武深高速公路風化花崗巖邊坡穩(wěn)定性分析

俞旺新 杜子文

(中建四局工程技術研究院，廣東 廣州 510000)

武深高速公路仁化段主要為燕山早期侵入巖系山脈，為大量酸性巖侵入，形成區(qū)內廣布的花崗巖。花崗巖在成巖過程中受地球動力以及風化作用的影響，形成了深風化花崗巖體、破碎帶以及節(jié)理裂隙發(fā)育的的工程地質特征。在工程施工過程中除出現(xiàn)較多的殘積層與全風化巖體的不穩(wěn)定邊坡，還出現(xiàn)了少見的中-微風化巖體的不穩(wěn)定邊坡，引發(fā)了較多的工程地質問題[1-2]。

1 工程地質條件

該邊坡位于武深高速仁化段k449+240～k449+480里程范圍內，區(qū)內氣候溫和，雨量充沛，地表徑流對坡面坡腳的沖刷較大。地下水主要類型為孔隙水及基巖裂隙水，其大氣降水為地下水主要補給來源。孔隙水主要賦存于第四系松散層中，孔隙含水量隨季節(jié)變化；基巖裂隙水賦存于巖石裂隙中，其透水性極不均勻，地下水以側向滲流的形式向溝谷排泄或蒸發(fā)[3]。該邊坡共設計8級護坡，邊坡開挖至五、六級時，出露為中-微風化花崗巖，施工過程中邊坡巖體發(fā)生垮塌，范圍為第五邊坡坡面至坡頂平臺，局部平臺破壞剩余0.5m寬，垮塌長度約60m，深度約2m，破壞范圍較大[4]。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 邊坡巖土體地質特征

根據(jù)邊坡鉆探資料、現(xiàn)場標準貫入試驗及野外地質調繪成果成果，邊坡的殘積土為黃色，稍濕且可塑，局部夾植根，為坡積成因；全風化花崗巖為黃褐色，巖石風化完全，巖芯呈硬土狀，遇水軟化成砂，手掰易碎，母巖結構可辨；強風化花崗巖為黃褐色, 巖芯碎塊狀為主，局部半巖半土狀，巖質較硬，節(jié)理裂隙發(fā)育密集，風化不均勻；中風化花崗巖為灰白色，粗粒花崗結構塊狀構造，巖石裂隙較發(fā)育，巖芯呈短柱狀，巖石較硬，節(jié)長大于10cm的巖芯約占60%，斷口鐵質浸染；微風化花崗巖為灰白色，粗粒花崗結構，塊狀構造，巖芯呈柱狀，節(jié)理裂隙較發(fā)育，節(jié)長10～46cm的巖芯約占90%，巖質堅硬，敲擊聲脆。其中現(xiàn)場標準貫入試驗參數(shù)如表1所示。

表1 標準貫入現(xiàn)場試驗統(tǒng)計表

2.2 邊坡破壞成因機理分析

該邊坡破壞成因可以分為內因、外因兩大類，內因是風化花崗巖物理力學性能發(fā)生明顯變化、構造破碎帶、節(jié)理裂隙的控制作用以及節(jié)理裂隙充填粘土等泥質夾層的潤滑作用等；外因則是雨水以及地下水對邊坡的作用，人工挖坡的應力釋放、放坡較小以及邊坡開挖暴露時間過長等因素，其具體表現(xiàn)主要為：

2.2.1 殘積土和全-強風化花崗巖物理力學性能變化明顯

通過室內土工試驗可知，殘積土的含水率以及濕密度差異不大，而孔隙比差異較大，隨著深度的增加孔隙比逐漸減小；全風化花崗巖層的含水率、濕密度以及孔隙比差異不大；強風化花崗巖層的含水率差異較大，濕密度以及孔隙比則差異不大，但強風化花崗巖層的隨著深度增加孔隙比有所加大。

殘積土的液限、塑性、凝聚力、內摩擦角以及壓縮模量差異不大，塑性指數(shù)差異略大，壓縮系數(shù)差異明顯，其中凝聚力以及壓縮模量隨著深度的增加有所增大，而塑性指數(shù)及壓縮系數(shù)隨深度的增加有所減小；全風化花崗巖巖層的液塑限差異不大，但液限較多，最大值達42.6%，而凝聚力、內摩擦角、壓縮系數(shù)以及壓縮模量差異不大。

2.2.2 構造破碎帶、節(jié)理裂隙的控制作用

邊坡花崗巖受地質構造作用影響，節(jié)理裂隙極發(fā)育，主要節(jié)理面延伸至全部坡面，且主節(jié)理面可見擦痕和綠泥石化等構造特征。中風化-微風化花崗巖受節(jié)理切割后呈中-厚層狀結構，淺層巖層層厚約0.3～0.5m，節(jié)理裂隙面填充有粘土，深層巖層層厚0.5～1.2m，深層節(jié)理裂隙面閉合情況較好。巖土體內發(fā)育有幾組傾向路基的不利結構面，五級坡面出露105°～112°∠41°～∠44°節(jié)理，四級坡面出露巖105°～118°∠36°～∠44°節(jié)理，層面多充填泥質。節(jié)理傾角與原設計坡率大致相近，順傾向路基。而且坡面中風化～微風化巖層中發(fā)育有2～3組構造破碎帶，寬約0.3～0.8m，縱向切割坡面，其中五級坡滑塌體滑面主要以層面105°∠45°為控制滑面，邊坡構造特征與巖土體特殊結構分布特征的組合，組成了本滑坡產生多層滑動(潛在滑動)面(帶)。

