缓倾切向岩质边坡顺层滑动典型工程案例研究

王家琳，庞 平，李香福，龙 举

(1.贵州地质工程勘察设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550008；2.贵州省地质矿产勘查开发局111地质大队，贵州 贵阳 550008)

边坡工程按照岩层倾向与坡向的关系可以划分为顺向边坡、反向边坡、斜向边坡与直立边坡[1]，一般情况，顺向边坡属于不稳定坡体结构，直立与反向边坡属于整体稳定性较好的坡体结构，斜向边坡相较于顺向边坡，边坡稳定性主要控制因素可能由外倾结构面转换为边坡岩体强度。白云峰等[2]通过室内模型试验结合渝怀铁路沿线顺层滑坡特征，提出岩层走向与边坡走向夹角等于30°为顺向边坡的上限值，当夹角大于30°时，边坡稳定性明显增强，该结论与《建筑边坡工程技术规范》对于外倾结构面[3]的划分标准一致，规范将结构面倾向与边坡坡向夹角小于30°的结构面定义为外倾结构面，边坡可能失稳模式为沿着外倾结构面破坏。

岩层倾角对边坡稳定性及破坏模式有重要影响，林杭等[4]运用FLAC3D对层状岩质边坡进行数值模拟，认为顺向边坡稳定性随结构面倾角在[10°,60°]之间呈两边大中间小的形态分布，当结构面倾角为30°时，边坡稳定性系数最小。陈从新等[5]对岩层倾角影响顺层岩质边坡稳定性的模型试验中发现：若岩层倾角与层面内摩擦角近似相等，边坡不会立即失稳变形，边坡变形发生在开挖结束后一段时间内，时间间隔与岩层面抗剪强度、倾角相关。赵晓等[6]对软弱夹层发育的切向边坡失稳模式进行研究，认为层间软弱夹层与岩体中的结构面组合会形成大量潜在不稳定块体，不利于边坡稳定。刘光华等[7]运用模糊数学对缓倾角顺向边坡稳定性进行研究，将15°～30°的顺向坡划分为缓倾顺向边坡，他认为影响缓倾顺向边坡的稳定性主要有5种因子，而降雨、前缘开挖是强影响因素。

1 工程概况

本次研究的边坡位于某房地产项目台地建筑4#、6#楼西侧，边坡长约200 m，高度7.0～13 m，边坡坡向为118°，坡角约为80°，边坡岩层产状为160∠13°，为缓倾角切向岩质边坡。边坡坡脚为拟建4#、6#楼及园区道路，坡脚场平开挖标高为1 257.0～1 259.75 m，坡顶为拟建幼儿园，幼儿园与坡脚线的平面距离约为60 m，幼儿园与坡顶线之间的区域为原始地貌，无建筑物。

边坡坡面形态于4月中旬基本成型，但坡面并未进行支护处理，边坡周边仍在进行场坪开挖的工程建设活动。7月初为阴雨天气，连续降雨，至7月9日晚，边坡发生失稳变形。边坡失稳表现为前缘局部滑坡，后缘出现拉张裂缝，边坡失稳发生在晚上，边坡破坏未造成人员伤亡及财产损失(见图1)。

图1 边坡失稳变形远景照

2 边坡岩体及变形破坏特征

2.1 边坡岩土构成

边坡岩性为三叠系下统安顺组(T1a)白云岩，风化程度为中等风化，岩石呈灰色、灰紫色，薄至中厚层状，岩体破碎至较破碎，性脆，属于较硬岩。边坡岩石层间发育有泥质软弱夹层，厚度0.3～1.5 cm，软弱夹层物质成分为粉质粘土。

2.2 地质构造

研究区位于扬子准台地黔北台隆遵义断拱贵阳复杂构造变形区，场地内断层、褶皱构造不发育，下伏基岩呈单斜产出，产状为160°∠13°。边坡岩体主要发育有两组陡倾节理裂隙：一组产状为155°∠87°，一组产状为70°∠85°，节理裂隙面起伏粗糙，发育间距4～6条/m，延伸长度0.1～1.6 m，岩屑充填，结合一般，属硬性结构面(图2)。

