淺談公路上邊坡穩(wěn)定性影響因素與等級的判定

沈云琴

(湖州市公路管理處,浙江 湖州 313000)

0 引 言

公路邊坡按照填挖形式可分為上邊坡 (路塹邊坡)和邊坡 (路堤邊坡),其中公路上邊坡是通過對原有巖土體開挖而形成的邊坡,因開挖過程中對巖土體產(chǎn)生了擾動,改變了原有土體的狀態(tài),在各種自然因素或人為因素的影響下可能產(chǎn)生不穩(wěn)定狀態(tài),對公路的施工期間和運(yùn)營產(chǎn)生不利影響,甚至產(chǎn)生工程地質(zhì)病害,危害人民生命財產(chǎn)安全,需引起足夠的重視。

1 邊坡穩(wěn)定性影響因素

1.1 自然因素

1.1.1 開挖深度及地形要素

路塹往往是在自然斜坡的中部或下部坡腳處切口開挖,邊坡體內(nèi)應(yīng)力的重分布在很大程度上受到其下部自然斜坡的影響,邊坡設(shè)計越高,其開挖深度越大,相應(yīng)地其不穩(wěn)定性可能變大;此外,開挖深度與原始地形坡度一樣,從某種程度上決定了開挖范圍的大小。開挖范圍越大,對原巖平衡的擾動就越大,引起失穩(wěn)和破壞的可能性就大。

由于邊坡對原有地形的改造 (特別是在山區(qū)),要使改造后的地形仍處于穩(wěn)定狀態(tài),人工邊坡的設(shè)計參比坡形就是該部位的自然穩(wěn)定性狀態(tài)坡形,常見的公路典型上邊坡形式見圖1。

1.1.2 巖層傾角、邊坡坡度及兩者走向之間的關(guān)系

巖層傾角的大小對邊坡穩(wěn)定性的影響很大。其中以30°～50°傾角的公路邊坡最危險;近水平巖層構(gòu)成的邊坡穩(wěn)定性較好,對這種情況,有時即便是開挖成70°～80°的陡坡,坡高達(dá)40～60m,甚至是70～80m,均能處于穩(wěn)定狀態(tài),如圖2所示。

1.1.3 軟弱結(jié)構(gòu)面

巖體中軟弱結(jié)構(gòu)面對上邊坡穩(wěn)定性有較大影響。上邊坡的變形和破壞,通常沿著巖體的地質(zhì)不連續(xù)面—結(jié)構(gòu)面發(fā)生的,其中產(chǎn)生不連續(xù)面的巖體或主巖直接影響不連續(xù)面的強(qiáng)度特征,特別是在沒有節(jié)理充填物的情況下,不連續(xù)巖面因其組成節(jié)理的物質(zhì)的摩擦性質(zhì)和節(jié)理面起伏不平的原始強(qiáng)度影響節(jié)理的強(qiáng)度。

圖1 一般公路典型上邊坡形式

圖2 結(jié)構(gòu)面與邊坡面組合類型對邊坡穩(wěn)定性影響示意圖

1.1.4 巖石性質(zhì)

從巖石類型可以大致推斷邊坡的變形、失穩(wěn)型式。如結(jié)晶巖:寬厚風(fēng)化層 (殼)沿沖溝兩側(cè)邊坡的局部性崩塌,多成 “崩崗”地形。石灰?guī)r:除了含夾層順向坡可以發(fā)生滑移性失穩(wěn)外,多呈現(xiàn)為崩塌或溶隙開挖而形成的分割塊體的傾倒、傾滑以及空間撓曲、壓裂等。砂、頁巖交互層:主要表現(xiàn)為泥巖風(fēng)化、侵蝕而導(dǎo)致上覆砂巖座落滑動,故多呈臺階形地形。泥巖基本上是風(fēng)化剝蝕、水土流失或泥石流:當(dāng)其被深大沖溝開挖時,兩沖溝之間巖體風(fēng)化、松弛后有可能發(fā)生較大體積巖體滑移。膨潤土:蒙脫石等親水礦物必然成為塊體變形、失穩(wěn)控制層,在地層產(chǎn)狀近水平的地區(qū)也是如此。碎屑巖:從變形角度考慮,若砂巖與泥巖、頁巖等厚度交互出現(xiàn)時,可視泥巖、頁巖的剛度為坡體的剛度;雙層結(jié)構(gòu)且上覆砂巖時,下伏泥巖、頁巖的剛度即成為控制性剛度;它的變形、失穩(wěn)表象是砂巖層的傾倒、傾滑、座 (錯)落以及座滑等,并取決于下伏泥巖、頁巖的風(fēng)化、剝落、掏 (蝕)空帶往坡體深部的延伸程度。

