某邊坡失穩模式、過程及原因分析

李觀波, 楊 東, 陳建明

(核工業西南勘察設計研究院有限公司， 四川成都 610061)

某邊坡失穩模式、過程及原因分析

李觀波, 楊 東, 陳建明

(核工業西南勘察設計研究院有限公司， 四川成都 610061)

某邊坡為人工開挖而形成的高陡邊坡，邊坡上部為粉質黏土組成的土質邊坡，下部為順層泥巖夾薄層粉砂巖組成的巖質邊坡，在該邊坡治理工程實施過程中西側邊坡出現了失穩破壞，導致部分已完成的治理工程失效，并使得邊坡坡體結構特征、穩定性均發生改變。文章闡述了某中學邊坡的基本特征、結構特征，在此基礎上分析了邊坡可能發生的失穩模式，并通過邊坡失穩所表現出的宏觀變形特征，對邊坡失穩演變過程及失穩原因進行分析。

高陡邊坡； 變形特征； 失穩模式； 失穩過程； 失穩原因

某中學位于四川省廣元市利州區，受學校擬建操場場平開挖影響，形成最大高約22m的高陡邊坡，邊坡上部為土質邊坡，下部為順層巖質邊坡。為了確保邊坡的穩定，針對上部土質邊坡采用“格構錨桿”進行支護，下部巖質邊坡采用“抗滑樁+樁間擋土板”進行支擋。在邊坡治理工程實施過程中，邊坡西側出現失穩破壞，對邊坡的施工安全及操場的運營安全造成了嚴重的威脅。本文在調查邊坡基本特征、結構特征及變形特征的基礎上，對邊坡失穩模式、失穩過程及失穩原因進行了分析，并提出了相關的思考。

1 邊坡基本特征

該邊坡位于四川省廣元市利州區東壩水柜村，邊坡所在區域屬于低山丘陵區，原始地貌為斜坡地貌，斜坡坡頂最大高程為535.6m。受學校操場場平(操場設計標高為513.7m)和邊坡治理工程施工影響，邊坡區原始地貌被嚴重破壞，現已形成一個最大高約22m的直立人工挖方邊坡，上部為土質邊坡，下部為巖質邊坡(其中上部土質邊坡采用“格構錨桿”進行支護，下部巖質邊坡采用“抗滑樁+擋土板”進行支擋)，邊坡長約130m，坡向為220°，如邊坡破壞后果很嚴重，該工程安全等級為一級。

2 邊坡結構特征

根據現場調查及工程地質測繪，邊坡開挖區域出露的地層主要為粉質黏土和泥巖，局部夾薄層粉砂巖。其中粉質黏土位于邊坡上部，呈可塑-硬塑狀態，沖洪積成因，厚約2～10m；下部巖質邊坡出露地層主要為侏羅系中統泥巖，泥質膠結，薄-中厚層構造，局部夾薄層粉砂巖，巖層產狀：200°∠25°，主要發育2組節理裂隙：JL1：20°∠42°，JL2：272°∠75°，由于邊坡開挖未及時封閉，巖體風化作用非常強烈，表層巖體多成碎塊狀或片狀(圖1)。

圖1 典型工程地質剖面

3 邊坡失穩模式分析

邊坡開挖使得坡體的地貌形態和原始應力狀態發生改變，在坡體應力釋放和重分布過程中，綜合外營力作用，邊坡可能會產生不同模式的變形失穩破壞。因此，結合邊坡的基本特征、結構特征對某中學邊坡可能產生的變形失穩破壞模式分析。

3.1 土質邊坡

根據邊坡勘查報告，土質邊坡由粉質黏土構成，由于巖土接觸面平緩，土體不會沿基覆界面發生整體滑動。但由于土體厚度較大，且開挖后未及時進行支護，在經歷多次強降雨之后，邊坡發生變形，變形主要集中在坡口2～3m處，可見明顯張性裂縫，延伸方向大致和坡向垂直，延伸長約5m，裂縫張開約2～5cm。因此，上部土質邊坡在暴雨等作用下，可能在土體內部發生較大規模的圓弧滑動[1]。該邊坡格構錨桿支護施工完成之后，邊坡穩定性得到提高，邊坡變形得到有效控制，之后未出現新的變形跡象。

