新柳南高速公路K157+300～K157+500段邊坡變形破壞模式研究

張一銘，陳云生

(廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

隨著我國經濟的快速增長，修建高速公路過程中形成的高陡邊坡數量逐漸增多，公路兩側邊坡安全問題已成為眾多學者關注的焦點[1-2]。邊坡在開挖或高速公路運行過程中一旦發生失穩，將對過往車輛和人員造成安全隱患[3]。目前，國內外學者采用極限平衡法和有限元法來分析邊坡穩定性[4-5]，在此基礎上進一步分析邊坡破壞模式[6-8]。

本文結合新柳南高速K157+300～K157+500段邊坡滑坡，分析了該高速公路邊坡的穩定性及破壞模式，同時提出支護方案建議，為相似工程提供參考。

1 工程概況

柳州經合山至南寧高速公路ZK157+300～ZK157+500 段深挖路塹位于上林縣巷賢鎮蘇仁村良塘莊東北側約300 m 的山坡處，公路采用整體式路基以路塹的方式從山坡中下部穿過，路基設計高程在182.257～188.057 m，挖方長度約為200 m，中線最大挖深約19 m(ZK157+400)，左側屬高大路塹邊坡，右側屬低矮路塹邊坡。

由于該段巖土體工程地質條件較差，研究區域內降雨量及地下水較豐富，又因泥質粉砂巖屬于軟巖，遇水后其力學性質易弱化，導致左側高邊坡在開挖過程中，坡頂出現張拉裂縫，坡體出現變形滑坍跡象，如不及時處置，在強降雨等不利因素影響下，將誘發進一步滑坡，威脅高速公路施工人員的安全，同時影響施工進度。

2 地層巖性

根據現場調查及勘察資料揭露，場區內工程地質條件主要為：邊坡所屬地貌為剝蝕丘陵地貌，地形起伏較大，溝谷多為“U”型，坡體上部主要為第四系殘坡積覆蓋層，成分為褐、黃褐、灰褐色可-硬塑狀殘坡積黏土，厚約3～6 m；下伏泥盆系中統黃紅色薄層狀全風化泥質粉砂巖，厚度為9～10 m，往下為灰黃色薄-中厚層狀強風化泥質粉砂巖，巖體裂隙面鐵錳質浸染，巖層產狀為160°∠60°，節理為193°∠87°、335°∠52°，邊坡受斷層影響，斷層產狀為 188°∠58°，邊坡巖石裂隙發育，巖體破碎。邊坡典型工程地質剖面圖如圖1所示。

圖1 邊坡工程地質剖面圖

3 滑坡成因及破壞模式分析

3.1 滑坡基本特征

該邊坡目前已按設計坡比開挖4級，第1級坡體未開挖到位。邊坡開挖兩級時，坡頂后方原地面出現張拉裂縫，坡體裂隙水沿坡面滲出，坡面開始出現變形跡象，邊坡防護未及時跟進，開挖至第1級邊坡時，坡體裂隙水流量增大，上部張拉裂縫逐漸擴大，兩側形成圓弧形滑坡周界，第2、3、4級邊坡均出現錯臺現象，錯臺幅度約為1～1.5 m，滑坡體出現鼓脹，第1級邊坡出現扇形裂縫以及鼓脹裂縫，最終形成牽引式的圓弧形滑動體。

3.2 滑坡成因分析

根據現場調查及地勘報告分析可知，邊坡滑坡的主要因素如下：

(1)坡體節理裂隙發育，巖體較破碎，覆蓋層、全風化層較厚，在降雨作用下，雨水易沿著節理裂隙通道進入坡體內部，軟化巖土體，邊坡在開挖形成臨空面后在綜合作用下穩定性降低。

(2)斷層破碎帶為裂隙水的主要徑流通道，邊坡開挖后坡面成為疏水面，加速地下水的排泄，增大地下水的滲透力，從而降低邊坡的穩定性。

(3)邊坡開挖4級后，坡體產生蠕動變形，加之地下水的作用，降低了巖土體的物理力學參數，坡腳逐漸軟化，加之邊坡防護未及時跟進，最終導致坡體產生了沿全風化層與強風化界面的牽引式圓弧形滑動。

4 邊坡穩定性分析及破壞模式分析

4.1 穩定性分析

根據上述邊坡地質情況，采用極限平衡法對該邊坡進行穩定性分析，運用Geo-Slope軟件對邊坡的安全系數進行計算。邊坡所在區域為6級地震設防，可不考慮地震影響[9-10]。

4.1.1 計算參數確定

依據邊坡實際情況，通過對構成邊坡的不同巖體進行室內試驗，得出巖體的c值和φ值，邊坡巖體力學參數如表1所示。

表1 巖體力學參數表

4.1.2 邊坡穩定性判別依據

根據規范[11]，本次計算考慮天然和暴雨兩種工況，邊坡穩定性準則為：在天然工況下，邊坡安全系數Fs>1.30時邊坡處于穩定狀態，Fs<1.30 時邊坡處于欠穩定狀態；在暴雨工況下，Fs>1.20時邊坡處于穩定狀態，Fs<1.20 時邊坡處于欠穩定狀態。

