巖石邊坡穩(wěn)定性地質(zhì)分析及工程應(yīng)用

程國能

（無錫高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展股份有限公司，江蘇無錫 214028）

0 引言

徐邦棟教授于20世紀70年代提出工程地質(zhì)分析與力學(xué)計算的綜合評價方法 (即所謂“八大法”)的基本指導(dǎo)思想是將滑坡視為一定地質(zhì)條件下動態(tài)的、變化的過程，評價不僅是當(dāng)前的狀態(tài)，還要考慮外界因素和人為工程作用后的變化和發(fā)展趨勢。對不同的滑坡選擇其中3～4種方法評價，互相驗證以得到符合實際的結(jié)果。公路路基設(shè)計規(guī)范(JTG D30-2004)：邊坡穩(wěn)定性評價宜綜合采用工程地質(zhì)類比法、圖解分析法、極限平衡法和數(shù)值分析法進行；《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330-2013）：邊坡抗滑移穩(wěn)定性計算可采用剛體極限平衡法。對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的巖質(zhì)邊坡，可配合采用極射赤平投影法和實體比例投影法；當(dāng)邊坡破壞機制復(fù)雜時，可采用數(shù)值分析法；《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》（SL 386-2007）：邊坡穩(wěn)定性的初步判別宜采用極射赤平投影法、工程地質(zhì)類比法進行判別。經(jīng)穩(wěn)定性初步判別有可能失穩(wěn)的邊坡均應(yīng)進行穩(wěn)定計算。初步判別難以確定穩(wěn)定性狀的邊坡也應(yīng)進行穩(wěn)定計算。對可能發(fā)生滑動破壞的邊坡，應(yīng)按照本節(jié)的規(guī)定進行抗滑穩(wěn)定計算。對可能發(fā)生其他破壞形式的邊坡，宜參照類似邊坡進行專門研究。從基本分析方法來看，各規(guī)范都認可需要綜合采用工程地質(zhì)類比法、極射赤平投影法（圖解分析法）、極限平衡法分析計算，提倡工程地質(zhì)分析與力學(xué)計算相結(jié)合的綜合評價方法。因此，地質(zhì)分析與力學(xué)計算的有機結(jié)合才是完整的評價方法，前者為后者提供了參數(shù)和邊界條件，后者給出了定量概念。忽視滑坡地質(zhì)過程的分析，過于依賴計算結(jié)果是不可取的。

1 失穩(wěn)模式判斷方法

在巖質(zhì)邊坡中，巖體的失穩(wěn)與破壞主要受巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)面的控制。它們相互之間的空間分布位置、組合關(guān)系(包括自然邊坡或邊坡開挖面的產(chǎn)狀)和結(jié)構(gòu)面的物理力學(xué)性質(zhì)等，對邊坡的穩(wěn)定都起著至關(guān)重要的作用。赤平投影方法正是基于這一點來進行的，應(yīng)用這種方法可以幫助地質(zhì)及工程技術(shù)人員對邊坡的穩(wěn)定性做出快速、定性的判斷。

圖1說明了邊坡失穩(wěn)的三種類型與相應(yīng)的結(jié)構(gòu)面赤平投影圖的對應(yīng)關(guān)系 (H0ek&Bray,1977)。在平面破壞和模體破壞兩種類型中，其失穩(wěn)或滑動的判別原則一般可簡單歸納為βp≥β≥φ，其中β為結(jié)構(gòu)面（或某兩組結(jié)構(gòu)面交線）在坡面傾向上的視傾角，βp為邊坡面(或某兩組結(jié)構(gòu)面交線)的傾角，φ為結(jié)構(gòu)面的摩擦角。特別值得指出的是，這一可能滑動的條件只考慮了結(jié)構(gòu)面的摩擦角。如果有凝聚力存在的情況，可以按照等效摩擦角的概念綜合考慮凝聚力的影響。

圖1 邊坡巖體結(jié)構(gòu)類型及其失穩(wěn)破壞形式示意圖

在此判別中，還要考慮坡面傾向與結(jié)構(gòu)面傾向的一致性 (通常認為當(dāng)兩者夾角小于或等于20°時才可能發(fā)生滑動)。當(dāng)有多組結(jié)構(gòu)面組合構(gòu)成模體破壞時，還要考慮每兩組結(jié)構(gòu)面交線的產(chǎn)狀與滑動方向的關(guān)系等綜合因素。

