沉積巖風化層邊坡穩定性分析方法

■余世元

（福建省交通規劃設計院有限公司，福州 350004）

近年來福建省基礎設施建設發展逐漸由沿海向內陸山區鋪開，隨著建筑、交通、水利等行業的發展和基建需求，出現了大量邊坡、基坑工程。 而閩中、 閩西山區正是福建省沉積巖發育的集中地區，其工程特性往往較差，在巖土工程勘察、設計時需要綜合考慮的因素較火山巖地區更多，故在勘察時應當特別重視現場踏勘， 綜合分析其不利因素，提出有針對性的處理建議。

1 工程概況與成果分析

選取閩中三明地區某二級公路邊坡為研究對象，坡度約30°，未開挖時狀況穩定。 建成后邊坡傾向NE55°，高約36 m，長約120 m，擬開挖為4.5 階邊坡。

1.1 區域地質成果分析

根據相應的1∶5 萬區域地質圖及說明書， 場區內構造復雜，斷裂交錯，主要斷層走向以北東—北北東向為主。 根據工程地質調繪，邊坡段落內及附近兩側250 m 內，未見構造跡象。

1.2 踏勘成果分析

場地未見地表水系發育，未見明顯的等高線驟變或負地形等古滑坡特征[1]；開挖平縱范圍內未見活動性構造、地裂縫、崩滑、采空區、礦藏、巖溶等不良地質現象或不利于邊坡工程建設的因素。 臨近邊坡的基巖處測得層理產狀為45°∠25°，層厚約為5～8 m。

1.3 鉆探、試驗成果分析

在擬開挖邊坡高度1/3、2/3 及近坡頂處各布置一個鉆孔，詳見圖1。 根據鉆探成果，該邊坡坡積層（Qdl）和殘積層（Qel）總厚度約為12～16 m，下伏基巖為三疊系下統溪尾組（T1xw）鈣質粉砂巖夾泥巖，其強風化層揭露厚度約為8～12 m，且全風化—碎塊狀強風化層分布界線模糊，巖芯均呈砂土狀風化巖夾碎塊狀風化巖，但總體上呈“上部土稍多、下部碎石稍多”的分布趨勢，其中砂土占比約80%；碎塊中，粒徑20 mm 以上、200 mm 以下者占比約75%。 地下水位穩定埋深均處于中風化層頂面處。

于SP30 的17.0 m、SP31 的20.5 m、SP32 的23.3 m處，發現厚7～15cm 的夾層，該層呈灰白色，顆粒細膩手捻感類似于粉質粘土且搓條后不產生明顯裂紋、無搖振反應、粘性較強，與同在天然地下水位以上的鄰近強風化地層相比，含水率明顯偏高，初判其已接近飽和。 該夾層兩側被方解石顆粒包夾，從性狀、強度上均明顯不同于其上下地層。 本邊坡所取中風化巖樣本的飽和抗壓強度為15.6 MPa，軟化系數η 為0.68，為具有軟化性質的較軟巖，可知其風化層同樣具有水軟性質，在飽和后強度亦較差。

綜上，本邊坡在天然狀態下穩定，未見不良地質分布。 根據內、外業成果資料綜合分析，邊坡風化層較厚，泡水后強度顯著下降，并存在一條垂直寬度7～15 cm 并貫穿風化層的軟弱夾層，初步分析該夾層產狀與區域性層理發育情況基本吻合，產生的原因系原新鮮巖體中的貫穿性方解石脈在各種地質營力作用下，沉積、風化不均所形成，風化后產生的粘土礦物使其相對于周邊的強風化巖具有更大的基質吸力[2-3]，進而具有較強的“鎖水”作用，因此在天然狀態下其已接近飽和。 該軟弱夾層傾向與擬開挖邊坡臨空面傾向接近， 傾角小于擬開挖坡角，故對于本邊坡而言，該夾層為順層軟弱結構面[4]，不利于邊坡穩定。

2 模型分析與計算

2.1 參數

限于客觀因素，無法對強風化層進行現場直接剪切試驗， 故對強風化層的參數采用經驗值，飽和狀態下的參數參照軟化系數，為天然狀態下的0.68 倍；其余地層采用實測數據，各層主要參數見表1。

表1 主要參數

2.2 無軟弱結構面模型

本邊坡以土質為主，故采用土質邊坡常用的圓弧滑動面作分析， 采用GeoStudio 軟件進行正常工況和暴雨工況下巖土體飽和時的二維穩定性分析。計算采用M-P 法，自動搜索最不利滑面。 計算模型見圖2。

