福建高速公路邊坡巖土體質(zhì)量評價(jià)方法

張菊連，沈明榮，2

(1.同濟(jì)大學(xué) 土木學(xué)院，200092 上海，happy－zhangjulian@yahoo.com.cn;2.同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，200092 上海)

福建高速公路邊坡巖土體質(zhì)量評價(jià)方法

張菊連1，沈明榮1，2

(1.同濟(jì)大學(xué) 土木學(xué)院，200092 上海，happy－zhangjulian@yahoo.com.cn;2.同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，200092 上海)

福建省高速公路邊坡上部為土下部為巖，整體穩(wěn)定狀態(tài)良好，為對在開挖后及支護(hù)前后出現(xiàn)局部滑塌現(xiàn)象的巖土邊坡進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的穩(wěn)定性評價(jià)，基于極限平衡法，提出一種適合于巖土邊坡巖土體質(zhì)量評價(jià)的方法，首次綜合巖和土的質(zhì)量評價(jià)方法對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，擴(kuò)充了邊坡巖體分級的范疇.用該法評價(jià)福建省7條高速公路的102個(gè)邊坡，結(jié)果與實(shí)際情況非常吻合，證明了該方法的合理性和準(zhǔn)確性.巖土體邊坡的質(zhì)量評價(jià)方法豐富了邊坡穩(wěn)定性評價(jià)理論體系，為巖土邊坡的穩(wěn)定性評價(jià)提供了一種新的途徑.

巖土邊坡;滑塌;巖土體質(zhì)量評價(jià);邊坡穩(wěn)定分析

邊坡巖體分級是一種邊坡巖體穩(wěn)定性的評價(jià)方法，能在勘察初期結(jié)合少量的室內(nèi)及現(xiàn)場試驗(yàn)對邊坡穩(wěn)定情況進(jìn)行宏觀把握，為工程師設(shè)計(jì)加固方案提供參考.目前在邊坡工程方面主要存在如下巖體分級方法:(1)通用巖體分級方法，如巖體分級［1］系統(tǒng)、國家?guī)r體分級標(biāo)準(zhǔn)BQ等;(2)基于地下工程分級系統(tǒng)修正用于邊坡的巖體分級方法，如邊坡巖體分級 SMR［2－3］系統(tǒng)、西南山區(qū)高等級公路邊坡巖體分級［4］法、天山公路邊坡巖體分級［5］法及采礦巖體分級［6］法等;(3)源于邊坡的分級系統(tǒng)，如國內(nèi)的一些定性分級(建筑邊坡工程規(guī)范巖質(zhì)邊坡巖體分類［7］和水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范邊坡巖體分類等)及國外的邊坡穩(wěn)定性概率分級 SSPC［8－9］法、自然邊坡分級［10］法及公路開挖邊坡巖體分級方法［11－12］等.邊坡巖體分級方法是一種快速、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的邊坡穩(wěn)定評價(jià)方法，對于邊坡數(shù)量多、且對邊坡不夠重視的公路工程的邊坡穩(wěn)定性評價(jià)是合適的.然而該法是以巖體為評價(jià)對象，并不適合巖土邊坡.在巖質(zhì)邊坡中，當(dāng)結(jié)構(gòu)面較為發(fā)育且組合不利，或巖體風(fēng)化較為強(qiáng)烈時(shí)，開挖后，坡率或加固措施設(shè)計(jì)不當(dāng)將會出現(xiàn)巖體崩塌或滑塌的現(xiàn)象;同樣的，巖土邊坡在降水或坡率設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)惹闆r下也會出現(xiàn)土層的局部崩塌或滑塌.基于此，將邊坡土體看成是極度風(fēng)化的巖體進(jìn)行質(zhì)量評價(jià)，與巖體分級一起并稱為巖土體質(zhì)量分級方法.

