公路边坡失稳机理分析与治理研究

2013-09-19周超华韩绍英

东北水利水电 2013年6期

周超华，韩绍英，朱静

（河北中核岩土工程有限责任公司，河北石家庄 050031）

0 引言

在岩石地层中，岩体被各种结构面切割成相互镶嵌在一起的空间块体，在自然应力场下是静力平衡的，然而，当岩体被开挖后，会造成某些岩石块体沿着结构面移动，进而发生连锁移位而导致大范围岩体失稳[1]。

大量的工程地质实践表明，无论是边坡岩体的破坏、坝基岩体的滑移、地下洞室围岩的塌落等岩体失稳破坏现象，大多数是沿着岩体中的软弱结构面发生的，也就是说，岩体发生的破坏，主要是由于由结构面切割构成的结构体沿结构面发生剪切位移，或拉开、或发生了整体的累积变形和破裂。因此，岩体的稳定性主要取决于：结构面的物理力学性质及其空间分布位置和组合关系；结构体的物理力学性质及其立体形式；作用于岩体上的作用力（包括岩体自重力和工程作用力等）的大小和作用方向。前二项构成岩体本身的结构和强度，它是岩体发生变形破坏的内因和物质基础。因此，在对工程岩体的稳定性进行分析评价时，首先必须对岩体的结构做出正确的分析[2]。

1 工程概况

某公路边坡位于北京市门头沟区108国道K26 km处南侧，坡顶面标高约为187 m，坡底面标高约为154 m，坡高为33 m，地貌形态为低山地貌。边坡两侧各分布一条“U”型沟谷，沟谷平面上呈狭窄地形，长条状，由南向北缓倾，坡度为 10°～20°，较平缓。

根据原设计方案边坡采用框格防护，为四级边坡，边坡坡率为 1∶0.5～1∶0.75，每级边坡高度为 8 m，坡脚设 2 m宽碎落台。框格为现浇C20钢筋混凝土梁，成4 m×3 m单元框格布置，交点处设一根长锚杆(φ18，5～7 m)或压力注浆锚杆(φ32，8～15 m)，每个框架梁中点设一根短锚杆（φ18，2 m）锚固。护顶均为M7.5砂浆浆砌片石，同时在碎落台上铺设5 cm厚C20小石子混凝土，其上填土植草。

根据施工记录，在2010年10月5日晚，道路桩号为LK0+070左右，路堑边坡的一级边坡上台阶发生局部滑塌，10月6日上午10点左右，桩号LK0+070～LK0+035一级边坡再次出现滑塌现象。10月7日下午5∶30左右，三级、四级坡坡面出现沿层理面平行于坡面方向的裂缝。10月8日上午10点，桩号LK0+035～LK0+020处再次发生滑塌，并且二级、三级及四级坡坡面裂缝又有所发展，同时开口线上方山体（距开口线）3～5 m分别出现2条裂缝，方向大致平行于边坡开口线，其中距离开口线3 m左右的裂缝有5 cm宽，此裂缝距现状108国道仅有20余米。10月8日上午施工单位对坡脚进行反压，下午1∶30左右山体裂缝发展至15～20 cm宽，二级、三级及四级坡坡面裂缝再次往开裂方向发展，而边坡坡面暂未发生滑塌。

2 地层岩性

由于边坡已经失稳，随时有滑坍的可能，因此为查明滑坡体的结构、岩石破碎程度、地下水位，确定滑动面的位置、形状的钻探、坑探和物探等勘探手段均无法进行。在滑坡的地质情况调查工作中主要通过地面地质测绘方法来进行，并且为查明地层情况，在此滑坡南侧、108国道北侧公路旁布置一钻孔，揭露深度为40 m。根据地面地质测绘及现场钻探，地层岩性自上而下为第四系坡积（Qdl）的粉质粘土含碎石和二叠系强风化泥质粉砂岩，现分述如下：

2.1 第四系坡积层（Qdl）

粉质粘土含碎石（地层编号①）：褐黄色，以粉质粘土为主，碎石及块石含量占30%～50%，硬塑～坚硬。厚度0.5～2.0 m，分布在第四级坡坡顶及边坡两侧。

2.2 二叠系岩层（P）

强风化泥质粉砂岩（地层编号②）：棕红～灰黄色，细粒结构，层状构造，矿物成分主要为长石、石英，节理裂隙发育，岩体较破碎，夹泥岩及粉砂岩薄层。根据边坡开挖后岩体出露情况，除第四级边坡顶部分布厚0.5～2.0 m的粉质粘土含碎石外，全部为强风化泥质粉砂岩。根据钻探资料，地表下10 m以上为强风化泥质粉砂岩，岩芯呈碎块状，节理裂隙发育。岩芯采取率较低；10～40 m为中风化泥质粉砂岩，岩芯呈碎块状～短柱状，节理裂隙发育。