1-三叠系下统安顺组；2-滑坡；3-地表裂缝；4-地层产状；5-坡脚线；6-坡顶线；7剖面编号；8-标高

2.3 水文地质条件

研究区地下水类型主要为碳酸盐岩岩溶裂隙水，含水介质为溶洞—裂隙，赋存形式以裂隙流为主，管道流次之，渗透不均匀。地下水主要补给来源为大气降雨，降雨通过地表裂缝渗入地下转为地下水。总体而言，研究区稳定性地下水位远低于边坡坡脚，稳定地下水位对边坡影响小，但降雨入渗会对边坡稳定性造成影响。

2.4 岩体物理力学参数

边坡岩体为中风化白云岩，岩石重度为27.0 kN/m3，岩石饱和单轴抗压强度标准值为frk=31.5 MPa，属于较硬岩，岩体抗剪强度粘聚力Ck=200 kPa，内摩擦角φk=35°。层间软弱夹层成分为粉质粘土，重度为20.4 kN/m3，含水量为19.6%，比重为2.71，孔隙比为0.57，饱和度93.7%，重塑土抗剪强度粘聚力标准值Ck=34.4 kPa，内摩擦角标准值φk=16.2°。

2.5 边坡变形破坏特征

2.5.1 边坡基本特征

边坡为岩质边坡，岩性为灰色、黄紫色薄至中厚层白云岩，坡角为80°，坡高7.0～13 m，边坡长约200 m。边坡坡向为118°，岩层产状为160∠13°，边坡坡向与岩层产状夹角为42°，为缓倾角切向岩质边坡。边坡安全等级为一级，为永久性边坡，规范[8]要求边坡稳定系数不小于1.35。

2.5.2 边坡可能破坏模式及稳定性

边坡坡向为118°，坡角为80°，岩层产状为160∠13°，两组节理产状分别为155°∠87°和70°∠85°，采用赤平投影定量分析边坡可能破坏模式见图3。边坡为切向边坡，边坡可能破坏模式为层面与节理切割形成的块体产生顺层滑动，岩层间存在泥质软弱层，选择该层为潜在滑移面进行稳定性计算，同时采用破裂角定量计算切向边坡稳定性，破裂角取45°+φ/2=62.5°，计算参数采用边坡岩体及岩层面室内试验值，计算公式见(1)：

(1)

式中：W为单宽滑体自重(kN/m3)；F为稳定性系数；C为滑动面粘聚力标准值(kPa)；φ为滑动面内摩擦角标准值(°)；α为滑面的倾角(°)；L为单宽滑体滑面长度(m)。通过计算，边坡沿破裂角及软弱夹层破坏的稳定性系数F分别为4.582和2.342，边坡稳定性系数大于边坡稳定安全系数。

图3 边坡赤平投影分析图

2.5.3 边坡变形特征

边坡在7月9日晚发生失稳变形，边坡失稳表现为前缘局部滑坡，后缘出现拉张裂缝，边坡坡面出现明显错动迹象。

滑坡出现在4#楼西北侧，滑坡体长约55 m，宽约20 m，滑体厚约3 m，滑坡土石方量约为3 300 m3，滑坡方向为150°。滑坡发生后采取的应急处置方案为前缘堆土反压治理(见图1)。

边坡后缘出现2条延伸很长的地表裂缝，地裂缝LF1平面上呈“√”状，裂缝长轴走向为25°，与边坡走向基本一致，裂缝短轴走向为100°，裂缝LF1地表宽度为0.3～1.5 cm，延伸长度约为185 m；裂缝LF2发育长度约为52 m，走向为15°，裂缝地表宽度0.5～2.5 cm，裂缝走向与边坡走向基本一致，裂缝南端延伸至滑坡边界(见图1和图4)。6#楼西北侧边坡的坡面出现明显错动，错动距离0.1～0.5 m(见图5)。

图4 坡顶地表拉张裂缝 图5 坡面褥滑变形断口

本次研究的边坡坡向与岩层倾向夹角为42°，边坡为切向边坡，从变形迹象判断，坡体发生了顺向滑移。现状条件下，坡体变形特征与按照室内试验值计算的坡体稳定性结果吻合度差。