本文針對福建省高速公路邊坡的特點(diǎn)，基于極限平衡法，提出了一種適合于福建省巖土邊坡的質(zhì)量評價(jià)(分級)方法.首次綜合巖和土的質(zhì)量評價(jià)方法，將邊坡巖體分級擴(kuò)展到巖土邊坡中.用福建省7條高速公路的102個(gè)邊坡對該法進(jìn)行了驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況非常吻合，說明了該法的合理性及準(zhǔn)確性.巖土體質(zhì)量分級方法獲得的巖土體質(zhì)量能反映邊坡的局部穩(wěn)定情況，并對邊坡整體穩(wěn)定性有所體現(xiàn)，計(jì)算過程簡單、快捷.因此，巖土體質(zhì)量分級方法可在公路邊坡中得到推廣運(yùn)用.

1 巖土體質(zhì)量與邊坡穩(wěn)定的關(guān)系

針對福建省高速公路邊坡，調(diào)查了7條高速公路的13個(gè)標(biāo)段的102個(gè)邊坡的152個(gè)剖面巖土層的出露情況，結(jié)果顯示:調(diào)查邊坡主要巖土層為砂土狀強(qiáng)風(fēng)化巖、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化巖、坡積亞黏土、弱風(fēng)化巖、全風(fēng)化巖、殘積砂質(zhì)黏性土、坡積粉質(zhì)黏土、殘積黏性土，因此，邊坡的穩(wěn)定性主要取決于該8種巖土體的物理、力學(xué)性質(zhì)及組合相關(guān)特征.為了建立合適的巖土體質(zhì)量分級方法，需對這些巖土層賦予合理分值.由于分值最終要服務(wù)于邊坡穩(wěn)定性評價(jià)，通過分析不同巖土層對邊坡穩(wěn)定性貢獻(xiàn)的相對大小來確定分值是合理的.

1.1 土類質(zhì)量與邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系

坡積黏性土、坡積粉質(zhì)黏土、殘積砂質(zhì)黏性土、全風(fēng)化巖和砂土狀強(qiáng)風(fēng)化巖的破壞機(jī)理與土質(zhì)邊坡相同:沿著某個(gè)最先達(dá)到極限平衡的圓弧面發(fā)生破壞或沿著兩個(gè)土層的分界面發(fā)生破壞.由于福建省地處豐雨地帶，大部分邊坡開挖后在雨水的長期淋濾作用下，在坡面附近容易產(chǎn)生一個(gè)近于豎直的拉裂面(圖1)，后在土體自質(zhì)量的作用下沿下部巖土層界面發(fā)生滑塌.安全系數(shù)根據(jù)極限平衡原理可由式(1)得到.

式中:Gj、γj、cj、φj分別為第 j巖土層滑動(dòng)體的重力、重度和滑動(dòng)體下部接觸面的抗剪強(qiáng)度;hj、lj為第j巖土層的厚度和破壞面底部的長度;βj為第j巖土層的傾角.通過變換，可得

圖1 巖土層沿接觸面破壞示意圖

tan φj和是按照某種組合線性關(guān)系來決定邊坡穩(wěn)定性，然而兩者系數(shù)不同將得到不同的安全系數(shù).本研究不打算再利用極限平衡法來推求系數(shù)的大小，因?yàn)檫@樣做一是工作量非常大，二是并未達(dá)到本文用巖土質(zhì)量分級來評價(jià)邊坡穩(wěn)定性的原意.具體做法是采用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理來推求系數(shù)的大致范圍，用均值作為tan φj和兩者的系數(shù).假設(shè)第j層土的經(jīng)驗(yàn)分值為rEj(式(3))，系數(shù)mj、nj可由第j巖土層的傾角和厚度按式(4)和(5)得到.

根據(jù)測量的152個(gè)邊坡剖面的各土層厚度、傾角，取均值代入式(4)、(5)便得到各土層的經(jīng)驗(yàn)分值公式(式(6)～(10)).

坡積亞黏土:

坡積粉質(zhì)黏土:

殘積黏性土:

殘積砂質(zhì)黏性土:

全風(fēng)化巖:

將巖土層的抗剪強(qiáng)度參數(shù)及重度代入上述式子即可得各種土層的經(jīng)驗(yàn)分值.統(tǒng)計(jì)了7條公路的物理、力學(xué)參數(shù)，得到各土層的重度和抗剪強(qiáng)度的均值，代入式(6)～(10)便可得最終經(jīng)驗(yàn)分值rE(表1).

