内部发展，边坡可能出现的破坏模式为垮塌或滑塌；当α＞40°时，天然状态下边坡基本稳定，当人站在坡顶或有其他外力作用(降雨、地震、工程荷载)时，坡顶张力带与坡面的张力带扩展甚至贯通，一旦受外力作用边坡大规模滑动或垮塌破坏的概率剧增。

图2 实测8个垮塌边坡段照片(2016年4月10日摄)Fig.2 Measured 8 collapsed slopes photos

图3 实测4号边坡段工程地质剖面Fig.3 Measured engineering geological section of No.4 slope section1.人工堆积；2.砾石；3.砂砾石；4.砂；5.交错层理 图4 不同类型岩土体边坡变形、失稳特征Fig.4 Deformation and instability characteristics of different types of rock and soil slopesa——砂砾石垮塌破坏；b——细砂、粉土蠕变破坏；c——含钙质结核的粉质黏土、黏土边坡垮塌失稳；d——砂岩及含钙质结核的粉土差异风化 2.3 边坡变形、失稳、破坏和岩土类型的相关性

岩土类型及性质是影响边坡稳定的主要因素，岩性控制着斜坡变形破坏的形式和类型。现场调查发现在砂砾石含量高的区域内，坡体以垮塌为主(图4-a)；在细砂、粉土区，往往产生蠕变、表层挠曲、倾倒等破坏形式(图4-b)；研究区边坡土体干燥时，含粉质黏土、黏土的坡体较陡峻，一经水浸，土的强度骤减，变形急剧，边坡失稳垮塌(图4-c)；区内含砂、含钙质结核的粉土差异风化明显(图4-d)。 表1 头屯河二号台地工程学院边坡各坡段边坡要素特征值Table 1

Characteristics of slope features of slope sections of Xinjiang Engineering College,No.2 Platform,Toutunhe River边坡要素边坡角/°总坡高/m边坡水平投影长L2/m边坡垂直投影长H2/m滑塌体水平投影长L1/m滑塌体垂直投影长H1/m临界坡角/°滑塌体斜长/m上部边坡内聚力/kPa下部滑塌体内聚力/kPa上部边坡内摩擦角/°下部滑塌体内摩擦角/°边坡段1 .00 9.50 3.00 6.39 4.54 3.11 34.45 5.50 20.00 11.50 31.00 28.00边坡段2 60.70 8.30 3.40 6.15 3.33 2.15 32.92 3.97 22.00 11.80 31.00 28.00边坡段3 63.55 8.90 3.70 7.39 2.45 1.51 31.54 2.88 23.00 18.80 36.00 29.00边坡段4 63.50 10.90 4.45 8.90 3.10 2.00 33.13 3.66 22.00 13.90 32.00 33.00边坡段5 60.29 11.90 6.28 10.99 1.46

0.91 32.48 1.73 21.00 13.00 33.00 29.00边坡段6 63.25 10.20 4.45 8.82 1.95 1.38 35.40 2.39 22.00 15.00 33.00 31.00边坡段7 73.33 5.90 1.22 4.06 2.67 1.84 34.63 3.24 24.00 17.00 36.00 35.00边坡段8 68.30 4.40 0.56 1.95 3. 2.45 36.30 4.39 23.50 18.50 36.00 33.00均值.62 8.75 3.38 6.83 2. 1.92 33.86 3.47 22.19 14.94 33.50 30.75

每段坡各要素实测30组以上，算出各要素均值。实测及统计分析得出8个边坡段滑塌体临界坡角、堆积体高度、边坡角、坡高、边坡及滑塌体内聚力和内摩擦角(图2，表1)，可见边坡段的临界坡角为31.54°～36.3°，坡长1.5～6 m，边坡角60.29°～73.3°。 3 坡体稳定性分析计算 3.1 建模及岩土体物理力学参数

据现场调查、勘测结果，建立上部边坡、下部滑塌堆积体的二维简化模型，图5中边坡下部实质为滑塌体堆积物，对坡基础及边坡后缘施加水平和垂向位移及应力约束(表2)。

图5 边坡及其滑塌体要素示意图Fig.5 Schematic diagram of slope and its sliding bodyα——滑塌体临界坡角(°)；β——边坡角(°)；H——总高度(m)；H1——滑塌体堆积高度(m)；H2——边坡高度(m)；L——滑塌体斜长(m)；L1——滑塌体水平投影长(m)；L2——边坡水平投影长(m)。 3.2 边坡稳定性等级划分