4.1.3 邊坡計算結果

邊坡安全系數計算結果如表2所示，計算剖面圖如圖2、圖3所示。

表2 邊坡安全系數表

圖2 第1～4級邊坡穩定計算結果圖

圖3 整體邊坡穩定計算結果圖

4.1.3 計算結果分析

由表2可知，整體邊坡及第1～4級邊坡的安全系數均小于規范規定值，處在欠穩定狀態，因此該邊坡需采取針對性的加固措施，確保過往車輛及施工過程中的安全。

4.2 破壞機制分析

在未開挖狀態下，邊坡的前緣安全儲備大，同時邊坡坡面覆蓋了一定厚度的黏土層及植被，降雨入滲深度有限，坡體內部的碎石土層及軟弱結構面受雨水軟化程度較弱，未開挖的邊坡處于蠕變穩定階段，如下頁圖4(a)所示。

邊坡開挖后，軟弱接觸面與邊坡坡面的距離減小，同時受風化崩解等因素影響，邊坡前緣下部(第1～4級邊坡)滑動面力學參數降低，使得該區域內原來的抗滑力降低；同時開挖邊坡后上覆巖體內應力將重新分布，另受風化作用影響，一定范圍內的巖體節理裂隙擴展，但在開挖階段初期，節理裂隙的發育程度有限，少量的地表水將沿著擴展的節理裂隙進入滑動面，造成潛在軟弱接觸面局部軟化，如下頁圖4(b)所示。又因斷層破碎帶為裂隙水的主要徑流通道，邊坡開挖后下部坡面成為疏水面，加速地下水的徑流，增大地下水的滲透力。

下部開挖區域的坡體節理裂隙進一步發育后，大量的地表水沿著節理裂隙通道進入坡體內部，導致巖體軟化及軟弱接觸面強度減弱，而邊坡上部離開挖位置較遠，開挖卸荷應力重分布作用影響程度較小，坡體的主要變形發生在邊坡下部開挖處。下部坡體在經歷大氣引力作用后，巖體崩解程度加深，導致局部蠕變，節理裂隙增多及寬度增加，形成后緣裂縫滲流通道，坡面雨水入滲量增多，入滲的水產生附加推力F，同時下部坡體又因受地下水作用，巖體力學性能加速損傷，在反復作用下，坡體變形量加大，進入加速蠕變階段，如圖4(c)所示。

隨著滲流通道的加寬，雨水大量進入坡體內，使軟弱結構面軟化，滑移面的抗剪強度趨于臨界值，當超過臨界值時，下部坡體將沿著軟弱結構面發生整體滑動，如果不采取加固措施，后緣裂縫將成為新的臨空面，導致上部邊坡也發生變形如圖4(d)所示。

(a)未開挖邊坡

(b)開挖初期

(c)加速蠕變階段

(d)牽引式破壞

從整體破壞模式來看，該邊坡屬于牽引式破壞，由于最下面一級臺階邊坡的滑動破壞后，在時間累積作用下，滑坡范圍逐漸向上級臺階延伸。

5 支護措施建議

基于前文分析得到邊坡的破壞過程，即開挖卸荷→降雨入滲→坡腳變形→整體軟化→加速變形→整體滑動，針對邊坡的破壞形式，本文提出以下幾點支護建議：

(1) 該邊坡巖體中分布軟弱夾層，在此區域修建高速公路時應對地質情況進行詳細分析，弄清潛在危險軟弱夾層(滑動面)所處空間位置，以便在邊坡支護設計時選擇合理的開挖順序及支護方案，開挖邊坡時需減少對邊坡表面覆蓋植被的破壞。

(2)考慮經濟效益，邊坡中上部分巖土體厚度加大，為了減少上部邊坡提供的下滑力，可以采用削坡減載的方式。削坡時的坡度及臺階邊坡參數需根據安全系數來調整，需將軟弱接觸面上部巖土體清除，并在坡腳處設置支擋結構，如抗滑樁或擋墻，既能增大邊坡的抗滑能力，也能防止坡腳的巖石風化，避免邊坡沿更深部的軟弱層破壞失穩。

(3)對開挖出來的坡面及時進行封閉，防止雨水入滲邊坡坡面使巖土風化崩解，同時在開挖坡面施工短錨桿(索)對其進行錨固，以增加邊坡的抗滑力。

6 結語

本文在對邊坡巖體進行試驗獲取力學參數的基礎上，結合邊坡穩定性分析，對該邊坡的破壞機制進行深入研究，得出以下結論：

(1)采用極限平衡法，運用Geo-Slope軟件對新柳南高速K157+300～K157+500段邊坡穩定性進行分析，邊坡整體及下部第1～4級邊坡的安全系數均小于規范規定值，處于欠穩定性狀態。

(2)從破壞模式來看，新柳南高速K157+300～K157+500段邊坡屬于牽引式破壞，即邊坡的破壞由坡腳處坡體軟化引起，導致上部邊坡失穩。

(3)針對邊坡破壞模式，提出支護建議，坡腳修建支擋結構以增加邊坡整體抗滑力，在邊坡上部采取減載兼顧坡面封閉的方式，來減少上部邊坡的重量，降低下滑力，同時防止雨水入滲坡體內部軟化巖體。