3 边坡变形机制研究

3.1 滑面抗剪强度反演分析

边坡滑移面为含有泥质夹层的岩石层面，泥质夹层力学参数是影响坡体稳定性的重要参数，本次研究依据坡体变形现状特征采用反演分析的方法来反算滑动面力学参数，而在采用反演法分析法的过程中徐汉斌[9]等认为滑坡不同发展阶段对应不同的稳定系数。本次研究采用GPS实测2条沿边坡主变形方向的工程地质剖面，编号为1—1＇剖面和2—2＇剖面，其中1—1＇剖面布置在滑坡变形区域且同主滑方向一致，结合原始地形图恢复已滑塌部分剖面的地面线。反演过程采用双参数反演，反演结果见表1，反演中存在C、φ两个未知参数，选择边坡主滑方向的2条剖面按照公式(1)建立极限平衡方程组求解，反演中假定2条剖面的滑带土质均匀，力学参数相同，忽略静水压力作用，1—1＇剖面坡体前缘已经发生滑塌，反演中取稳定性系数Fs1=0.95； 2—2＇剖面坡顶出现有地表裂缝，坡面出现0.1～0.5 m的明显错动，但滑体并未顺坡下滑，故取稳定性系数Fs2=1.00进行反演计算。

表1 滑带土抗剪强度反演计算结果表

通过反演计算，滑带土抗剪强度粘聚力C=13.1 kPa，内摩擦角φ=7.1°。滑带为软弱夹层被降雨浸蚀弱化而成，故采集软弱夹层重塑土进行室内饱和直剪试验，软弱夹层粘聚力标准值C=34.4 kPa，内摩擦角标准值φ=16.2°，滑带土反演力学参数低于软弱夹层的室内试验值，边坡滑带按照室内试验值与反演值判断稳定性结果见表2。通过对比，室内试验值计算的边坡稳定性与实际边坡变形特征吻合度差，分析原因，笔者认为一方面软弱夹层取样的代表性对室内试验结果有较大影响，另一方面笔者认为室内试验值忽略了软弱夹层所处的环境条件变化对力学参数造成的不利影响。边坡从4月份开挖成型到7月份发生变形失稳，坡面未做处理，软弱夹层在长时间的日光暴晒、浸水等因素反复作用下，力学参数发生降低变化，且边坡所处的周边环境在进行场平开挖，机械振动降低了软弱夹层与层面的结合程度。

表2 软弱夹层不同方法取值工况下边坡稳定性对照表

3.2 边坡变形影响因子分析

3.2.1 边坡变形影响因子划分

1)泥质软弱夹层

边坡岩石层间发育有软弱夹层，软弱夹层物质成分为粉质粘土，厚度0.3～1.5 cm，软弱夹层构成边坡滑移变形的潜在滑面，软弱夹层抗剪强度随时间在日光暴晒、雨水浸蚀等因素反复作用下会逐渐降低，同时边坡周边开挖时的机械振动降低了软弱夹层与层面的结合程度，当滑体下滑力大于抗滑力时，边坡发生滑移失稳，软弱夹层构成边坡失稳变形的滑带。软弱夹层为边坡滑移失稳变形的内部控制因素。

2)岩层倾角

边坡岩层产状为160°∠13°，岩层倾角较缓但倾向坡外，层间软弱夹层与贯通裂缝切割形成的岩块褥滑方向与岩层产状基本一致，滑面倾角等于软弱夹层真倾角，岩层倾角略小于软弱夹层内摩擦角室内实验值但远大于滑面内摩擦角反演值。

3)边坡岩体结构面

边坡岩体发育的层理、节理裂隙破坏了岩体的完整性，节理近似垂直，未贯通节理通过岩桥进行连接，边坡开挖卸荷后将在坡体内部产生很大的拉应力集中现象，研究表明坡体后缘一定范围内拉应力随着距坡顶线距离的增大而增大，当拉应力大于岩桥的抗拉强度时，岩桥将产生拉张裂缝，拉张裂缝促使岩桥两侧的节理裂隙贯通发展成为破裂面，破裂面与软弱夹层分别构成滑体的后缘边界以及底边界。

