岩质桥墩边坡破坏模式与关键楔体稳定性研究

董利军

（山西省地球物理化学勘查院，山西运城044000）

岩质桥墩边坡破坏模式与关键楔体稳定性研究

董利军*

（山西省地球物理化学勘查院，山西运城044000）

仙水河1#大桥右幅5号桥墩边坡位于广东省乐昌市梅花镇大坪村老屋场境内，此段线路约呈95°方向展布。人工边坡是由于开挖广乐高速公路仙水河1#大桥右幅5号桥墩的施工平台及桩基承台形成。施工平台和承台开挖过程中坡体发生变形，屡见沿顺坡向节理面剥落、掉块现象，给机械设备和施工人员的安全造成很大威胁，延误施工工期。首先，采用赤平投影法对边坡的稳定性进行了定性分析，探讨边坡可能存在的破坏模式；其次，根据定性分析的结果，重点对影响边坡稳定性的关键楔体进行了稳定性分析。通过这一分析，可为边坡的支护防治提供理论依据与技术支持。

岩质边坡；稳定性分析；关键楔体；破坏模式；稳定系数

1 概述

仙水河1#大桥右幅5号桥墩边坡为中小型人工边坡，坡面整体倾向为南南东向。坡顶为左线开挖施工便道，坡底为右幅5号墩开挖施工便道和施工平台。边坡实测最大坡高为26m，坡长40m，切坡面积约为820m2。坡面总体坡度较大，坡度为65°。岩层产状为60°～80°∠70°～80°，与坡面大角度相交，为斜交坡。目前状况下，开挖边坡出露节理裂隙发育的强风化震旦系乐昌峡群(Z2Lc)浅变质砂岩，局部可见被节理裂隙切割的破碎岩块从原岩体中脱落、滑出。桩基承台均已开挖至设计标高，准备开始桩基施工，目前边坡整体处于基本稳定状态。由于风化作用和人为爆破震动使得坡体表层的破碎岩块受扰动后发生剥落、掉块现象，影响边坡下部桩基的正常施工作业以及后期桥墩的正常运营。若边坡长时间受暴雨冲刷浸泡或其他外动力地质作用，容易引起边坡局部变形加剧，故需及时对边坡采取必要的治理措施。本文采用定性与定量相结合的方法对边坡开挖后的状态进行稳定性研究，明确边坡可能存在的破坏模式。在此基础上，根据刚体极限平衡法，针对影响边坡稳定性较为严重的关键楔体进行了专门的分析，可为边坡的支护治理提供依据。

2 工程概况

边坡位于广东省乐昌市梅花镇大坪村老屋场境内，岩层总体向北东东倾斜，产状为60°～80°∠70°～ 80°。边坡大里程一侧为第四系坡积土，坡体为震旦系乐昌峡群(Z2Lc)浅变质粉砂岩夹板岩，为岩质坡。该边坡为开挖施工平台和桩基承台所致，边坡实测最大坡高为26m，坡长40m，切坡面积约为820m2。边坡为高陡岩质人工边坡，坡面总体向南南东倾斜，倾向为165°～180°，倾角62°～68°。岩层与坡面大角度相交，为斜交坡。边坡表面岩石较破碎，节理、裂隙较发育，节理类型以构造裂隙为主，风化裂隙和卸荷裂隙同时发育。坡内岩层倾向与坡面倾向呈大角度相交。依据现场调查，结合边坡结构特征宏观判断，边坡的破坏模式为坡体表层的以节理裂隙面和层理面切割形成的不同尺寸和规模的岩石块体掉块和滑移为主，边坡整体是稳定的。《公路路基设计规范》(JTG D30-2004)确定其安全等级为一级。

3 边坡破坏模式分析

3.1 定性分析

岩质边坡的破坏模式，取决于边坡岩体中的节理裂隙、层面和坡面的相互组合关系，坡体结构类型不同，其可能的破坏模式也不尽相同[1-3]。该边坡的可能破坏模式分析如下：

边坡上覆地层为坡积碎石粘土（Qdl4），黄褐色、灰褐色，可塑—硬塑，含碎块石，碎石粒径一般0.5～3.5cm，含量约10%～25%，层厚0.50～3.20m，强度、稳定性较差。下伏地层为震旦系乐昌峡群(Z2Lc)浅变质砂岩夹板岩，灰黄色、黄褐色，风化剧烈，变余砂质结构，泥钙质胶结，主要矿物成份为长石、石英及绢云母等，碎块状。岩石结构破碎，节理裂隙发育，岩层产状60°～80°∠70°～80°。边坡最大高度26m，长约40m，坡面倾向170°，倾角65°，为岩质斜交坡。岩石风化较严重，节理裂隙发育，岩体较破碎。边坡主要发育2组裂隙：①155°～170°∠70°～80°，顺坡向，密度1～2条/m，可见延伸0.20～4.00m；②250°～260°∠50°～60°，密度2～4条/m，张开，可见延伸0.30～2.00m。由于存在顺坡向结构面，开挖后坡体存在潜在不稳定性。裂隙面是陡坡状或陡坎状，这2组裂隙与层面切割岩体成块状、碎块状，形成块状结构，使边坡处于亚稳定状态，应及时和重点防护。取其中代表性节理作赤平投影如图1所示。