对边坡安全等级应结合边坡工程勘察和地质环境复杂程度划分。工程学院内边坡等级划分属于一般工况下二级永久边坡(表3)，再根据《建筑边坡工程技术规范》(GB50330～2013)的规定，可判定研究的边坡段是否稳定[11]。

根据规定，当边坡稳定系数K＜1.30时，边坡未达到规范要求的稳定性，此时边坡需要处理或加固。文中8个边坡段安全系数不能小于1.30。

表2 研究区岩土体物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of rock and soil in the study area土层名称第②层强风化砂砾岩第②层圆砾第②1层粉质黏土第②2层细砂密度/(g/cm3)1.9 2 1.8 1.7内摩擦角/°27 30 18 20内聚力/kPa 20 5变形模量/MPa 23 25 8 10

表3 边坡稳定性划分表Table 3 Slope stability division table边坡类型永久边坡临时边坡边坡工程安全等级一般工况地震工况一级1.35 1.15 1.25二级1.30 1.10 1.20三级1.25 1.05 1.15 3.3 不同坡角边坡稳定性分析计算

采用边坡简化模型及各段边坡岩土体物理力学参数，用圆弧滑动法计算各边坡段的稳定系数，并判断该边坡体是否稳定。在坡高相同的情况下，岩体愈坚硬、坡角越小，抗变形能力愈强，边坡稳定性愈好；反之稳定性差。因此，坚硬完整的岩石能形成相对稳定的斜坡，而软弱岩层和土体一般维持低缓的斜坡(表4)。

表4 边坡稳定性计算结果与评判Table 4 Slope stability calculation results and evaluation边坡号稳定性系数稳定性12345678 1.197欠稳定1.337稳定1.339稳定1.192欠稳定1.194欠稳定1.271欠稳定1.838稳定1.943稳定

当边坡稳定系数K＜1.30时，边坡未达到相应级别的安全性，认为边坡需要加固。据上述标准在分段边坡1～8中，边坡8最稳定，其稳定系数K为1.943；受临空面影响，边坡4最不稳定，其稳定系数K为1.192。边坡2、3、7、8的稳定系数K＞1.3，是稳定的；而边坡1、4、5、6的稳定系数K＜1.3，边坡是欠稳定的，一旦遭到内力地质作用或外力地质作用、工程振动及外荷载影响，很有可能变形、失稳、破坏。其中4号边坡段东侧、东偏北侧存在临空面。另外，在现场发现滑塌堆积体体积大、一般上部边坡为凹坡、砾石含量高，则边坡稳定性系数偏高；滑塌体体积大的坡体一般砾石及砂的含量均高；中、细砾含量高、砂含量低则坡体相对稳定；细砾及砂含量高则易滑塌；粉细砂、粉土分布区低缓坡体稳定，而高陡坡

体趋于滑塌、粉质黏土及粉土区坡体垮塌失稳。 3.4 不同坡面形态稳定性对比分析

边坡的剖面形态对边坡稳定性有很大影响，不同剖面形状的边坡，稳定性也不同。边坡坡形一般可分为3种：直线型、凸坡和凹坡。凹坡的长期稳定性最好，直线型较稳定，而凸坡的长期稳定性较差。对于同类的凹形边坡来说，边坡等高线曲率半径越小则边坡越稳定。因此，在工程实践中多采用分段凹形开挖法使开挖边坡保持稳定，但同时要避免多个临空面，以提高坡体稳定性。 4 讨论与结论

根据现场调查、勘测及边坡稳定性分析计算，研究区滑塌堆积体体积大、一般上部边坡为凹坡、砾石含量高，则边坡稳定性系数偏高；滑塌体砾石及砂的含量均高，强风化砂砾石坡体表现为垮塌破坏，临界坡角约36°；中、细砾含量高、砂含量低则坡体相对稳定，临界坡角约28°～32°；细砾及砂含量高则易滑塌；研究区砂岩差异风化明显，垮塌有分带分布特征；粉细砂、粉土区低缓坡体稳定，而高陡坡体先期以蠕动为主，后期趋于滑塌；含钙质结核的粉质黏土及粉土区坡体垮塌失稳受外力影响，滑塌体临界坡角为28°～36°。 参考文献

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