根據(jù)上述原則，在赤平投影平面上的可能滑動區(qū)由如下陰影區(qū)域組成（見圖2）。

圖2 用于巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析的赤平投影圖

2 標準分析方法

香港土木工程署編制的《巖土工程手冊》(1981年）給出了標準分析圖例，如圖3所示。

圖3 赤平投影分析結(jié)果示意圖

根據(jù)圖3所示的四組結(jié)構(gòu)面和坡面的產(chǎn)狀，以及摩擦角，應(yīng)用赤平投影方法及邊坡穩(wěn)定分析原理可做出邊坡失穩(wěn)模式的判別。設(shè)巖體結(jié)構(gòu)面摩擦角為35°，假設(shè)某一邊坡的傾向為140°，傾角為60°，其大圓如圖3所示。由圖中心的摩擦圓和外弧線所圍的月牙形封閉域為滑動區(qū)，靠近大圓邊界的扇形區(qū)為傾倒區(qū)。每一結(jié)構(gòu)面及其他結(jié)構(gòu)面相互組合的交線都可以在赤平投影圖中用其極點表示。從圖中可見，第1組結(jié)構(gòu)面和第1與第2組結(jié)構(gòu)面組合交線的極點落入了滑動區(qū)，第4組結(jié)構(gòu)面的極點落入了傾倒區(qū)，它們的傾角均大于35°。說明由于以上結(jié)構(gòu)面的存在可能引起該邊坡的滑動和傾倒失穩(wěn)破壞。而第2組結(jié)構(gòu)面，以及第1組與第4組、第1組與第3組、第2組與第4組、第3組與第4組結(jié)構(gòu)面所組合交線的極點均未落入滑動區(qū)和傾倒區(qū)，說明這些結(jié)構(gòu)面組合不可能形成滑動破壞。剩余的第3組結(jié)構(gòu)面，以及第2組與第3組結(jié)構(gòu)面組合交線的傾角雖然小于35°，但是如果輸入的摩擦角減小或者由于各種因素造成強度指標的降低，也可能引起邊坡的滑動。因此對這兩個可能組合，盡管其交線的極點未落入滑動區(qū)，但仍需對其穩(wěn)定性予以重視。

3 工程實例

貴陽市北部某線路工程，從K6＋450～K9+400，該段沿線地層以寒武系中上統(tǒng)婁山關(guān)群（∈2～3 ls）細晶白云巖、泥質(zhì)白云巖為主，中～厚層狀為主，局部為薄層狀，多夾薄層含粘土質(zhì)泥巖及泥化夾層。沿線地層以單斜為主，近南北走向，巖層產(chǎn)狀90°～120°∠20°～42°，巖層節(jié)理裂隙較發(fā)育，一般有兩組。線路在該段總體以正北走向，局部偏西30°偏東 20°。

該段地形起伏較大，地層走向與邊坡基本一致。總體上，線路右側(cè)邊坡以逆向坡和切向坡為主，邊坡穩(wěn)定性好，左側(cè)以順向坡為主，邊坡穩(wěn)定性差。

YK6+640～YK6+740右側(cè)邊坡（見圖4、圖5）

圖4 YK6+640～YK6+740右側(cè)邊坡斷面示意圖

圖5 YK6+640-YK6+740右側(cè)邊坡赤平投影分析示意圖

該邊坡巖層為寒武系薄層～中厚狀中風(fēng)化灰?guī)r、白云巖、泥質(zhì)白云巖組成，夾薄層泥巖，地層產(chǎn)狀115°∠28°，節(jié)理裂隙較發(fā)育，共兩組，產(chǎn)狀為110°∠80°和 20°∠85°，邊坡開挖高度約 40m，傾向為292°，總體傾角約57°，該處山體天然坡角約20°。

邊坡設(shè)計方案自下而上選擇：擋土墻（高8.0 m）+綠化平臺（寬2.0 m）+一級邊坡坡率1∶0.5（高10.0 m）+碎落臺（寬2.0 m）+二級邊坡坡率1∶0.5（高10.0 m）+碎落臺（寬2.0 m）+三級邊坡坡率1∶0.5（高 10.0 m）+碎落臺（寬 2.0 m）+四級邊坡坡率1∶0.5，如圖4所示 。其中，設(shè)計原方案坡腳采用坡腳墻，1級、2級、3級均采用錨桿框架梁防護，采用8 m錨桿。