图1 边坡赤平投影图（上半球）

从图1上可以看出，岩层倾向和边坡倾向夹角为100°，边坡为岩质斜交坡，结构面组合（J1-C、J2-C）向坡外倾斜，2组结构面的交线倾角均小于边坡的倾角且都在摩擦圆之内，可以判断边坡表面楔块处于欠稳定状态，结构面组合易把表层岩体切割成各种尺寸的楔形体，沿坡面滑落、掉块，坡体不稳定；J1-J2交线位于边坡投影弧同侧，交线倾角为57°，切割岩体形成不同规模的楔形体。以上分析可知，边坡岩体在节理与结构面相互切割作用下易形成不同规模的楔形体，层面与节理面之间的组合不能构成较大滑动的边界条件，边坡整体处于稳定状态，但为防止试工爆破振动对边坡稳定造成的负面影响，对其节理面切割严重部位进行必要的治理。

3.2 关键楔形体定量分析

楔形体稳定性分析时采用传统极限平衡法(TLE)假定滑动面上剪力与两结构面交线平行，在引入这2个假定条件后，楔形体稳定问题静定可解。

建立图2所示的局部直角坐标系，s-n-t为左、右结构面交线向上方向，s-n位于竖直面内，t与s-n构成右手系[4-5]。

在垂直结构面交线的平面(n-t平面)内建立静力平衡方程：

通过上式可解出结构面对楔形体的法向反力大小N1和N2。

沿结构面交线的下滑力可表达为：

假定结构面切向剪力与法向反力满足Mohr－Coulumb强度准则，稳定系数可由结构面所能提供的抗滑力与楔形体实际所受下滑力确定：

式中：c1、φ1、c2、φ2——结构面Mohr-Coulumb强度参数；

A1、A2——滑动面面积。

图2 楔体受力示意图

楔体破坏是岩质边坡失稳的一种主要模式，在地质情况揭露的前提下，根据赤平投影分析确定哪一条或两条结构面可能形成的不稳定楔块。取典型可能滑塌的楔形体进行分析如下：

楔形体Ⅰ：节理1、节理2、坡面及坡顶面组成，楔体滑动符合双面滑动稳定性问题（图3）。

经计算分析，在设计工况下，稳定性分析结果为FS=1.192，支护后楔形体稳定系数FS=1.361。

楔形体Ⅱ：节理1、岩层、坡面及坡顶面组成，楔体滑动为双面滑动问题（图4）。

图3 关键楔形体Ⅰ稳定性分析

图4 关键楔形体Ⅱ稳定性分析

经计算分析，在设计工况下，稳定性分析结果为FS=1.161，支护后楔形体稳定系数FS=1.337。

4 结论

本文采用定性与定量相结合的方法，对开挖桥墩边坡的破坏模式及关键楔体进行了分析。通过赤平投影分析可知，边坡岩体在节理与结构面相互切割作用下易形成不同规模的楔形体，层面与节理面之间的组合不能构成较大滑动的边界条件，边坡整体处于稳定状态，但为防止试工爆破振动对边坡稳定造成的负面影响，对其节理面切割严重部位进行必要的治理。通过关键楔体的定量计算可知，危险工况（自重+暴雨作用）下，楔形体Ⅰ和Ⅱ处于基本（欠）稳定状态，但仍存在着较大的安全隐患，不能达到公路边坡设计规范的要求，因此，应当采取必要的治理措施。为防止发生坡体表面剥落、掉块，决定对该段边坡采取2m×2m岩石锚杆进行治理。治理后，楔体的稳定系数分别为1.361和1.337，处于稳定状态。

[1]Goodmna R.E.Block Theory and Its Application[J].Geotechnique,1995，45(3):383-423.

[2]陈祖煌，汪小刚，等.岩质边坡稳定分析——原理,方法,程序[M」.中国水利水电出版社，2005.

[3]蒋爵光.用赤平投影进行节理岩体稳定性分析的方法[J].西南交通大学学报，1985，2(5):54-61.

[4]石根华.岩体稳定分析的赤平投影方法[]J.中国科学,1977,3 (5):70-77.

[5]孙广忠.岩体结构力学[M].北京:科学出版社,1988.

U443.22

A

1004-5716(2015)03-0016-03

2014-03-31

2014-04-03

董利军（1980-），男（汉族），河北井径人，工程师，现从事工程勘察、灾害治理等相关工作。