北方某高速公路右侧挖方边坡稳定性分析

贾 涛

(中铁投资集团有限公司 北京市 100097)

在我国丘陵、山地区域进行高速公路建设,为保护基本农田需要在临山地区修建大量高边坡。为保证高边坡的稳定性与安全性,需对边坡稳定性进行分析,对于不稳定边坡及时处理,防止地质灾害的发生[1]。对于岩质边坡而言,岩质边坡的变形与破坏是边坡发展演化过程中两个不同阶段,变形属于量变阶段,破坏属于质变阶段,二者在边坡变化过程中相互密切联系。

1 工程概况

K8+900～K9+300右侧挖方边坡为岩质边坡,是北方某省新建高速公路挖方路堑,地理位置位于本溪市明山区欢喜岭村东,工点临近G506,交通便利。该段边坡最大挖深为34m,挖方最高处的桩号为K9+020.00,为五级边坡。

2 场地工程地质条件

(1)地形地貌

本路段地貌属侵蚀构造中低山地貌,地势稍有起伏,地形坡度介于10°～25°,地面最大高程224.10m,最小高程177.3m,该段范围内地面最大高差46.80m。

(2)气象特征

挖方区为温带半湿润季风气候区,冬季干冷而夏季湿热,年平均气温为6～8℃,年平均降水量781.8～1200mm,最大日降水量657.9mm(1962年),季节性冻土标准冻深1.1m,一般10月中旬结冰,次年3月下旬解冻。

(3)水文特征

该区地表水系主要是辽河流域的太子河水系。水量受季节影响变化较大,补给来源主要为大气降水,地表径流条件较好。段落内未见地表水,钻探深度范围内未见地下水。

(4)地层岩性

图1 实测剖面图

(5)地质构造

挖方区所属大地构造单元为太子河新元古代～古生代坳陷。

根据地质调绘和钻探资料,如图2所示,路段内有1条构造断层通过,沿山脊内侧延伸,主要分布于K9+026～K9+300右侧。断层宽约0.5～0.6m,走向近南北向,产状93°∠78°。断层外侧岩体厚度4.6m,岩性为石英砂岩。

图2 构造断层位置示意图

路段内受主要构造断裂影响,发育多条次生断裂构造,呈羽状分布。边坡失稳往往是由于断层错动切割,岩体应力释放,极有可能造成边坡失稳,同时断层导致内部节理裂隙,形成连续结构面,对边坡稳定性也会产生不利影响。

3 勘察方法

针对该挖方边坡,勘探方法主要采用工程地质调绘、钻探、槽探、原位测试等方法,对钻孔位置使用华测(RTK91)进行大地坐标控制并测量孔口高程,并对各地层采取代表性的岩土样品进行室内试验。

(1)工程地质调绘

为查明该边坡的地层岩性、地质构造、不良地质及特殊岩土等工程地质条件,对该边坡段落左右200m范围进行工程地质调绘。

(2)钻探

完成勘探点5个/进尺60m,钻探采用XY-150型工程钻机,泥浆护壁,对钻孔位置使用华测(RTK91)进行大地坐标控制并测量孔口高程,对各地层进行了留样并采取代表性的岩土样品进行室内试验,采取代表性样品10组。

(3)探槽

为了查明断层和石英砂岩、页岩的接触关系,查明断层宽度及其延展方向等,在开挖坡面顶部进行挖探,开挖探槽长度4.0m,宽度0.6m,深度0.3～0.4m,探槽走向100°。通过探槽开挖揭露岩性从大桩号到小桩号依次为石英砂岩、断层破碎带、粉砂质页岩。追索到与断面连通的断层破碎带,揭露断层破碎带厚度0.6m,产状91°∠86°(倾向∠倾角),充填物成分与断面出露相同,均为碎石及粘性土,说明整个边坡均被该断层贯通,成为控制性软弱接触带。

4 边坡工程地质条件

路段内边坡总体地形呈近乎直立状态,上部为陡崖,基岩出露,地面自然标高分布在176～300m,坡角大于70°,走向呈南东向延伸,危岩体距离道路中线44～73m。下部为较缓的崩塌堆积体,主要为块石、碎石,坡度为30°～50°,紧邻设计高速公路。

(1)边坡地层岩性及其结构面特征

边坡地层岩性从左至右主要为①碎石、②3石英砂岩、②5断层破碎带、②3石英砂岩、③3粉砂岩、④3粉砂质页岩、⑤3石英砂岩等,详见图3。

图3 边坡典型横断面示意图

边坡外侧②3石英砂岩为中厚层状～厚层状,为较硬岩,岩层产状为20°∠15°,节理面产状J1:190°∠85°、J2: 90°∠75°,构造裂隙、卸荷裂隙较发育,结构面发育间距一般0.5～1.5m。该层石英砂岩体被结构面相互组合切割形成块状结构,岩体完整程度为较破碎～破碎。

②5断层破碎带为边坡构造断裂面,断裂面两侧岩性为石英砂岩,外侧坡面产状95°∠88°,与外侧自然坡面产状近乎相同。

边坡内侧的③3粉砂岩、④3粉砂质页岩及⑤3石英砂岩产状相同,为薄层状～中厚层状,层间距0.5～5.0cm,岩层产状88°∠82°,节理面产状J1:165°∠86°、J2:345°∠15°,间距0.1～0.2m,结构面见铁锈,结合差,无充填或充填岩屑。其中粉砂岩与粉砂质页岩呈互层状态,岩石坚硬程度为软岩。岩体结构类型为层状～碎裂状结构,岩体完整程度为破碎,风化卸荷裂隙发育[2]。

