深路塹邊坡穩定性分析及防護對策研究

趙守良 呂 超 趙 鵬 曹集士

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550081)

貴州地貌屬于中國西南部高原山地,境內山巒重疊，地質環境薄弱，在高速公路的建設中常形成穩定性差，結構復雜的高邊坡，危及公路運營安全[1]。

路塹高邊坡的失穩主要是由于開挖卸荷作用誘發巖體應力場急劇調整，巖土體逐漸屈服變形，進而產生不同的邊坡破壞模式。王浩等[2]結合雙永高速某超高路塹邊坡案例，采用邊坡穩定度反分析思路、強度折減法和有限元仿真技術解釋了高邊坡開挖卸荷松弛的力學機理；張社榮等[3]基于極限平衡法和有限元強度折減法，揭示了多層軟弱夾層邊坡變形破壞規律與巖層傾角、邊坡坡腳及結構面間距之間的關系。蒲德洪等[4-5]基于豎直條分法，分析了不同工況下山區某高邊坡穩定性，提出了防護方案；蔣永生[6]結合野外勘察及位移監測曲線，概括了邊坡失穩三大特征。

1 工程概況

1.1 地形地貌特征

項目區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遠縣金堡鎮羊滿哨村，起終樁號為K18+600-K18+900，擬按1∶1坡率開挖邊坡，最大高度59.87 m。路段橫跨一單斜山脊，場區附近海拔836～970 m，相對高差134 m，地貌類型為構造侵蝕-溶蝕型低山地貌。

1.2 工程地質條件

經地質調繪與鉆孔揭露，該段邊坡局部地表基巖裸露，上覆土層為含碎石粉質黏土，厚0～7 m，下伏基巖為寒武系下統杷榔組(∈1p)泥巖夾粉砂巖，強風化層厚8～14 m，節理裂隙發育～很發育，巖體破碎～極破碎，屬軟質巖。

路段左側110～180 m處發育斷層F1、F2，均為逆斷層。F1綜合走向為北東—南西向，斷層面產狀約160°∠75°。F2走向近東西向，斷層面產狀約330°～350°∠75°。斷層帶巖體破碎，附近巖層產狀凌亂。路段位于斷層F2上盤，巖層產狀280°～320°∠12°～22°。F1斷層距開挖邊坡較遠，對邊坡影響較小，F2斷層距邊坡左側開挖邊界最近約25 m，在邊坡防護設計時需稍加考慮。

受構造作用影響，巖體節理裂隙較發育。經現場揭露，主要的2組節理為L1：215～235°∠85°，L2：120°～140°∠75°～85°，節理間距50～200 mm。中風化層內節理面較為平滑，多呈閉合狀；強風化層中節理裂隙多呈張開狀，局部見黏土及碎石充填，無膠結、結合差，巖體被節理裂隙切割成碎塊、碎石狀。

場區地下水埋藏較深，鉆孔未揭露。因此本文中未考慮地下水作用。

將本段地層構造信息適當簡化，擬開挖邊坡按1∶1坡率放坡，每級邊坡高10 m，平臺寬2 m，繪制開挖坡面線，最后建立如圖1所示工程地質模型，作為分析及設計的重要依據。