2.2.3 雨水對邊坡的作用

區(qū)內氣候溫和，雨量充沛，地表徑對坡面坡腳的沖刷較大，而且邊坡存在坡殘積土、全―強風化花崗巖等較軟弱地層，士體濕水易散，極易軟化，雨水的下滲以及巖體節(jié)理裂隙充水，易使巖體中軟弱夾層面抗剪性能下降，減弱邊坡巖體的抗滑能力，致使邊坡的穩(wěn)定性降低。

2.2.4 人工開挖邊坡

人工開挖坡面的產狀為傾向115°∠45°(坡率1∶1)，層狀的中風化-微風化花崗巖主要節(jié)理產狀為傾向105°～112°∠40～43°。邊坡順向開挖，受卸荷作用的影響，邊坡巖體內會產生大量卸何節(jié)理以及裂隙，并且由于卸荷作用使巖體內原生或構造節(jié)理張開，在各種節(jié)理裂隙作用下，巖體被切割成大塊狀，邊坡巖體穩(wěn)定性下降，極易造成邊坡垮塌。

2.3 邊坡破壞模式分析

該邊坡變破壞模式主要為構造作用強烈的風化花崗巖巖體垮塌模式，邊坡破壞模式主要表現(xiàn)如下。由于巖體內結構面發(fā)育，五級坡面出露105°～112°∠41°～∠44°節(jié)理，四級坡面出露巖105°～118°∠36°～∠44°節(jié)理，而人工開挖坡面的產狀為傾向115°∠45°(坡率1∶1)，節(jié)理傾角與原設計坡率大致相近，順傾向路基，邊坡大型巖塊易沿著結構面產生垮塌，邊坡穩(wěn)定性較差。

2.4 邊坡穩(wěn)定性計算

邊坡破壞采用以下公式計算邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)：

式中FS為穩(wěn)定系數(shù)，α為滑面傾角，φ為抗剪度指標。

本邊坡巖體順層滑坡，屬于平面滑動類型，可采用直線破裂面法計算其穩(wěn)定性系數(shù)，計算方法如下。

通過穩(wěn)定因數(shù)可以確定α及φ的關系，該邊坡中-微風化花崗巖為無粘性巖層，即c=0。當c=0時，F(xiàn)S=tanφ/tanβ，也即FS=1時，α=β，表明邊坡處于極限平衡狀態(tài)。人工開挖坡面的產狀為傾向115°∠45°，中風化-微風化花崗巖產狀為傾向105°～112°∠40～43°，中風化-微風化花崗巖的傾角與人工開挖坡面的傾角接近，即β≈φ，表明邊坡處于極限平衡狀態(tài)。

3 邊坡防護及處理建議

根據(jù)該邊坡的巖土體地質特征、破壞機理以及失穩(wěn)模式，應對該邊坡進行必要的防護措施。

(1)土質、類土質坡面采用拱架三維網植草或鋪設草皮進行防護，坡頂根據(jù)地形的變化情況設置塹頂截水溝，邊坡平臺設置平臺截水溝，坡面設置排水孔。

(2)邊坡開挖要及時支撐，恢復其穩(wěn)定體系，以防止其變形擴大。在開挖過程中，應采取自上而下及分級開挖防護的施工順序，擋墻施工應采用分段開挖、分段修筑的方式及時對坡腳進行有效加固，防止上邊坡巖體產生大面積垮塌。除了采取護漿砌片石嵌補、面墻以及噴砼等方法及時對坡面巖塊進行支撐及封閉外，在開挖中后期還可以采用掛網噴混凝土及結合錨桿進行淺層加固。其中錨桿反力抑制件應采用單個混凝土墊墩形式，以適應該坡面起伏不平的地形條件，減小坡面清方數(shù)量。

(3)該邊坡為順層開挖而且存在粘土層，邊坡巖層的主要節(jié)理也為順層方向，開挖前可采用直線破裂面法以及瑞典條分法對坡體進行穩(wěn)定性驗算，并根據(jù)結果采取必要的處理措施。其中當邊坡滑動面為圓弧形，滑動面位于殘積粘土層以及全風化花崗巖層內，可采用瑞典條分法進行穩(wěn)定性計算分析。

4 結論

(1)武深高速公路研究段邊坡由風化花崗巖組成，殘積土體抗剪強度較低，粘性較差；全風化花崗巖液限較高，遇水軟化成砂；強風化花崗巖受地質作用影響節(jié)理裂隙較為發(fā)育，以碎塊為主，風化不均；中～弱風化花崗巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖質較堅硬，呈塊狀構造。

(2)據(jù)巖體結構構造特征、成因機理、破壞模式及穩(wěn)定性驗算分析，在殘積土及全、強風化巖體中，除了變形破壞模式為沿著最大剪應力面發(fā)生的圓弧形滑動及以殘積土與全風化巖體、全風化與強風化巖體面為界面的垮塌，還存在主要節(jié)理面與邊坡方向形成順層、破碎帶縱向切割坡面的直線破裂面滑動模式。

(3)通過對風化花崗巖邊坡的工程地質特征及穩(wěn)定性分析，可以針對此類邊坡的特點進行有效的防治措施，以達到安全及經濟有效的目的。