3.2 巖質邊坡

根據邊坡勘查報告，巖質邊坡為順層泥巖巖質邊坡，局部夾薄層粉砂巖。巖層產狀為：200°∠25°，發育2組節理裂隙：JL1：20°∠42°，JL2：272°∠75°。根據邊坡坡面形態、巖層產狀及節理裂隙面產狀組合，作赤平投影圖對邊坡變形破壞模式進行分析(圖2)。根據赤平投影圖分析可知[2]：巖層產狀與邊坡呈小角度相交，巖層面和JL2形成不利組合，組合跡線傾向坡外，因此，邊坡可能沿巖層面發生整體的平面滑動；且巖體在多組結構面組合切割下形成的楔形體易發生掉塊、崩落[3]。

圖2 巖質邊坡赤平極射投影

從上面分析可知，土質邊坡和巖質邊坡的失穩模式是不同的，土質邊坡可能產生的失穩模式為土體內部的滑動，而巖質邊坡可能產生的失穩模式為沿巖層面的平面滑動，其失穩模式示意圖見圖3。

圖3 邊坡失穩破壞模式示意

4 邊坡變形特征

邊坡開挖后，坡體沿著外傾軟弱結構面不斷向臨空面卸荷，在應力釋放過程中，邊坡西側出現蠕滑拉裂變形并逐漸達到極限平衡狀態，宏觀表現為2013年8月A1、A3抗滑樁樁頂和鎖口附近出現多條細小的裂紋(圖4)。

隨著時間推移，邊坡變形進一步加劇并向邊坡東側延伸，宏觀表現為2013年9月A1、A3抗滑樁裂紋發展成裂縫，抗滑樁與背側擋土板出現明顯錯位，A2、A4、A5、A6和B1抗滑樁也出現裂縫，裂縫與樁身呈約45°夾角，縫寬1～2cm；抗滑樁之間的坡體沿著泥巖和粉砂巖界面發生滑動，滑移距離約2cm，形成上、下兩個滑動面，邊坡進入滑移階段，此時邊坡坡頂土質邊坡仍未見到明顯的變形跡象。邊坡發生滑移后，巖土體的物理力學性質降低，滑坡推力增大，長期處于疲勞破壞階段的抗滑樁無法抵擋增大的滑坡推力，2013年10月4日凌晨12點左右，邊坡西側巖、土體沿泥巖與粉砂巖界面發生顯著滑移，最大滑移距離約15m，將A1、A2、A3、A4、A5、A6和B1等7根抗滑樁剪斷。邊坡西側滑坡區平面形態呈圈椅狀，縱向長約15m，橫向寬約35m，后緣見明顯滑動下錯后形成的滑坡壁，壁高約5m，滑坡方量約2 500m3。受下部巖質邊坡滑移牽引，邊坡西側上部土體也產生滑移破壞，導致已施工完的格構錨桿拉裂垮塌在滑坡左側(B2抗滑樁附近)形成陡直的臨空面(圖5～圖8)。

圖5 抗滑樁剪切裂紋

圖6 抗滑樁剪切裂縫

圖7 邊坡滑移形成上、下滑面

圖8 滑坡區照片

5 邊坡失穩過程分析

邊坡失穩破壞具有一定的空間和時間特征，不同時間階段具有不同的空間變化特征[4]。根據該邊坡失穩所表現出的宏觀變形特征建立地質模型，對邊坡失穩破壞過程進行分析，邊坡失穩破壞可以分為5個階段，其失穩破壞演變過程分析如下[5](圖9)。

(a)階段一(卸荷階段)

(c)階段三(滑移拉裂階段)

(d)階段四(變形加劇階段)

