開挖巖質邊坡失穩機制與防治失敗啟示

陳 莉

（廣東省水利水電第三工程局有限公司，廣東 東莞 523710）

無論是在交通、水利水電、礦山工程，還是生活生產中，開挖邊坡變形失穩的案例是舉不勝舉[1～4]，尤其是含有層間軟弱夾層的邊坡，造成了巨大損失[5～7]。為此，大量學者對此類開挖失穩邊坡從不同的角度，采用不同方式進行研究，積累了諸多寶貴經驗[8～11]。然而，含軟弱夾層開挖邊坡失穩卻難以完全預測和有效治理[12]。

本文以某場區開挖失穩邊坡為例，提出兩個有意義的思考問題：①邊坡開挖前邊坡進行了詳細的工程地質勘察和大量的巖土試驗，并進行了優化的開挖設計，計算為安全狀態，為什么發生失穩破壞？②邊坡前緣進行防護措施后，前緣穩定的情況下為什么發生繼續變形，導致巖層彎曲，地表隆起？

通過對邊坡變形失穩過程特征進行分析，探究其形成機理。

1 邊坡概況

1.1 地質條件

某場地的挖方巖質邊坡，邊坡上覆0.5 m～1.0 m 第四系殘坡積層(Q4el+dl)，下伏強～中風化三疊系關嶺組(T2g3)泥質白云巖夾薄層狀泥巖。巖層產狀為0°∠20°，層厚度25 cm～35 cm不等，含有 3 組優勢節理：28°∠75°，198°∠79°，318°∠88°。根據設計施工要求，由上及下逐級開挖，坡向為正北，開挖后為順層巖質邊坡。

根邊坡巖體顯著特點：在白云巖層面接觸部位存在由于構造錯動、雨水下滲泥化作用，薄層的頁巖、泥巖形成而形成狀泥質軟弱夾層，厚度為0.5 cm～2.5 cm，呈灰白色或雜色，軟塑狀，滲透性差，但遇水易軟化。

1.2 失穩過程及特征

邊坡于2017 年10 月28 日開始進行爆破施工，2017 年12 月10 日形成高度約38.4 m 的邊坡，分為三個臺階四個坡面。在經歷連續降雨后，邊坡于20 日發現開始發生變形：首先在坡腳處發生滑移，坡表出現拉裂縫，走向以近東西為主，以及走向為 305°～320°、25°～35°的拉裂縫，寬度一般小于1 cm。隨著時間的推移，拉裂縫由下及上逐級出現。隨即停止該部分邊坡開挖施工，并在坡腳回填反壓大量碎石進行坡腳反壓防護。根據現場觀測，邊坡中上部坡體持續發生蠕滑變形，拉裂縫進一步發展，坡腳出現隆起，坡體拉裂縫增深，增寬，最終失穩。圖1-A 為失穩邊坡全貌，1-B 為后緣拉裂縫，1-C、1-D 為坡體中部拉裂縫，1-E 為邊坡前緣隆起變形。

圖1 開挖失穩邊坡

2 滑面分析

2.1 探槽

失穩邊坡布設兩個探槽揭示滑面特征，分別為探槽TC-1位于三級坡面中部，距離坡腳線10.8 m（坡表斜距），深度為4.6 m；TC-2 位于三級邊坡坡腳，深度為2.4 m。

探槽TC-1 底部為青灰色～磚紅色的軟軟弱夾層，厚度1 cm～2 cm，內部含巖塊巖屑，巖塊長不大于2 cm，厚度不大于1 cm，常呈不規則棱角狀，而夾層內部存在完整規則鱗片結構，無剪切擦痕跡象。軟弱夾層表層存在滲水和泥化現象，可見滑動擦痕。滑面位置為軟弱夾層的上表面與巖層面接觸部位，見圖2。

圖2 夾層滑面

探槽TC-2 揭示，該處為薄層～層狀黃色、土黃色夾雜褐紅色泥質白云巖，層厚4 cm～8 cm，由于擠壓彎曲，部分巖體呈塊狀，尤其是在坡腳具有明顯鉸鏈狀拱曲。在探槽底部層面存在擦痕，以判定該層為滑面層。

2.2 滑面確定

含軟弱夾層的邊坡失穩滑面通常是沿著軟弱夾層內部剪切滑移，或以軟弱夾層與巖層面的接觸部位剪切滑移[13]。

通過室內對軟弱夾層的剪切試驗，獲取抗剪切參數值，并進行現場大型剪切試驗，獲取軟弱夾層與巖層面接觸部位抗剪切參數值。當軟弱夾層的內摩擦角φn小于巖層面與軟弱夾層之間的接觸摩擦角φj時，軟弱夾層的抗剪強度才代表結構面的抗剪強度；反之，剪切面產生于軟弱夾層和巖層面之間的接觸部位，見圖3。