表1 4種巖土體的重度和抗剪強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)值

從表1可以看出，各土層的濕重度和抗剪強(qiáng)度相差不大，且兩土層之間的物理、力學(xué)特性都是漸變的，因此，使用土層內(nèi)部的濕重度和抗剪強(qiáng)度替代兩土層分界面的濕重度和抗剪強(qiáng)度，并按照式(6)～(9)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)分值不會引起較大誤差.從經(jīng)驗(yàn)分值rE可以看出，4種土層對邊坡穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)相對大小為坡積亞黏土＞坡積粉質(zhì)黏土＞殘積黏性土＞殘積砂質(zhì)黏性土.為便于現(xiàn)場記憶和計(jì)算，4種土的分值見表2.

表2 土體在邊坡穩(wěn)定性中的貢獻(xiàn)分值

全風(fēng)化巖性質(zhì)類似于土，因此，參照土的原則來計(jì)算經(jīng)驗(yàn)分值.表3給出了多種全風(fēng)化巖的經(jīng)驗(yàn)分值.可以看出:絕大多數(shù)全風(fēng)化巖的經(jīng)驗(yàn)分值都介于3.5～4.5，其對邊坡穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)介于殘積砂質(zhì)黏性土和殘積黏性土之間.

1.2 各種風(fēng)化巖質(zhì)量與邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系

一般來說，新鮮巖塊的單軸抗壓強(qiáng)度越高及巖體節(jié)理裂隙越不發(fā)育，巖體質(zhì)量及對應(yīng)分值應(yīng)越高，因此，可從巖石強(qiáng)度及完整性兩方面來分析巖體質(zhì)量得分.

在巖石強(qiáng)度方面，參考著名的巖體分級RMR法，按微風(fēng)化巖(指不帶裂隙的微風(fēng)化巖塊;因?yàn)闆]有新鮮巖塊資料，采用微風(fēng)化巖塊強(qiáng)度)的飽和單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行分級，并采用其評分比率，同時(shí)考慮將全風(fēng)化巖評分控制在3.5～4.5反算各級別賦分(表4).

表3 多種巖體全風(fēng)化巖的經(jīng)驗(yàn)分值

表4 巖體按飽和單軸抗壓強(qiáng)度分級

工程實(shí)踐中，除微、弱風(fēng)化狀態(tài)的其他風(fēng)化狀態(tài)巖石的飽和單軸抗壓強(qiáng)度都無法由試驗(yàn)得到，因此，考慮采用同一場地的微、弱風(fēng)化巖進(jìn)行合理折減(風(fēng)化折減系數(shù)ξ1)得到評分.該折減系數(shù)須通過同一個(gè)力學(xué)指標(biāo)來計(jì)算，地基承載力較好因?yàn)?(1)在一定程度上反映了巖體強(qiáng)度;(2)在現(xiàn)場容易獲取且數(shù)據(jù)較為豐富.根據(jù)統(tǒng)計(jì)的13種巖體5種風(fēng)化狀態(tài)下的天然地基允許承載力(圖2)，發(fā)現(xiàn)每種巖體的強(qiáng)度都是隨風(fēng)化程度的增加而遞減，且該遞減率基本相同.遞減率在不同巖性的巖體之間稍有差異，可以采用兩種風(fēng)化程度巖體地基承載力面積之比來減小這種差異.具體為:假設(shè)每種巖性之間的距離為1，兩種巖性承載力坐標(biāo)點(diǎn)之間用折線連接，分別計(jì)算微、弱、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化、全風(fēng)化巖的天然承載力面積，以微風(fēng)化巖為基準(zhǔn)計(jì)算折減系數(shù).簡單給出了全風(fēng)化巖的承載力面積計(jì)算過程

表5給出了13種全風(fēng)化巖的天然地基承載力測試值.

用全風(fēng)化巖的承載力面積除以微風(fēng)化巖的承載力面積(41 956 kPa)，即可得全風(fēng)化巖的風(fēng)化折減系數(shù)

其他風(fēng)化狀態(tài)下折減系數(shù)見表6.