4)边坡岩性及强度

边坡岩石构成为薄至中厚层白云岩，岩质性脆，单轴饱和抗压强度标准值frk=31.5MPa，属于较硬岩的低值区，岩石力学强度不高，边坡开挖卸荷产生的拉应力易使岩石变形而产生拉张裂缝。

5)降雨作用

降雨是边坡失稳变形的重要诱发因素，雨水的反复浸蚀一方面降低了软弱夹层的抗剪强度，另一方面也不断弱化岩石的强度，再且裂隙中充水会产生静水压力，静水压力增加滑体下滑力的同时也降低了抗滑力。

6)边坡前缘开挖卸荷

边坡前缘开挖卸荷导致坡面临空，坡体应力场发生变化，坡体拉应力会导致边坡后缘产生拉张裂缝，尽管边坡为切向边坡，但顺层方向边坡存在临空面，软弱夹层与后缘拉张破裂面切割形成的不稳定块体及有其可能发生滑移破坏。

7)周边环境施工震动

边坡在4月份开挖成型后，边坡周边在进行场平开挖，开挖方式采用凿岩机结合挖掘机进行挖方工程，机械振动对软弱夹层与层面的结合程度造成了不利影响，降低了软弱夹层的抗剪强度。

3.2.2 边坡变形影响因子权重研究

针对本次研究边坡的变形特征，采用层次分析法研究各因子在影响边坡变形过程中权重程度，评价模型见图6，采用1～9标度[10]法构造中间层和指标层的判断矩阵见式(2)～(5)，通过计算中间层的一致性比例为0.009，指标层C1、C2、C3的一致性比例分别为0.028、0.0、0.0，一致性比例均小于0.1，分析过程满足要求，最终确定边坡变形影响因子权重见表3。

(2)

(3)

(4)

(5)

通过分析，卸荷开挖、降雨及软弱夹层是影响边坡稳定性的主控因子，卸荷开挖致使坡体存在临空面，层间软弱夹层倾向坡外为潜在滑面发育提供了物质基础，降雨作用的不利影响促使软弱夹层演化为滑移面。

3.3 边坡变形失稳机制分析

边坡前缘被大规模挖方卸荷形成陡峻的切向岩质边坡面，坡体应力场发生改变，在距坡顶线一定范围的坡体内部拉应力将随着离坡顶线距离的增大而逐渐增大，当坡体拉应力大于岩桥岩石抗拉强度时，将在地表及内部产生拉张裂缝，随着时间推移张拉裂缝逐渐向深部发展，当张拉裂缝与岩体节理裂隙贯通形成破裂面后，破裂面便构成滑体的后缘边界。

图6 边坡变形影响因子分析模型

表3 边坡变形影响因子权重计算表

边坡岩体层间发育有软弱夹层，软弱夹层与边坡后缘拉张破裂面将岩体切割成规模不等的不稳定岩块，尽管边坡为切向边坡，但软弱夹层属于倾向临空面的软弱结构面，力学强度差，软弱夹层构成了不稳定岩体的潜在滑面，块体滑移方向与岩层倾向基本一致。

软弱夹层在降雨的反复浸蚀作用下力学强度发生很大程度较低，同时后缘拉张裂缝中雨水会对块体产生静水压力，静水压力增大块体下滑力的同时会减小块体抗滑力，加之边坡周边施工机械振动的不利影响，当块体下滑力大于抗滑力时，边坡岩块发生滑移破坏，边坡的失稳模式为顺向滑移—拉裂破坏。

4 结语

(1)层间软弱夹层与后缘拉张破裂面将坡体切割成不稳定块体，大规模前缘开挖使不稳定块体在顺层方向存在临空面，软弱夹层在降雨作用、施工震动等因素影响下力学强度不断降低并演化为滑面，边坡最终发生顺层滑移—拉裂破坏。

(2)软弱夹层、岩层倾角、岩体强度及节理裂隙、降雨作用、前缘开挖卸荷以及施工震动是边坡稳定性的影响因子，其中开挖卸荷、降雨及软弱夹层是主控因子。

(3)软弱夹层抗剪强度室内实验值忽略了工程实际所处的环境条件，加之取样代表性等因素影响，抗剪强度室内实验值用于边坡防治工程勘察设计时应乘以小于1的折减系数，折减系数宜结合规范、工程类比及反演分析综合研究确定。