1.1.5 水體影響

在連降大雨或暴雨的情況下,巖土體的c、φ值因水體的影響而降低,另外短時間內(nèi)的水流匯聚使上邊坡上部載荷增加,導(dǎo)致公路上邊坡突然失穩(wěn),甚至發(fā)生突發(fā)性上邊坡事故。統(tǒng)計資料表明非施工階段邊坡失穩(wěn)大多數(shù)與雨水密切相關(guān)。

1.1.6 風(fēng)化作用

風(fēng)化作用可對巖石的變形性質(zhì)產(chǎn)生不利影響并降低其極限承載能力和其它強(qiáng)度性質(zhì)。巖石風(fēng)化作用使巖土體的裂隙增多、擴(kuò)大,透水性增強(qiáng),抗剪強(qiáng)度降低,對上邊坡的穩(wěn)定極為不利。

1.2 人為因素

1.2.1 工程因素

不當(dāng)?shù)娜祟惞こ袒顒咏?jīng)常引起邊坡失穩(wěn)事故發(fā)生,對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響的人類活動有:

(1)削坡。不當(dāng)?shù)南髌峦蛊履_結(jié)構(gòu)面或軟弱夾層的覆蓋層變薄或切穿,減小坡體滑動面的抗滑力,而邊坡的下滑力卻沒有相應(yīng)地減小,這樣邊坡的穩(wěn)定性降低 (如圖3-1)。

(2)坡頂加載。坡頂加載一方面增加了坡體下滑力,而沒有成比例地增加滑動面的抗滑力;另一方面加大坡頂張應(yīng)力和坡腳剪應(yīng)力集中程度,使邊坡巖土體破壞,降低強(qiáng)度,因而引起邊坡穩(wěn)定性降低 (如圖3-2)。

(3)地下開挖。地下開挖首先引起邊坡地表移動,當(dāng)?shù)乇硪苿拥揭欢ǔ潭葧r,邊坡坡頂附近拉裂,坡腳附近出現(xiàn)剪切破壞帶;當(dāng)邊坡巖土體破壞較嚴(yán)重時,拉裂縫與剪切破壞帶貫通,邊坡滑動面的抗滑力急劇下降,邊坡穩(wěn)定性顯著降低,甚至失 穩(wěn) (如圖3-3)。

圖3 人類活動對邊坡的影響示意

1.2.2 作業(yè)人員素質(zhì)

作業(yè)人員具有豐富的上邊坡施工實踐經(jīng)驗和安全保護(hù)知識,自覺遵守各項安全操作規(guī)程,按章作業(yè),即可有效減少安全事故的發(fā)生。但許多施工企業(yè)安全培訓(xùn)教育工作滯后,三級培訓(xùn)教育、持證上崗未完全得到保證,安全基礎(chǔ)薄弱;許多施工單位作業(yè)人員安全意識淡薄,自我保護(hù)能力差;安全管理人員整體素質(zhì)和安全管理水平對施工安全影響重大。

1.2.3 勘察設(shè)計質(zhì)量

由于上邊坡巖土體的復(fù)雜性及每一公路上邊坡都具有不同的特性,對公路高邊坡應(yīng)進(jìn)行 “一坡一勘察、一坡一設(shè)計”,但目前公路上邊坡設(shè)計還存在設(shè)計單位不夠重視現(xiàn)象,“千坡一率”,沒有對邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行勘察,設(shè)計的工程結(jié)構(gòu)不穩(wěn)或安全系數(shù)不足,不能保證結(jié)構(gòu)安全;結(jié)構(gòu)設(shè)計施工難度大,不能保證施工安全。

1.2.4 施工工藝

施工工藝對上邊坡施工安全影響較大,施工工藝不合理,沒有按作業(yè)規(guī)程、規(guī)范、施工組織設(shè)計要求作業(yè),常常導(dǎo)致安全事故。如邊坡開挖 “掏神仙土”,很容易引起邊坡坍塌,導(dǎo)致工程事故等。

2 公路邊坡的穩(wěn)定性狀態(tài)

根據(jù)邊坡崩滑體的相關(guān)特征,上邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)分為穩(wěn)定的 (Ⅳ級)、基本穩(wěn)定的 (Ⅲ級)、比較危險的 (Ⅱ級)、危險的 (Ⅰ級)等四個級別。

穩(wěn)定的 (Ⅳ級)指:不具備統(tǒng)一的、規(guī)則的主滑控制界面 (帶),主滑帶不規(guī)則,難以構(gòu)成整體性失穩(wěn)的控制界面 (帶),穩(wěn)定邊坡在短期內(nèi)邊坡不會發(fā)生變形和破壞。

基本穩(wěn)定的 (Ⅲ級)指:具備大體統(tǒng)一的、規(guī)則的主滑帶且主滑帶的總體傾斜度小于或接近崩滑體地表穩(wěn)定性狀態(tài)坡度,沿主滑帶的飽和抗滑阻力有一定的余度,故只要前緣不臨空不會出現(xiàn)整體性失穩(wěn);崩滑體內(nèi)部沖溝兩側(cè)時有局部性崩滑發(fā)生。基本穩(wěn)定邊坡在短期內(nèi)邊坡可能會有些松動,但是不會發(fā)生大的變形和破壞。

