趙守良 呂 超 趙 鵬 曹集士

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽(yáng) 550081)

貴州地貌屬于中國(guó)西南部高原山地,境內(nèi)山巒重疊，地質(zhì)環(huán)境薄弱，在高速公路的建設(shè)中常形成穩(wěn)定性差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高邊坡，危及公路運(yùn)營(yíng)安全[1]。

路塹高邊坡的失穩(wěn)主要是由于開(kāi)挖卸荷作用誘發(fā)巖體應(yīng)力場(chǎng)急劇調(diào)整，巖土體逐漸屈服變形，進(jìn)而產(chǎn)生不同的邊坡破壞模式。王浩等[2]結(jié)合雙永高速某超高路塹邊坡案例，采用邊坡穩(wěn)定度反分析思路、強(qiáng)度折減法和有限元仿真技術(shù)解釋了高邊坡開(kāi)挖卸荷松弛的力學(xué)機(jī)理；張社榮等[3]基于極限平衡法和有限元強(qiáng)度折減法，揭示了多層軟弱夾層邊坡變形破壞規(guī)律與巖層傾角、邊坡坡腳及結(jié)構(gòu)面間距之間的關(guān)系。蒲德洪等[4-5]基于豎直條分法，分析了不同工況下山區(qū)某高邊坡穩(wěn)定性，提出了防護(hù)方案；蔣永生[6]結(jié)合野外勘察及位移監(jiān)測(cè)曲線，概括了邊坡失穩(wěn)三大特征。

1 工程概況

1.1 地形地貌特征

項(xiàng)目區(qū)地處貴州高原東部斜坡地帶。本文研究邊坡位于黃平高速三施段鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣金堡鎮(zhèn)羊滿哨村，起終樁號(hào)為K18+600-K18+900，擬按1∶1坡率開(kāi)挖邊坡，最大高度59.87 m。路段橫跨一單斜山脊，場(chǎng)區(qū)附近海拔836～970 m，相對(duì)高差134 m，地貌類型為構(gòu)造侵蝕-溶蝕型低山地貌。

1.2 工程地質(zhì)條件

經(jīng)地質(zhì)調(diào)繪與鉆孔揭露，該段邊坡局部地表基巖裸露，上覆土層為含碎石粉質(zhì)黏土，厚0～7 m，下伏基巖為寒武系下統(tǒng)杷榔組(∈1p)泥巖夾粉砂巖，強(qiáng)風(fēng)化層厚8～14 m，節(jié)理裂隙發(fā)育～很發(fā)育，巖體破碎～極破碎，屬軟質(zhì)巖。

路段左側(cè)110～180 m處發(fā)育斷層F1、F2，均為逆斷層。F1綜合走向?yàn)楸睎|—南西向，斷層面產(chǎn)狀約160°∠75°。F2走向近東西向，斷層面產(chǎn)狀約330°～350°∠75°。斷層帶巖體破碎，附近巖層產(chǎn)狀凌亂。路段位于斷層F2上盤(pán)，巖層產(chǎn)狀280°～320°∠12°～22°。F1斷層距開(kāi)挖邊坡較遠(yuǎn)，對(duì)邊坡影響較小，F(xiàn)2斷層距邊坡左側(cè)開(kāi)挖邊界最近約25 m，在邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)需稍加考慮。

受構(gòu)造作用影響，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)揭露，主要的2組節(jié)理為L(zhǎng)1：215～235°∠85°，L2：120°～140°∠75°～85°，節(jié)理間距50～200 mm。中風(fēng)化層內(nèi)節(jié)理面較為平滑，多呈閉合狀；強(qiáng)風(fēng)化層中節(jié)理裂隙多呈張開(kāi)狀，局部見(jiàn)黏土及碎石充填，無(wú)膠結(jié)、結(jié)合差，巖體被節(jié)理裂隙切割成碎塊、碎石狀。

場(chǎng)區(qū)地下水埋藏較深，鉆孔未揭露。因此本文中未考慮地下水作用。

將本段地層構(gòu)造信息適當(dāng)簡(jiǎn)化，擬開(kāi)挖邊坡按1∶1坡率放坡，每級(jí)邊坡高10 m，平臺(tái)寬2 m，繪制開(kāi)挖坡面線，最后建立如圖1所示工程地質(zhì)模型，作為分析及設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。