(e)階段五(失穩破壞階段)圖9 邊坡失穩破壞演變過程

(1)卸荷階段：由于抗滑樁未緊貼坡面，邊坡前緣存在臨空面，因此，邊坡開挖后坡體不斷向臨空方向卸荷。

(2)蠕滑拉裂階段：在坡體不斷向臨空面卸荷過程中，坡體結構逐漸松弛，結構面抗剪強度逐步降低，使得坡體沿層面和裂隙面發生蠕滑拉裂，滑移體后緣出現裂縫。

(3)滑移拉裂階段：后緣裂縫從坡體深部逐漸向上延伸，滑移體向臨空面滑動至抗滑樁背側，抗滑樁受壓出現剪切裂紋。

(4)變形加劇階段：受抗滑樁阻擋，邊坡變形在一定時間范圍內得到控制。但邊坡發生滑移后，巖土體的物理力學性質進一步降低，滑坡推力增大，長期處于疲勞破壞階段的抗滑樁無法抵擋增大的滑坡推力 ，抗滑樁結構進一步被破壞，出現剪切裂縫，樁頂移顯著增大，樁體傾斜，滑坡后緣拉裂縫逐漸向上貫通。

(5)失穩破壞階段：抗滑樁完全喪失支擋能力，滑移體脫離邊坡母體，在自重作用下發生失穩破壞，并將抗滑樁剪斷。

6 邊坡失穩原因分析

邊坡的失穩受內部因素和外部因素共同控制，其中內部因素主要包括邊坡的地形地貌特征、坡體結構特征、巖土體工程地質條件等，而外部因素主要包括人類工程活動、降雨、地震、施工工序及施工質量等[6]。因此，從內部因素和外部因素對該邊坡失穩破壞原因進行綜合分析。

(1)邊坡出露巖層為泥巖夾薄層粉砂巖，巖體工程性質較差，具備遇水易軟化，暴露易風化等特征，加之存在軟、硬相間外傾的結構面，為邊坡的失穩提供了物質條件。

(2)巖質巖體可近似看著各向同性的均勻連續體，內部應力處于靜態平衡，邊坡的開挖打破了這種靜態平衡，坡體 在應力重分布過程中不斷沿臨空面卸荷，使得坡體結構松弛，物理力學性質降低，為邊坡的失穩提供了空間條件。

(3)根據邊坡治理工程設計要求，在邊坡治理工程實施過程中，應先進行抗滑樁施工，再將邊坡開挖至規劃操場邊界處。但施工單位未按設計要求進行施工，在對邊坡進行大面積開挖后，未及時進行支擋加固，使得邊坡治理工程預加固效果不明顯，為邊坡的變形失穩進一步提供了時間和空間條件。

7 結束語

(1)某中學邊坡由上部土質邊坡和下部巖質邊坡組成，其上部土質邊坡的主要破壞模式為土體內部的圓弧滑動，下部巖質邊坡的主要破壞模式為沿后緣節理裂隙面和順向巖層面的平面滑動。

(2)根據邊坡失穩破壞所表現的宏觀變形跡象可知，邊坡失穩破壞是具有一定的時間和空間特征的，在不同的時間階段所表現出的空間變化特征是不同的。某中學邊坡失穩破壞可以以下分為5個階段：卸荷階段→蠕滑拉裂階段→滑移拉裂階段→變形加劇階段→失穩破壞階段。

(3)邊坡的失穩受內部因素和外部因素共同控制，某中學邊坡失穩破壞主要受邊坡的結構特征、巖土體的工程地質條件和人類工程活動影響。

(4)順層巖質邊坡開挖過程中一定要注意邊坡整體穩定性問題，特別是巖層傾角在20°左右的邊坡。

(5)巖質邊坡更容易沿軟硬相間的結構面產生滑動，邊坡從變形到破壞過程相對較短，且具一定的突發性。

(6)邊坡挖方施工組織設計中一定要明確施工順序和施工注意事項。

[1] 陳祖煜. 土質邊坡穩定分析——原理、方法、程序[M]. 北京：中國水利水電出版社，2003.

[2] 孫玉科，古迅.赤平極射投影在巖體工程地質力學中的應用[M]//工程地質學從書.科學出版社, 1980.

[3] 陳祖煜，汪小剛.巖石高邊坡失穩機理和分析方法[M].北京：中國水利水電出版社，1999.

[4] 張倬元，王士天，王蘭生.工程地質分析原理[M].北京：地質出版社，1994.

[5] 黃潤秋.地質災害過程模擬和過程控制研究[M].北京：科學出版社，2002.

[6] 包永興.邊坡穩定性分析中主要影響因素判別[J].四川水利，1998，19(3)：315-318.

李觀波(1985～)，男，工程師，主要從事巖土工程勘察設計。

TU94+

B

[定稿日期]2015-07-17