圖2 GeoStudio 計算模型圖

2.3 有軟弱結構面模型

將剖面圖中各鉆孔夾層連線的中段作為繪圖傾角β，即β=24°；繪圖比例系數k=1；剖面與區域性層理傾向夾角ω=7°； 區域性層理傾角作為真傾角α=25°，代入式（1）后計算結果相差微小。

說明前述章節對 “不利結構面系順層理發育”的空間分布情況初步分析是正確的， 這也與沉積巖地區的工程經驗相吻合。

因軟弱結構面過薄， 采用GeoStudio 軟件模擬存在建模困難，而二維剖面上軟弱結構面形成的連線近似呈折線型，因此宜采用傳遞系數法[5]計算本邊坡軟弱結構面上的穩定性系數，分塊方式見圖3，計算所采用公式及相關參數見式（2）、表2。

表2 折線型傳遞系數法參數

圖3 分塊示意圖

2.4 模型計算成果評價

根據表3 的計算成果， 在正常工況下，2 種模型的計算結果均顯示為“穩定狀態”；在暴雨工況下，按無軟弱結構面模型計算結果顯示仍為“穩定狀態”，而按有軟弱結構面模型計算結果則顯示為“欠穩定狀態”。 這說明軟弱結構面對本邊坡的穩定性起到了控制性作用，在進行開挖后的穩定性計算、支護設計計算時其影響不能忽略。

表3 邊坡穩定性系數計算成果

3 邊坡穩定性分析

經過踏勘、鉆探等資料分析后，判定開挖前的天然坡體是穩定的，但風化層中存在一條與區域性層理產狀接近的貫穿性軟弱結構面，其對于邊坡系一不利結構面。 一方面，在天然坡體進行開挖后，原埋藏狀態的不利結構面露出在開挖臨空面上； 另一方面，原覆蓋層滲透系數相對較小并有植被保護，降雨入滲量小，而開挖后，強風化層呈直接暴露狀態，滲透系數較高， 暴雨或長時間降雨后巖土體重度上升，下滑力增大，與此同時c、φ 等力學指標降低，抗滑力減小， 對邊坡穩定性產生不利影響， 當遇到暴雨、長時間降雨的情況，邊坡巖土體達到完全飽和的狀態時， 理論上邊坡將因軟弱結構面的控制性作用而處于“欠穩定”狀態。

綜上，本邊坡開挖后若未及時進行排水、支護，在暴雨、長時間降雨工況下，受軟弱結構面控制等多因素的共同影響而發生滑動的可能性很大，且該滑動發生在軟弱結構面上的可能性大于一般的圓弧滑動面。

4 結論與建議

（1）本邊坡先運用了踏勘、鉆探、試驗手段，獲得了巖土體空間分布情況、巖土體基本指標并指出了軟弱結構面可能對邊坡穩定性存在控制性作用；繼而運用數模手段，分別建立了無軟弱結構面和有軟弱結構面2 種模型并計算了在正常工況和暴雨工況下的邊坡穩定性系數； 最終通過計算結果得知，在暴雨工況下，發生以軟弱結構面為滑面的折線型滑動可能性大于一般的圓弧滑動，因此在邊坡支護防護設計時應重點關注軟弱結構面。 推而廣之，在對地質條件復雜的沉積巖地區的邊坡進行勘察設計時，應尤其注重地質調繪和對巖芯的分析以便及時發現可能對邊坡穩定性造成不利影響的因素，同樣地，設計過程中也應注意諸如軟弱結構面、順傾層理對邊坡穩定性的影響，針對性地選擇適宜的計算分析方法。

（2）建議本邊坡開挖時每8～10 m 設置一臺階，坡頂、坡底設置截、排水溝，坡面設置排水孔。 放坡應采用滿足安全要求的坡率和支護防護形式。 強風化層坡率1∶0.75～1∶1.00， 第一階建議采用重力式石擋墻、以上建議采用預應力錨索框架支護；坡積層、殘積層坡率1∶1.00～1∶1.25， 建議采用拱形骨架植草防護。 開挖范圍以外天然邊坡植被應注意保護，防止水土流失。

（3）若采用預應力錨桿（索），錨桿（索）角度設置時應滿足規范對錨桿（索）自身的傾角要求，自由段長度不應小于5.0 m，且應超過軟弱結構面1.5 m。

（4）應堅持先勘察后設計的理念，勘察過程中應將實地踏勘與鉆探資料相結合，對巖土設計的建議應具有針對性，避免不必要的施工期變更或因其導致的事故。