圖1 K18+700典型剖面工程地質(zhì)模型圖

2 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 潛在滑面分析

在邊坡穩(wěn)定性分析中，一個(gè)關(guān)鍵要素就是確定邊坡的潛在滑動(dòng)面。邊坡潛在滑動(dòng)面的形式和確定方法隨邊坡結(jié)構(gòu)形式不同而不同。一般來(lái)說(shuō)，邊坡破壞模式可歸納為：崩塌破壞、平移滑動(dòng)破壞、楔形破壞、傾倒破壞和圓弧破壞等模式。圓弧滑動(dòng)是軟弱均質(zhì)巖層常見(jiàn)的一種邊坡破壞模式，本文所研究邊坡地層可簡(jiǎn)要?jiǎng)澐譃?層，即上覆的含碎石粉質(zhì)黏土層；下伏的泥巖夾粉砂巖層，整體巖體較為破碎，巖質(zhì)軟。在邊坡開(kāi)挖過(guò)程中，新鮮巖體直接暴露在空氣中，很容易發(fā)生風(fēng)化崩解、軟化，巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步破壞形成類均質(zhì)巖。因此對(duì)坡體按均質(zhì)巖分析，應(yīng)用簡(jiǎn)化Bishop法搜索潛在最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，得到如圖1所示主滑動(dòng)面①。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查及鉆孔揭露，在擬開(kāi)挖邊坡后緣約25 m左右存在一逆斷層F2，受構(gòu)造作用影響，斷層附近巖體有明顯錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象且裂隙較為發(fā)育，故推斷邊坡極可能從斷層位置滑出。另外，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及類比法，類均質(zhì)軟巖滑坡后緣一般位于開(kāi)挖坡頂位置后方20～30 m范圍內(nèi)，本文取最大位置30 m進(jìn)行分析。經(jīng)鉆孔揭露，區(qū)內(nèi)巖體傾角12°～22°，與坡面傾向相同，巖性為泥巖夾粉砂巖,邊坡屬緩傾切向-順層坡，所以滑面極易沿層面軟弱夾層方向形成。故經(jīng)以上分析，確定圖1中潛在滑動(dòng)面②、③。

2.2 赤平投影分析

研究邊坡按設(shè)計(jì)坡比1∶1放坡后，最大高度60 m，為6級(jí)坡，線路走向246°，開(kāi)挖坡向336°。如圖1所示，本段邊坡主要結(jié)構(gòu)面巖層產(chǎn)狀為310°∠20°，發(fā)育的2組主要節(jié)理L1，L2產(chǎn)狀分別為215°∠85°和130°∠75°，經(jīng)數(shù)據(jù)分析作圖2所示赤平投影圖。

圖2 赤平投影圖

邊坡為切向-順向坡，覆蓋層厚度局部較大，強(qiáng)風(fēng)化層巖體破碎，層面與L1組合交線與開(kāi)挖坡面斜交，傾向坡外，傾角小于開(kāi)挖坡角，開(kāi)挖后易產(chǎn)生順層滑動(dòng)，滑塌。L1和L2組合交線陡傾坡外，傾角大于開(kāi)挖坡角，開(kāi)挖后易產(chǎn)生崩塌、滑坍。所以有必要從赤平投影上分析邊坡防護(hù)。