圖3 剪切面位置圖（A.內部剪切面；B.上部剪切面）

滿足上式（1），剪切面位于軟弱夾層內部；當夾層和巖層層面之間不滿足上式（1），其滑面為上部巖體下層面與夾層接觸部位。通過對軟弱夾層現場取樣進行軟弱夾層室內剪切試驗，獲取剪切面通過軟弱夾層內部的抗剪參數；同時，通過大型剪切試驗，獲取軟弱夾層表面與巖層面接觸部位的抗剪參數。試驗結果見表1。由表1 可知，ψn＞ψj，滑面位置為軟弱夾層的上表面與巖層面接觸部位，而并非軟弱夾層內部剪切形成。試驗結論與探槽揭示的滑面位置一致。

表1 軟弱夾層試驗成果

2.3 穩定性計算

根據坡體結構特征，邊坡穩定性計算公式為：

式中：K 為穩定性系數；φ 為內摩擦角；l0為失穩坡體滑面的長度；C 為黏聚力；G 為坡體重力。

將表1 中的試驗參數帶入式（2），可求的邊坡的穩定性系數為：

因此，由式（3）可以看出邊坡開挖前采用室內試驗數據，即邊坡滑面沿軟弱夾層內部進行剪切破壞是存在認識和計算失誤的。應該按照滑面位于夾層與上不巖層接觸面計算，即邊坡穩定性系數K＜1，邊坡開挖后發生失穩。

3 邊坡漸進失穩演化分析

3.1 失穩坡體運動特征

邊坡失穩運動過程可分為兩個階段：后退式漸進牽引失穩破壞和前進式蠕變下滑運動。首先，塊體①在重力作用下沿著層間軟弱夾層向下剪切滑移，在坡體上形成拉裂縫；塊體②前部失去塊體①的支擋作用，在重力作用下沿軟弱夾層向下剪切滑移，形成坡體拉裂縫。坡體由下而上，逐級發生牽引式失穩，直至塊體⑧發生向下滑移變形。其次，在邊坡前緣回填碎石反壓，防止邊坡繼續下滑失穩。根據現場勘查結果顯示，回填碎石反壓后一段時間后，塊體①、②停止下滑，基本處于穩定性狀態，但上部邊坡體③～⑧持續沿著軟弱夾層蠕滑變形，并且擠壓前緣塊體①、②，但由于無滑移空間，最終使得塊體②發生巖層向上彎曲，坡體表面產生隆起。整個失穩過程見圖4。

圖4 邊坡失穩過程示意圖

3.2 邊坡失穩機制

通過以上分析，邊坡失穩機制概括為：邊坡巖體結構條件為基礎；開挖施工、降雨下滲為促進條件；軟弱夾層及層面物理力學性質軟化為反應；蠕滑變形、漸進破壞為過程；極限平衡破壞，邊坡變形失穩為結果。邊坡失穩機制示意圖見圖5。

圖5 邊坡失穩機制

3.3 防治失敗啟示

邊坡變形初期，正確判斷該邊坡為后退式漸進變形失穩，卻忽略了中上部坡體的蠕滑變形。為阻止其進一步破壞再前緣進行坡腳反壓，有效地阻止前緣部分繼續下滑。然而，坡體的中上部的層間夾層已經軟化，再重力作用下繼續發生蠕滑變形，對前緣坡體產生下滑推力。前緣坡體受到坡腳反壓以及中上部坡體下滑推力作用下發生彎曲隆起，邊坡變形失穩。針對此類邊坡變形失穩不僅要有效防治已經失穩部分，更為重要的是要分析邊坡進一步演化特征，尤其是層間軟弱夾層的蠕變性質。

4 結論

1）滑面位置式在軟弱夾層力學性狀最弱部位。形成滑面的部位主要是夾層上表層與巖層面接觸部位，而并非軟弱夾層內部。滑面位置改變即邊坡的穩定性評價的地質- 力學模型隨之改變，滑面的差異對邊坡穩定性影響較大。

2）失穩坡體運動特征為兩個階段：前進式漸進牽引失穩破壞和推移式下滑運動。邊坡開挖后，降雨等作用下層間軟弱夾層軟化，首先由坡腳發生后退式漸進失穩，而進行坡腳反壓后，中上部坡體繼續發生蠕滑變形，致使坡腳巖層在上部坡體的推力作用下局部發生隆起，形成鉸鏈式彎曲變形。

3）在針對該類邊坡進行設計、支護時，要進行正確的穩定性計算，滑面確定尤其是關鍵，同時要判定可能是的失穩演化機制，且不能忽略層間軟弱夾層蠕變性質。