(2)主要结构面参数

岩体结构面抗剪强度指标根据《公路路基设计规范》(JTG D30—2015)表3.7.3-1取值,同时参考《工程岩体分级标准》(GB/T 50218)表3.7.3-1,并结合地区经验值等综合确定[3],具体见表1。

表1 岩体结构面抗剪强度指标设计参数表

(3)挖方边坡坡面工程地质条件分述

该边坡分成两段进行评述:K9+026～K9+071段右侧坡面为地形近乎直立的陡崖段、K9+071～K9+110右侧坡面为地形较缓的滑塌段,K9+026～K9+110右侧坡面现场见图4。

图4 K9+026～K9+110右侧坡面现场照片

a.K9+026～K9+071段右侧坡面:该段为岩层断面,高度约为33m,坡面产状95°∠88°,地势陡峭,岩性主要为石英砂岩,岩体节理裂隙发育,受斜向贯通断裂结构面影响。坡面垂向、斜向羽状断裂发育,已贯通或贯通趋势,裂隙宽5～10cm,无充填,构造较复杂,节理裂隙杂乱,整体稳定性一般(见图4)。

b.K9+071～K9+110右侧坡面:该段地表为坡积土层覆盖,岩性为含碎石粘性土,碎石含量约占40%,第四系厚度约为1.5～3.0m,未见岩石露头,地势较缓。据调查,1948年此处发生滑坡,形成簸箕状坡面地形。此处坡面滑坡的成因:随着岩石裂隙面的发育,逐渐形成连续滑动面,在重力作用下,滑动面上部岩体有向外滑动,后缘张拉裂缝逐渐扩大加深。前缘地段存在构造断层,外侧基岩体厚度3～5m,节理裂隙发育,在重力及外部应力作用下,前缘岩体沿构造断层冲断,上部山体整体发生滑移。

5 边坡稳定性分析

对该段边坡总体而言,K9+026～K9+071右侧为岩层断面,边坡稳定性相对较差,现通过分析该段岩体边坡的变形与破坏来评价整体边坡的稳定性。

(1)滑动原因分析

K9+071～K9+110右侧坡面滑坡是由于滑坡剪出口位置为立面基岩体,宽度3～5m,立面岩体后部为断层破碎带,由于边坡的变形与破坏,岩体发生倾倒、坠落。随着岩体主动土压力增大,立面岩体无法阻挡岩体下滑,在重力作用下,滑动面上部岩体有向外滑动趋势,后缘张拉裂缝逐渐扩大加深,形成连续滑动面,上部整体发生滑移,形成滑坡。

(2)赤平投影分析

对K9+071～K9+110段的石英砂质边坡进行赤平投影分析,判定岩体稳定性:

a.滑动方向:沿交线C方向滑动。

b.稳定类型:稳定。

赤平投影分析,边坡开挖后,坡面基本稳定,详见图5。

图5 石英砂岩赤平投影图

(3)边坡稳定性计算

对该段边坡采用理正岩质边坡稳定分析软件进行稳定性计算,计算简图见图6。

图6 K9+071～K9+110右侧坡面滑坡稳定性计算简图

该计算方法采用极限平衡法原理,根据实际地形及地质情况,计算模型里将坡面分成了4段,并考虑了5种岩体,分别为碎石、石英砂岩、粉砂岩与粉砂质页岩互层、粉砂质页岩、粉砂岩夹粉砂质页岩。

K9+071～K9+110右侧坡面:该段边坡稳定性主要由结构面控制,岩体内考虑了两组结构面,结构面1位于石英砂岩内,内摩擦角取27°,黏聚力取91kPa;结构面2为石英砂岩与粉砂岩夹粉砂质页岩之间的断层破碎带,内摩擦角取20°,黏聚力取7kPa。算得安全系数为1.493,属稳定边坡[4]。

对于K9+026～K9+071右侧边坡,该处为岩层断面,该断面处具有与K9+071～K9+110右侧滑坡相似的地质条件,边坡也具有形成滑坡可能性。根据计算可知,当边坡挖通断层时,边坡破坏模式如图7,此时安全系数仅为0.983,为不稳定边坡[4]。因此应尽量保证断层外侧石英砂岩岩体厚度,当断层外侧石英砂岩岩体厚度大于5m时,对于断层内侧软弱互层岩体滑动具有明显的抵抗作用,此时计算模型便转化为K9+071～K9+110段边坡计算模型,安全系数大于1.3,基本稳定[4]。

图7 K9+026～K9+071右侧边坡坡面滑坡稳定性计算简图

6 结论与建议

(1)调查路段内右侧山体,山体顶部局部存在危岩体,自然状态下较稳定,考虑地震、暴雨冲刷等影响,K9+130～K9+300路段存在不稳定岩体。

(2)通过定性分析计算,K9+026～K9+071右侧的断层外侧石英砂岩岩体厚度小于5m时,断层内侧软弱互层岩体易发生圆弧滑动或直线型滑动。

(3)对道路右侧K9+026～K9+160段,应采用挡墙、削坡、喷锚等工程措施,确保边坡安全。在高速公路运营期,对边坡进行动态监测,掌握其动态变化特征。