根據(jù)赤平投影結(jié)果分析，地層 (L3)與節(jié)理1(L1)、節(jié)理2(L2)的交線，以及節(jié)理1(L1)、節(jié)理 2(L2)的交線均于邊坡傾向相反，屬于最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，實際邊坡開挖也反應(yīng)邊坡地質(zhì)條件較好，邊坡自穩(wěn)性較好，與赤平投影結(jié)果一致，如圖3所示。最終方案優(yōu)化為：取消原設(shè)計的錨桿框架梁，1～4級邊坡采用錨釘掛網(wǎng)混凝土封面的防護方式。

K0+230～K0+270改線段左側(cè)邊坡（見圖6、圖7）

圖6 K0+230～K0+270左側(cè)邊坡斷面示意圖

圖7 K0+230～K0+270左側(cè)邊坡赤平投影分析圖

該邊坡由寒武系薄層強～中風(fēng)化白云巖、泥質(zhì)白云巖組成，夾薄層泥巖，巖層層面局部較光滑，存在不連續(xù)分布的泥化夾層，厚度小于1 cm。地層產(chǎn)狀110°∠39°，節(jié)理裂隙較發(fā)育，每米約3～5條，共兩組，產(chǎn)狀為 105°∠75°和 355°∠75°，張開，上部靠地表最大裂隙寬度可大于10 cm，往下約3 mm，泥質(zhì)充填。巖體總體結(jié)構(gòu)松散、完整差。

邊坡開挖高度約16 m，傾向為102°，總體傾角約53°，該處山體天然坡角約18°。邊坡設(shè)計方案自下而上選擇：坡角墻（高2.0 m）+綠化平臺（寬1.5 m）+一級邊坡坡率1∶0.5（高8.0 m）+碎落臺（寬2.0 m）+二級邊坡坡率1∶0.75，如圖6所示 。其中設(shè)計原方案坡腳采用坡腳墻，1級、2級、3級均采用錨桿框架梁防護，采用4 m錨釘。

根據(jù)赤平投影結(jié)果分析，地層 (L3)與節(jié)理1(L1)、節(jié)理2(L2)的交線均于邊坡傾向相反，屬于穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；地層(L3)與節(jié)理2(L2)的交線位于邊坡投影大圓同向外側(cè)，且位于自然坡面投影大圓內(nèi)側(cè)，屬于不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，邊坡可能沿圓心與地層(L3)與節(jié)理2(L2)的交點的連線滑動。

對影響邊坡穩(wěn)定的層面和節(jié)理2組合的楔形體進行穩(wěn)定性計算，當(dāng)按極限平衡法驗算時，邊坡安全系數(shù)K=1.04，因此當(dāng)不考慮地下水作用時，邊坡總體還是穩(wěn)定的，處于臨界狀態(tài)，但在雨水滲入的情況下，抗剪強度的減弱作用和水壓的推力可能導(dǎo)致邊坡破壞。實際邊坡開挖后開始還是穩(wěn)定的，約1個月后受降雨等影響，局部發(fā)生了滑塌。

最終方案優(yōu)化為：沿滑塌后層面進行順向清坡，取消邊坡平臺，一次放坡到位，采用錨外外桿+錨索相結(jié)合的支護方式。

對沿線左側(cè)6處順向邊坡赤平投影法進行分析，邊坡均在圓心與地層與節(jié)理的交點的連線發(fā)生滑動的可能，地層順層面是主要控制的結(jié)構(gòu)面，其中4處邊坡在開挖過程中發(fā)生不同程度的滑塌。

4 結(jié)論

工程地質(zhì)分析是巖石邊坡設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，利用基于赤平投影原理的工程地質(zhì)方法可以簡單和明確地初步確定邊坡可能存在的不穩(wěn)定滑動面和破壞模式。其方法直觀、形象、通俗易懂，且省去了大量的工程計算，并能為工程具體穩(wěn)定設(shè)計計算提供可靠的分析方向和基本依據(jù)。