2.3 巖土物理力學(xué)參數(shù)評(píng)估

巖土物理力學(xué)參數(shù)的確定一直是邊坡分析計(jì)算的難點(diǎn)，現(xiàn)今多采用室內(nèi)試驗(yàn)、工程經(jīng)驗(yàn)與反算分析相結(jié)合的方法。對(duì)于下伏基巖，其對(duì)邊坡分析結(jié)果影響較小，直接調(diào)用現(xiàn)場(chǎng)勘察資料確定其物理力學(xué)參數(shù)。對(duì)于上覆含碎石粉質(zhì)黏土及潛在滑動(dòng)帶，主要依據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)及有關(guān)規(guī)范、經(jīng)驗(yàn)提供的參數(shù)取值區(qū)間，用反分析法推算其強(qiáng)度參數(shù)，反分析求解過(guò)程基于傳遞系數(shù)法，先假定穩(wěn)定系數(shù)Fs已知，值為1，即邊坡恰處于極限平衡狀態(tài)，分別反算不同c值條件下的φ值，在邊坡范圍內(nèi)選取2處最不利斷面，聯(lián)立2處滑坡體極限平衡方程，得出反分析法下的土體力學(xué)參數(shù)。其中滑帶土參數(shù)確定時(shí)，考慮到滑面延伸至中風(fēng)化層，并結(jié)合分析結(jié)果、規(guī)范及經(jīng)驗(yàn)得出其力學(xué)參數(shù)比強(qiáng)風(fēng)化層稍強(qiáng)。最后結(jié)合各參考資料、試驗(yàn)及計(jì)算分析，綜合確定表1、表2所示主要分析計(jì)算參數(shù)。

表1 剩余下滑力計(jì)算基本參數(shù)

表2 巖土主要物理力學(xué)參數(shù)表

2.4 剩余下滑力計(jì)算分析

計(jì)算采用傳遞系數(shù)法，結(jié)合理正巖土計(jì)算軟件，計(jì)算結(jié)果如表3所示，繪制剩余下滑力與滑坡幾何參數(shù)的關(guān)系曲線、剩余下滑力隨滑坡后緣距離變化的曲線。見(jiàn)圖3、圖4。

表3 不同滑面結(jié)果比較表

圖3 剩余下滑力與滑坡幾何參數(shù)的關(guān)系曲線

圖4 剩余下滑力隨滑坡后緣距離變化的曲線

由表3可見(jiàn)，滑面①所形成的滑坡體無(wú)論從寬度或是高度上均大于滑面②、③所形成的滑坡體，滑坡剪出口位于坡腳位置，剩余下滑力達(dá)到了3 909.6 kN/m，而滑面②、③的滑坡剪出口位置均位于邊坡中-下區(qū)域，剩余下滑力分別達(dá)到了2 887.7 kN/m，3 412.9 kN/m。

圖3揭示了3種潛在滑面下，滑坡體幾何參數(shù)與剩余下滑力之間的關(guān)系，2條曲線近似重疊，可近似作為1條滑坡體幾何體積與剩余下滑力的關(guān)系曲線考慮，從圖3中可明顯看出滑坡剪出口的剩余下滑力是隨其幾何體積的增大而增大的，滑面①是從坡腳至坡頂位置全部貫通，滑坡體體積最大，隨之坡腳處的剩余下滑力也最大，這也證實(shí)了傳遞系數(shù)法的本質(zhì)是下滑力是自上而下靠巖土體自重傳遞的，與滑坡體的體積有很大關(guān)系。

由圖4可見(jiàn)，無(wú)論是在滑面①、滑面②或者滑面③條件下，剩余下滑力隨著距滑坡后緣距離的增大均呈先增大后逐漸變緩的趨勢(shì)，峰值大約出現(xiàn)在距滑坡剪出口后方20 m處，大小分別在4 000，3 000，3 500 kN/m左右?；姊凇ⅱ凼窃跀M開(kāi)挖邊坡的第三級(jí)剪出，分析滑面①第三級(jí)平臺(tái)處的下滑力約為3 160 kN/m，所以綜合考慮在第三級(jí)平臺(tái)設(shè)計(jì)抗滑措施是十分必要的，另外滑面①坡腳處下滑力最大為3 909.6 kN/m，需在坡腳設(shè)計(jì)二級(jí)抗滑措施進(jìn)行防護(hù)。

3 邊坡防護(hù)對(duì)策研究

經(jīng)以上分析，此邊坡的治理應(yīng)著重放在以下方面。

1) 本段邊坡主要巖性為泥巖夾粉砂巖，巖體節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖體破碎，結(jié)構(gòu)面結(jié)合差。受F2斷層與L1，L2主要節(jié)理影響，兩者之間所夾的區(qū)域巖體較為破碎，形成巖體破碎帶，如圖1所示，在滑面分析時(shí)將其考慮為均質(zhì)破碎體，易產(chǎn)生圓弧滑動(dòng)，與L1，L2相交于第三級(jí)邊坡附近，并且經(jīng)下滑力計(jì)算，①、②、③ 3種滑面在第三級(jí)坡頂處的剩余下滑力分別為3 305.8，3 047.6，3 552.5 kN/m，數(shù)值較大。綜合分析，需在第三級(jí)邊坡處設(shè)一級(jí)抗滑支擋。