3 地质构造

该场地地质构造简单，未发现断裂构造，局部有小褶皱，主要存在层理和节理两种结构面。

1）层理。二叠系泥质粉砂岩（P）属碎屑沉积岩类，岩体层理发育，边坡范围内层理的倾向与斜坡临空面坡向几乎一致，为顺向坡。层理产状：345°∠45°。层理面被铁锰质不同程度的浸染，呈紫黑色，结合一般。

2）节理。边坡范围内的节理发育，以剪节理为主，节理面平直闭合，局部张开度大于3 mm，局部泥质填充，结构面结合差或一般，延伸长度大于8 m。主要发育产状267°∠75°和产状165°∠39°的两组节理。强风化泥质粉砂岩受节理面和层理面互相切割，岩体破碎，呈碎裂状结构。

4 岩土体物理力学性质指标

由于现场条件制约，无法在边坡范围内开展正常钻探等勘察工作，根据边坡勘察范围内的地层岩性构成及分布特征，把地层简化为上部第四系粉质粘土含碎石、下部强风化泥质粉砂岩两大层，各岩土层和结构面计算参数建议值见表 1，2。

表1 边坡各岩土层计算参数建议值

表2 岩体结构面计算强点参数建议值

5 边坡失稳分析

边坡的稳定性受多种因素影响，如边坡体的岩土类型、坡体结构、岩体风化程度、岩体完整程度、结构面发育程度、地形地貌、地下水、地震等，所以不同因素组合条件下的边坡的破坏模式是不同的。岩体的稳定性、岩体的变形与破坏，主要取决于岩体内各种结构面的性质及其对岩体的切割程度。

在进行岩体的稳定性分析时，目前一般多采用岩体结构分析（定性分析）、力学分析（定量分析）及对比分析方法（工程地质类比法）。三者相互结合、相互补充、相互验证，对岩体稳定性做出综合分析与评价。定性分析是工程在地质勘察工作的基础上，对边坡岩体变形破坏的可能性及破坏形式进行初步判断。定量分析是在定性分析的基础上，应用一定的计算方法对边坡岩体进行稳定性计算及定量评价。

该场地地层岩性主要为碎裂状结构的强风化泥质粉砂岩，只有边坡坡顶面上有0.5～2.0 m厚的粉质粘土含碎石。在未施工之前边坡是稳定的，无变形及滑动的特征，在施工过程中，由于不合理的坡脚开挖，破坏了斜坡的连续性，造成软弱结构面临空，在自重力作用下强风化泥质粉砂岩沿着岩体中的软弱结构面发生滑动。根据现场工程地质测绘的情况，边坡在坡脚发生滑坍，在坡顶发现两条后缘环状拉裂缝，边坡的两侧未出现裂缝，边坡前缘未出现剪出口，根据滑坡活动的阶段性判断，坡体内局部剪切破坏面出现，且向贯通性的滑面方向发展，未出现整体的滑动，处于蠕滑阶段。

5.1 图解法

几何边界条件是指构成可能滑动岩体的各种边界面及其组合关系，包括滑动面、切割面和临空面3种，其内容是查明岩体中的各类结构面及其组合关系，确定出可能的滑移面、切割面。几何边界条件分析的目的是确定边坡中可能滑动岩体的位置、规模及形态，定性地判断边坡岩体的破坏类型及主滑方向。可通过赤平投影法对几何边界条件进行分析。

强风化泥质粉砂岩岩体的节理裂隙发育，较破碎，根据节理、层理统计结果，不同产状的节理面之间，节理面和层理面之间互相切割，形成碎裂状结构，所以岩体各种结构面所切割的岩体与坡面的组合关系决定了边坡的破坏模式，坡面上结构面的赤平投影图见图1。

从图1可以看出，边坡岩体内发育的两组节理投影弧交线与坡面投影弧相对，节理形成的软弱结构面不会直接造成边坡的失稳；岩体层面投影弧与坡面投影弧斜交，在这种情况下边坡的稳定性需视结构面倾向与坡面倾向之间的夹角而定，上述结构面倾向与坡面倾向之间的夹角为25.8°，小于 40°，边坡不太稳定。