比較危險 (潛在不穩(wěn)定)的 (Ⅱ級)指:具備統(tǒng)一的、規(guī)則的主滑帶且主滑帶的總體傾斜度大于崩滑體地表穩(wěn)定性狀態(tài)坡度,比較危險邊坡的穩(wěn)定性差,坡體上各種松動的裂隙發(fā)育,在一定的條件下可能發(fā)生嚴(yán)重的變形和破壞。

危險 (不穩(wěn)定)的 (Ⅰ級)指:崩滑體形成后,曾經(jīng)出現(xiàn)過幾次新的變形或解體性失穩(wěn),而且沖溝多沿后期變形、失穩(wěn)邊界展布。危險邊坡一般正在蠕動變形,隨時都有可能發(fā)生大的破壞,尤其在雨季更容易發(fā)生。它包括了變形體或變形域 (深層變形地質(zhì)體)的情況:沿著滑體的后緣出現(xiàn)新的變形裂縫或塌陷;崩滑體內(nèi)變形裂縫廣布,伴隨鼓脹、塌陷;崩滑體基本上解體且各解體單元變形加劇甚至有的單元己經(jīng)失穩(wěn);一場暴雨之后出現(xiàn)的裂縫可能是淺層變形跡象,也可能是深層變形跡象。

3 公路邊坡穩(wěn)定性影響因素識別及等級確定

由于公路上邊坡穩(wěn)定性影響因素眾多,模糊綜合評價法只能考慮主導(dǎo)因素,否則計算工作量大,計算過程復(fù)雜,分析準(zhǔn)確度下降。針對眾多的影響因素,利用專家的經(jīng)驗智慧,強(qiáng)調(diào)人的思維判斷在科學(xué)決策中的作用,往往更方便、直接、快速、有效。

按照上邊坡危險因素識別原則,參考國家有關(guān)法律、法規(guī),行業(yè)勞動標(biāo)準(zhǔn)、事故統(tǒng)計及傷害數(shù)據(jù),在專家的建議及意見的基礎(chǔ)上,結(jié)合浙江省某在建公路上邊坡工程,對上邊坡施工期間的危險因素進(jìn)行了調(diào)查、統(tǒng)計、分析、識別。

根據(jù)各因素危險性的程度分為三級表示,其中:1級—特別危險;2級—危險性較嚴(yán)重;3級—危險性一般。事故可能發(fā)生概率:1表示發(fā)性概率高;2表示發(fā)生概率中;3表示發(fā)生概率低。

工程風(fēng)險大小采用定量計值評價方法,風(fēng)險量分值按公式 (1)計算:D=L×E (1)

式中:D為危險性分值;L為危險等級;E為事故可能發(fā)生概率。

危險等級判定加權(quán)平均計算公式如下:

式中:G為危險等級,值按4舍5入取整;D1為某危險性較大工程評定為等級1的危險性分值;D2為某危險性較大工程評定為等級2的危險性分值;D3為某危險性較大工程評定為等級3的危險性分值。

根據(jù)專家咨詢表統(tǒng)計分析,按照公式 (1)、(2)確定影響邊坡穩(wěn)定危險因素及等級判定如表1所示。

表1 邊坡較大危險因素分級列表

注:表1是通過對100余位公路工程從業(yè)人員,特別是有邊坡工程經(jīng)歷的人員進(jìn)行問卷調(diào)查的基礎(chǔ)上分析得到的,因調(diào)查問卷采取的樣本受區(qū)域范圍限制,表中的結(jié)果可能與具體的邊坡有所偏離。通過對公路邊坡穩(wěn)定性影響因素的識別及危險等級分析,初步確立了單因素對邊坡穩(wěn)定性的影響程度,以便進(jìn)一步綜合分析邊坡的穩(wěn)定性。

4 結(jié) 語

對于公路邊坡,特別是對高邊坡的穩(wěn)定性分析是公路工程地質(zhì)勘察和施工過程中的一項十分重要內(nèi)容。影響邊坡穩(wěn)定性的因素主要有邊坡巖土的類型和性質(zhì),巖層層面和軟弱結(jié)構(gòu)面,地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件以及地表水、大氣的作用、巖石風(fēng)化作用、人為因素影響等,各種因素對邊坡穩(wěn)定性的影響等級不同,但影響邊坡失穩(wěn)的因素往往不是單獨的,而是多種因素共同作用的結(jié)果。因此,對邊坡穩(wěn)定性的研究中,應(yīng)綜合各種因素,分析各種變形形式,并充分考慮它們之間的關(guān)系,綜合評判邊坡的穩(wěn)定性。

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