2) L1，L2節(jié)理將邊坡進(jìn)行了切割，左右兩側(cè)的巖體產(chǎn)狀發(fā)生了明顯變化(見(jiàn)圖1)，左側(cè)巖體相對(duì)邊坡切向分布，巖性破碎，考慮為均質(zhì)圓弧滑動(dòng)。右側(cè)巖體傾向與邊坡傾向相同，傾角小于坡腳，另外由于巖體較軟并夾有泥巖層，故巖體會(huì)沿層面順層滑動(dòng)或沿層面圓弧滑動(dòng)，結(jié)合滑面①條件下坡腳處的剩余下滑力為3 909.6 kN/m，在第三級(jí)處設(shè)置支擋后坡腳仍有較大下滑力剩余，所以需在坡腳處設(shè)二級(jí)抗滑支擋。

3) 本段邊坡節(jié)理裂隙較為發(fā)育，為避免節(jié)理結(jié)構(gòu)面處出現(xiàn)較大滑裂面，可對(duì)類似L1、L2這種較為主要的節(jié)理裂隙面進(jìn)行注漿處理，一方面水泥漿液在節(jié)理裂隙中有效擴(kuò)散，將碎裂巖體連為整體，可提高邊坡穩(wěn)定性。另一方面注漿后可有效封堵原有的導(dǎo)水通道，消除水滲入造成的隱患。

4) 由于邊坡區(qū)巖體為泥巖，其開(kāi)挖暴露后風(fēng)化迅速，其遇水極易軟化，邊坡施工開(kāi)挖后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行坡面封閉、加固，避免長(zhǎng)時(shí)間曝曬，從而導(dǎo)致其失穩(wěn)。

據(jù)此，防護(hù)方案設(shè)計(jì)綜合治理措施見(jiàn)圖5。

本段路基設(shè)計(jì)為七級(jí)坡：第一級(jí)采用懸臂8 m抗滑樁；第二、三級(jí)坡率均為1∶1，第三級(jí)平臺(tái)設(shè)置全埋式抗滑樁，第四、五、六、七級(jí)坡率均為1∶1，坡高10 m，坡面采用框架錨索和框架植草進(jìn)行防護(hù)；對(duì)邊坡體上較為發(fā)育，存在安全隱患的巖體裂隙進(jìn)行注漿處理，防止降雨條件下較大滑裂面的出現(xiàn)；邊坡開(kāi)挖前應(yīng)先做好場(chǎng)區(qū)臨時(shí)排水系統(tǒng)；開(kāi)挖過(guò)程中如發(fā)現(xiàn)坡面有地下水滲出，應(yīng)及時(shí)設(shè)置排水措施將其引出，避免其對(duì)坡體產(chǎn)生浸泡，導(dǎo)致坡體失穩(wěn)。

圖5 防護(hù)方案設(shè)計(jì)圖(單位：m)

4 結(jié)語(yǔ)

本文以三施高速某深路塹邊坡為工程背景，得到的成果主要如下。

1) 運(yùn)用簡(jiǎn)化Bishop法、理論分析及工程經(jīng)驗(yàn)法分析了切向-順層軟質(zhì)巖邊坡的破壞模式，并結(jié)合構(gòu)造特征得出了邊坡的3種潛在滑移面。

2) 結(jié)合赤平投影分析，對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，得出邊坡易產(chǎn)生順層滑動(dòng)，節(jié)理交線處易垮塌的結(jié)論。

3) 通過(guò)邊坡剩余下滑力計(jì)算，分析了邊坡各處剩余下滑力與距滑坡后緣距離之間的關(guān)系及3種滑面下的滑坡幾何體積與剪出口剩余下滑力之間的關(guān)系。

4) 在以上分析基礎(chǔ)上，對(duì)邊坡防護(hù)方案的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析研究，并提出了有效的防護(hù)對(duì)策。

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