圖2 5種風(fēng)化情況下的巖體天然地基允許承載力

表5 全風(fēng)化巖天然地基承載力取值 kPa

表6 巖體風(fēng)化程度折減系數(shù)

微風(fēng)化巖、弱風(fēng)化巖、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化巖巖體強(qiáng)度除由巖石強(qiáng)度和風(fēng)化程度決定外，還受節(jié)理裂隙發(fā)育(完整性)的影響.砂土狀風(fēng)化巖和全風(fēng)化巖的破壞機(jī)理類似土體，因此，不考慮裂隙發(fā)育的折減.根據(jù)收集統(tǒng)計(jì)的巖體節(jié)理裂隙發(fā)育情況并結(jié)合實(shí)際情況給出合理的裂隙折減系數(shù)ξ2(表7).

由微、弱風(fēng)化巖組成的邊坡某剖面上如果存在不利結(jié)構(gòu)面、斷層或軟弱夾層，則該處斷面的穩(wěn)定性較差，巖體質(zhì)量應(yīng)進(jìn)行折減.折減系數(shù)ξ3通過對比標(biāo)度權(quán)重系數(shù)［13］得到(表8).

表7 巖體節(jié)理裂隙發(fā)育程度折減

表8 不利結(jié)構(gòu)面對巖體質(zhì)量的折減

綜上分析，考慮巖體風(fēng)化程度、裂隙發(fā)育情況及不利結(jié)構(gòu)面的巖體質(zhì)量得分為

需要說明的是:如果弱風(fēng)化巖的飽和單軸抗壓強(qiáng)度已由試驗(yàn)測得，則不需進(jìn)行風(fēng)化系數(shù)折減，即ξ1=1;如果實(shí)驗(yàn)室使用的巖塊包含原巖裂隙發(fā)育情況，則不需進(jìn)行裂隙發(fā)育折減，即ξ2=1.強(qiáng)風(fēng)化巖和全風(fēng)化巖由于其飽和單軸抗壓強(qiáng)度無法由實(shí)驗(yàn)測得，可以按照微風(fēng)化巖或弱風(fēng)化巖的強(qiáng)度按表6進(jìn)行折減.

2 邊坡巖土體質(zhì)量分級

由于邊坡巖土體隨高度變化，采用加權(quán)的方法計(jì)算邊坡巖土體綜合質(zhì)量得分.基本原理為:邊坡某巖土層厚度越大，對邊坡的巖土體質(zhì)量評分的貢獻(xiàn)越大.用巖土體質(zhì)量評分系統(tǒng)評價(jià)了102個(gè)邊坡總共152個(gè)剖面的巖土體質(zhì)量，以分值越大該處剖面巖土質(zhì)量越好的原則進(jìn)行現(xiàn)場判別，其判別結(jié)果與現(xiàn)場非常吻合，可用于福建高速公路邊坡穩(wěn)定性評價(jià).從巖土體質(zhì)量評分頻率分布圖(圖3)可以看出，評分結(jié)果基本服從正態(tài)分布，且無分值段缺失，說明調(diào)查樣本具備隨機(jī)性，且能較為廣泛地覆蓋整個(gè)分值(0～10)范圍，評分系統(tǒng)更具有普遍適用性.

利用系統(tǒng)聚類的最短距離法對巖土體質(zhì)量得分進(jìn)行分類，并采用4個(gè)統(tǒng)計(jì)量［14］來確定最佳聚類數(shù):R2統(tǒng)計(jì)量、半偏R2統(tǒng)計(jì)量、偽F統(tǒng)計(jì)量、偽t2統(tǒng)計(jì)量，其中前兩統(tǒng)計(jì)量輸出結(jié)果一致.分類數(shù)太少和太多都無意義，初步將分類數(shù)定在3～9之間.采用多種系統(tǒng)聚類方法，發(fā)現(xiàn)離差平方和法聚類結(jié)果較佳，其R2及半偏R2統(tǒng)計(jì)量確定的最佳分類數(shù)是二、三、四、五類;偽F統(tǒng)計(jì)量確定的最佳分類數(shù)是五、六、七類;偽t2統(tǒng)計(jì)量確定的最佳分類數(shù)是二、五類，綜合確定最佳分類級別為五類.歸類得巖土體質(zhì)量分級表(表9)，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況給出了合理的支護(hù)建議.