圖1 K18+700典型剖面工程地質模型圖

2 邊坡穩定性分析

2.1 潛在滑面分析

在邊坡穩定性分析中，一個關鍵要素就是確定邊坡的潛在滑動面。邊坡潛在滑動面的形式和確定方法隨邊坡結構形式不同而不同。一般來說，邊坡破壞模式可歸納為：崩塌破壞、平移滑動破壞、楔形破壞、傾倒破壞和圓弧破壞等模式。圓弧滑動是軟弱均質巖層常見的一種邊坡破壞模式，本文所研究邊坡地層可簡要劃分為2層，即上覆的含碎石粉質黏土層；下伏的泥巖夾粉砂巖層，整體巖體較為破碎，巖質軟。在邊坡開挖過程中，新鮮巖體直接暴露在空氣中，很容易發生風化崩解、軟化，巖體結構進一步破壞形成類均質巖。因此對坡體按均質巖分析，應用簡化Bishop法搜索潛在最危險滑動面，得到如圖1所示主滑動面①。根據現場地質調查及鉆孔揭露，在擬開挖邊坡后緣約25 m左右存在一逆斷層F2，受構造作用影響，斷層附近巖體有明顯錯動現象且裂隙較為發育，故推斷邊坡極可能從斷層位置滑出。另外，根據工程經驗及類比法，類均質軟巖滑坡后緣一般位于開挖坡頂位置后方20～30 m范圍內，本文取最大位置30 m進行分析。經鉆孔揭露，區內巖體傾角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。故經以上分析，確定圖1中潛在滑動面②、③。

2.2 赤平投影分析

研究邊坡按設計坡比1∶1放坡后，最大高度60 m，為6級坡，線路走向246°，開挖坡向336°。如圖1所示，本段邊坡主要結構面巖層產狀為310°∠20°，發育的2組主要節理L1，L2產狀分別為215°∠85°和130°∠75°，經數據分析作圖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，強風化層巖體破碎，層面與L1組合交線與開挖坡面斜交，傾向坡外，傾角小于開挖坡角，開挖后易產生順層滑動，滑塌。L1和L2組合交線陡傾坡外，傾角大于開挖坡角，開挖后易產生崩塌、滑坍。所以有必要從赤平投影上分析邊坡防護。

2.3 巖土物理力學參數評估

巖土物理力學參數的確定一直是邊坡分析計算的難點，現今多采用室內試驗、工程經驗與反算分析相結合的方法。對于下伏基巖，其對邊坡分析結果影響較小，直接調用現場勘察資料確定其物理力學參數。對于上覆含碎石粉質黏土及潛在滑動帶，主要依據室內試驗及有關規范、經驗提供的參數取值區間，用反分析法推算其強度參數，反分析求解過程基于傳遞系數法，先假定穩定系數Fs已知，值為1，即邊坡恰處于極限平衡狀態，分別反算不同c值條件下的φ值，在邊坡范圍內選取2處最不利斷面，聯立2處滑坡體極限平衡方程，得出反分析法下的土體力學參數。其中滑帶土參數確定時，考慮到滑面延伸至中風化層，并結合分析結果、規范及經驗得出其力學參數比強風化層稍強。最后結合各參考資料、試驗及計算分析，綜合確定表1、表2所示主要分析計算參數。

表1 剩余下滑力計算基本參數

表2 巖土主要物理力學參數表

2.4 剩余下滑力計算分析

計算采用傳遞系數法，結合理正巖土計算軟件，計算結果如表3所示，繪制剩余下滑力與滑坡幾何參數的關系曲線、剩余下滑力隨滑坡后緣距離變化的曲線。見圖3、圖4。

表3 不同滑面結果比較表

圖3 剩余下滑力與滑坡幾何參數的關系曲線

圖4 剩余下滑力隨滑坡后緣距離變化的曲線

由表3可見，滑面①所形成的滑坡體無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-下區域，剩余下滑力分別達到了2 887.7 kN/m，3 412.9 kN/m。

圖3揭示了3種潛在滑面下，滑坡體幾何參數與剩余下滑力之間的關系，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，這也證實了傳遞系數法的本質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系。

由圖4可見，無論是在滑面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，峰值大約出現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。滑面②、③是在擬開挖邊坡的第三級剪出，分析滑面①第三級平臺處的下滑力約為3 160 kN/m，所以綜合考慮在第三級平臺設計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，需在坡腳設計二級抗滑措施進行防護。