图1 结构面赤平投影图

从裂缝分布情况及工程地质测绘的成果看，第一级边坡滑塌处的岩层倾向近北向，边坡滑动方向与坡脚处岩层倾向基本一致；坡顶后缘环状拉裂缝圆弧的圆心方向与坡脚滑塌处位置方向基本一致，假定滑动面为直线型，根据裂缝最宽处的位置及高度和坡脚滑塌处中心点的位置及高程计算，其滑动面的倾向约为41°，而岩层的倾角为45°，按该倾角计算层面在坡顶的出露点大致和裂缝的位置相同。由此可以基本判断，滑坡为顺层滑坡。由于岩体内结构面互相切割，边坡内破坏形式复杂，顺层滑坡的滑动面形态情况很难准确确定，可能是平直的，也可能是折线形的，但变化幅度不会太大，可基本假定为直线型。

根据以上推论，推测滑动面如图2所示。

根据现场调查，1-1′剖面所处位置边坡稳定，未出现滑动迹象，因此判断该剖面处未形成滑动面。

5.2 稳定性计算

力学计算法主要适用于滑坡类破坏形式，是一种定量评价的方法。常用的是刚体极限平衡法。采用这种方法的前提条件是：边坡岩体将沿某一结构面产生滑移剪切破坏；只考虑破坏面上的极限平衡状态，而不考虑岩土体的变形，即视岩土体为刚体；破坏面（滑动面）上的强度由粘聚力和摩擦力（c，φ）控制；滑体中的应力分布均匀，以正应力与剪应力的方式，集中作用于滑面上，即均为集中力，不考虑滑体两侧的抗滑力；以平面（二维）课题来处理，这是为了求解方便而对实际情况的简化。

岩质斜坡的稳定性，一般取决于软弱结构面的特点及其组合关系。进行稳定性计算时应先确定可能的滑动面。现状条件下，边坡已发生滑动，根据上述图解法的定性分析，边坡可能产生平面滑动，因此采用沿所推测的滑动面根据平面滑动法进行计算，强度参数采用岩体结构面的计算参数。其稳定性计算可沿滑动方向取一单宽剖面。由滑动岩体自重所产生的下滑力T和抗滑力F分别为

采用平面滑动法时，边坡稳定性系数可按下式计算：

图2 工程地质剖面图

式中：γ——岩土体的重度，kN/m3；C——结构面的粘聚力，kPa；φ——结构面的内摩擦角，°；A——结构面的面积，m2；V——结构面的体积，m3；θ——结构面的倾角，°；

根据上述公式，按上述分析的剖面图采用天然状态下结构面的计算参数分别计算已出现裂缝的剖面天然工况下边坡稳定性系数，当考虑边坡处于地震荷载作用下的工况时应加上地震力，当考虑边坡处于暴雨或连续降雨状态下的工况时计算参数采用浸水状态下结构面的计算参数并加上静水压力，计算结果见表3。

表3 稳定计算结果表

6 滑坡防治方案的建议

根据GB50330-2002《建筑边坡工程技术规范》，边坡工程稳定性验算时，对于一级边坡，当采用平面滑动法计算时，其稳定性系数不小于1.35，而以上3个计算剖面天然工况下边坡稳定性系数为0.760～0.948，边坡不稳定。与现状条件下，边坡已发生滑动相对应。目前，对崩塌滑坡和边坡治理工程措施较多，每种措施都有其相对应的应用前提条件，不宜性、适宜性和最佳配置组合。本着安全、经济、便于施工的原则，针对滑坡稳定性差，且滑坡体较厚，下滑力较大的情况，经过充分比较后，建议在坡脚设置抗滑桩，抗滑桩应穿过滑坡体深入于滑床，用以支挡滑体的滑动力，起稳定边坡的作用；在坡面上采用混凝土格构+预应力锚索进行滑坡防护，并应在滑坡后缘设置环形截水沟、裂缝封填等措施排放地表水，控制暴雨和洪水对滑体和滑面的侵蚀软化。做好坡面排水和滑坡体内排水，截断一切水源侵入滑坡体内，在滑坡的坡脚处增加竖向荷载进行反压以提高滑梯的阻滑安全系数，减少滑坡上的致滑因素，增加抗滑能力。