圖3 邊坡巖土體質(zhì)量得分頻率分布

表9 邊坡巖土體質(zhì)量分級

3 算例

龍巖至長汀高速A22合同段K115+352處邊坡剖面出露巖性為變質(zhì)砂巖及其風(fēng)化層，主要有4層巖土層，原山坡的傾向、傾角分別為 59°、23°，開挖邊坡的傾向和傾角分別為40°、45°，其他計(jì)算參數(shù)見表10～12.

表10 剖面K115+352巖層產(chǎn)狀

表11 剖面K115+352巖性及得分

表12 剖面K115+352巖體風(fēng)化狀態(tài)及折減系數(shù)

該處剖面共出露4層巖土體:4.73 m厚的坡積亞黏土、8.98 m厚的砂土狀強(qiáng)風(fēng)化巖、8.51 m厚的碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化巖及15.5 m厚的弱風(fēng)化巖，綜合巖土體質(zhì)量得分為1.83，如下求得:

坡積亞黏土的工程性質(zhì)一般，因黏聚力相對較大，在注意排水的情況下，對邊坡的穩(wěn)定性不會有較大影響;砂土狀及碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化巖工程性質(zhì)較差，對邊坡的穩(wěn)定性很不利;變質(zhì)砂巖本身性質(zhì)較差，巖層層面順坡面發(fā)育，因此，弱風(fēng)化巖的出露對邊坡的穩(wěn)定性非常不利.總體來看，邊坡巖土體質(zhì)量較差，存在整體失穩(wěn)的可能性(圖4)，本文得到的巖土體質(zhì)量1.83分屬最差級別Ⅴ級與實(shí)際情況相符.根據(jù)表9的建議，該邊坡第一階應(yīng)進(jìn)行錨索加固;第二階應(yīng)放緩坡率，采用拱形護(hù)面墻;第三階掛網(wǎng)噴草.

圖4 K115+350～390段左側(cè)滑坡

4 結(jié)語

結(jié)合福建高速公路邊坡資料，基于極限平衡法、統(tǒng)計(jì)方法及參考巖體分級RMR方法，建立了一種邊坡巖土體質(zhì)量分級方法，擴(kuò)展了邊坡巖體分級范疇.該法可對邊坡巖土體進(jìn)行評分，進(jìn)而得到表征邊坡局部及整體穩(wěn)定性的巖土體評分.福建省高速公路邊坡巖土體質(zhì)量評價(jià)方法計(jì)算簡單，指標(biāo)獲取容易，可快速對邊坡巖土體質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)并提出合理支護(hù)建議，是一種較好的高速公路巖土邊坡穩(wěn)定性評價(jià)方法.但由于統(tǒng)計(jì)范圍為福建省7條高速公路邊坡，僅適用于地質(zhì)條件相似的高速公路巖土邊坡穩(wěn)定性評價(jià)，其適用性及準(zhǔn)確性可由新的邊坡樣本進(jìn)行檢驗(yàn)和改進(jìn).

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A soil and rock mass quality estimation method for Fujian highway slopes

ZHANG Ju-lian1，SHEN Ming-rong1，2

(1.School of Civil Engineering，Tongji University，200092 Shanghai，China，happy－zhangjulian@yahoo.com.cn;2.Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education，Tongji University，200092 Shanghai，China)

To rapidly and accurately assess the stability of Fujian highway slopes whose tops are composed of soil and foots are of rock，and the partial sliding phenomenon after excavation or after and before support，based on limit equilibrium method，this paper presents a soil and rock mass quality estimation method.For the first time，the soil and rock mass quality estimation were put together to evaluate the slope stability，which expanded the scope of rock mass classification system.One hundred and two slopes along seven highways in Fujian province were used to verify the suitability and accuracy of this method.The soil and rock mass quality estimation method enriches the theoretical system of slope stability，and provides a new approach to the stability assessment of soil and rock slopes.

soil and rock slope;sliding;rock and soil quality estimation;slope stability analysis

U214.1

A

0367－6234(2011)10－0113－06

2010－03－30.

上海市重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)資助項(xiàng)目(B308).

張菊連(1984—)，女，博士研究生;

沈明榮(1959—)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

(編輯 劉 彤)