3 邊坡防護對策研究

經以上分析，此邊坡的治理應著重放在以下方面。

1) 本段邊坡主要巖性為泥巖夾粉砂巖，巖體節理裂隙很發育，巖體破碎，結構面結合差。受F2斷層與L1，L2主要節理影響，兩者之間所夾的區域巖體較為破碎，形成巖體破碎帶，如圖1所示，在滑面分析時將其考慮為均質破碎體，易產生圓弧滑動，與L1，L2相交于第三級邊坡附近，并且經下滑力計算，①、②、③ 3種滑面在第三級坡頂處的剩余下滑力分別為3 305.8，3 047.6，3 552.5 kN/m，數值較大。綜合分析，需在第三級邊坡處設一級抗滑支擋。

2) L1，L2節理將邊坡進行了切割，左右兩側的巖體產狀發生了明顯變化(見圖1)，左側巖體相對邊坡切向分布，巖性破碎，考慮為均質圓弧滑動。右側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，故巖體會沿層面順層滑動或沿層面圓弧滑動，結合滑面①條件下坡腳處的剩余下滑力為3 909.6 kN/m，在第三級處設置支擋后坡腳仍有較大下滑力剩余，所以需在坡腳處設二級抗滑支擋。

3) 本段邊坡節理裂隙較為發育，為避免節理結構面處出現較大滑裂面，可對類似L1、L2這種較為主要的節理裂隙面進行注漿處理，一方面水泥漿液在節理裂隙中有效擴散，將碎裂巖體連為整體，可提高邊坡穩定性。另一方面注漿后可有效封堵原有的導水通道，消除水滲入造成的隱患。

4) 由于邊坡區巖體為泥巖，其開挖暴露后風化迅速，其遇水極易軟化，邊坡施工開挖后應及時進行坡面封閉、加固，避免長時間曝曬，從而導致其失穩。

據此，防護方案設計綜合治理措施見圖5。

本段路基設計為七級坡：第一級采用懸臂8 m抗滑樁；第二、三級坡率均為1∶1，第三級平臺設置全埋式抗滑樁，第四、五、六、七級坡率均為1∶1，坡高10 m，坡面采用框架錨索和框架植草進行防護；對邊坡體上較為發育，存在安全隱患的巖體裂隙進行注漿處理，防止降雨條件下較大滑裂面的出現；邊坡開挖前應先做好場區臨時排水系統；開挖過程中如發現坡面有地下水滲出，應及時設置排水措施將其引出，避免其對坡體產生浸泡，導致坡體失穩。

圖5 防護方案設計圖(單位：m)

4 結語

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) 運用簡化Bishop法、理論分析及工程經驗法分析了切向-順層軟質巖邊坡的破壞模式，并結合構造特征得出了邊坡的3種潛在滑移面。

2) 結合赤平投影分析，對邊坡穩定性進行了評價，得出邊坡易產生順層滑動，節理交線處易垮塌的結論。

3) 通過邊坡剩余下滑力計算，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系。

4) 在以上分析基礎上，對邊坡防護方案的設計進行了分析研究，并提出了有效的防護對策。

[1] 熊文林,郭銳.鄂西高速公路望城高邊坡穩定性研究[J].交通科技,2017(1):34-36.

[2] 王浩,王曉東,泮俊.超高路塹邊坡治理工程案例研究I:邊坡失穩機制模擬分析[J].巖石力學與工程學報,2017,36(4):899-909.

[3] 張社榮,譚堯升,王超,等.多層軟弱夾層邊坡巖體破壞機制與穩定性研究[J].巖土力學,2014,35(6):1695-1702.

[4] 蒲德紅,楊偉,翟文光.山區公路深路塹邊坡穩定性分析[J].湖南交通科技,2016,42(3):15-17.

[5] 董必昌,付紹卿,張哲,等.雙向地震作用下的雙排樁邊坡參數敏感性分析[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版),2017,41(1):17-21.

[6] 蔣永生.畢-都K141含煤地層高路塹邊坡破壞特征及治理研究[J].交通科技,2016(4):98-101.