關于巖質邊坡切向臨空(層面外傾)破壞模式的探討

柯　學

(重慶市高新工程勘察設計院有限公司 巖土分院，重慶 401121)

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關于巖質邊坡切向臨空(層面外傾)破壞模式的探討

柯學

(重慶市高新工程勘察設計院有限公司 巖土分院，重慶 401121)

摘要：從巖質邊坡赤平投影圖可知：當巖層傾向與邊坡坡向呈切向時，邊坡穩(wěn)定性受巖層層面的影響小，但工程實踐中卻出現(xiàn)了多起巖質邊坡切向臨空(層面外傾)破壞的案例。需要對理論分析與工程實踐截然相反的原因及切向臨空(層面外傾)的破壞模式進行深入的討論，以防止類似情況繼續(xù)發(fā)生，否則它將威脅人員及財產安全。經過詳實的現(xiàn)場調查與分析，確定切向臨空(層面外傾)的破壞模式等同于順向臨空，產生順向滑動失穩(wěn)破壞，而不是沿邊坡坡向滑動。提出排水、削方減重、支擋、改善滑動面(帶)的巖土性質等治理方案，解除災害安全隱患。

關鍵詞：巖質邊坡；切向臨空；赤平投影圖；破壞模式

0前言

近年來，發(fā)生了多起巖質邊坡切向臨空(層面外傾)破壞的案例，與傳統(tǒng)赤平投影圖分析[1]“巖層傾向與坡向斜交，邊坡受層面影響小”的結論不太相符。尤其是部分切向臨空(層面外傾)且不受其他結構面控制的巖質邊坡易被忽視，未采取有效的支護措施，在工程施工過程中或投入使用后失穩(wěn)，造成了直接經濟損失甚至人員傷亡，具有一定危害性。為了防止人民生命財產安全和城鎮(zhèn)基礎設施的安全繼續(xù)受到威脅，查清邊坡失穩(wěn)破壞的模式并提供合理的治理方案迫在眉睫。

1某市馬戲城邊坡失穩(wěn)分析

1.1工程概況

項目位于彈子石組團A標準分區(qū)，A10-7/03地塊，北臨南濱路，面對長江，緊鄰大佛寺文物保護區(qū)及大佛寺大橋。馬戲城施工開挖后，主表演館基坑邊坡及南側馬戲城環(huán)道邊坡處出現(xiàn)楔形體狀垮塌(如圖1)?？逅梢?處(如圖2～3)，一處位于已開挖的主表演館基坑邊坡處，方量約為50 m3；一處位于后部擬建馬戲城環(huán)道邊坡處，方量約為120 m3，是垮塌后的殘留體?？逅鷮е碌孛嫱翆映霈F(xiàn)較多的裂縫，變形區(qū)域總體方量約為700 m3(以垮塌當日情況計量)。

圖1　邊坡楔形體破壞示意圖

圖2　場地平面圖

圖3　邊坡滑塌示意圖

1.2地質環(huán)境條件

場地屬構造剝蝕丘陵地貌，整體東南高西北低，南濱路西南側地形平緩，坡度一般為5～8°，地形標高從在建主表演館向東南側逐漸抬高，總體坡度為15°～28°，局部因建設開挖形成高約4～9 m的陡坎。區(qū)內上覆地層為第四系填土層及殘坡積層，最大厚度≤3.0 m。下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組砂巖及泥巖互層。屬金鰲寺向斜東北翼，巖層產狀：282°∠25°，發(fā)育3組構造裂隙。L1：14°∠72°，間距0.5～4.50 m，走向延伸大于10 m，微張，裂縫寬1～3 mm，無充填，裂面較平直，結合程度差，

壓扭性裂

隙，屬硬性結構面。L2：205°∠85°，間距2～10.0 m，走向延伸5～8 m，微張，裂縫寬1～3 mm，偶見泥質充填，裂面較平直，結合程度差，壓扭性裂隙，屬硬性結構面。L3：120°∠65°，間距2～10.0 m，走向延伸2～4 m，微張，裂縫寬2～5 mm，常有砂、泥質充填，裂面較平直，結合程度差，壓扭性裂隙，屬硬性結構面。泥巖中層面稍發(fā)育，結合程度差；砂巖中層面稍發(fā)育，結合程度好；泥巖與砂巖相互交界處層面較發(fā)育，多為閉合、局部微張，層面結合程度差。地下水類型主要為第四系孔隙水和基巖裂隙水?？紫端嘿x存于結構松散—中密、透水性強的填土中，多形成上層滯水。基巖裂隙水：賦存于強風化帶風化裂隙中，區(qū)內強風化帶總體較薄。地下水隨季節(jié)變化明顯，受大氣降雨的補給，沿斜坡坡腳散流形式而排泄入地勢低洼地帶。

1.3破壞模式

AB段邊坡坡向312°～12°，坡角90°，與巖層傾向斜交，為切向坡且切向臨空(層面外傾) (如圖4)。由圖5分析：層面②與邊坡①斜交，裂隙③、④均與邊坡①斜交，裂隙⑤與邊坡①逆向，故邊坡穩(wěn)定性受層面和裂隙的影響小，而主要受巖石強度影響，邊坡穩(wěn)定。

BC段邊坡坡向252°～312°，坡角90°，與巖層傾向相同，為順向坡(如圖6)；由圖7分析：層面②與邊坡①順向，裂隙③、④均與邊坡①斜交，裂隙⑤與邊坡①逆向，⑥、⑦、⑨交線均與邊坡①順向，故邊坡穩(wěn)定性受⑥、⑦、⑨交線和層面②影響大，邊坡在暴雨或其他不利工況下，易⑥、⑦、⑨交線和層面②產生局部楔形體、滑移、崩塌破壞，甚至沿層面整體滑動。

圖6　剖面圖2

CD段邊坡坡向192°～252°，坡角90°，與巖層傾向斜交，為切向坡且切向臨空(層面外傾)。由圖8分析：層面②與邊坡①斜交，裂隙③與邊坡①逆向，裂隙④與邊坡①順向，裂隙⑤與邊坡①斜交，⑧交線與邊坡①順向，但裂隙④傾角85°為陡傾裂隙、⑧交線傾角7°較緩，故邊坡穩(wěn)定性受層面和裂隙的影響小，而主要受巖石強度影響，邊坡穩(wěn)定。

圖8　CD段邊坡赤平投影圖

AD段邊坡坡向282°，與巖層傾向重合，為順向坡。由圖9可知：滑塌后緣GH僅與坡高AA’及巖層傾角有關，與邊坡形狀無關。圓弧形邊坡ABCD與直線形邊坡AD的破壞模式相同。即切向臨空(層面外傾)的AB段和CD段、順向臨空的BC段邊坡均為順層滑動，滑動面為層面，而不是沿邊坡坡向滑移。此結論與傳統(tǒng)的赤平投影分析相差甚遠。

圖9　破壞模式分析圖

綜合以上2種分析：AB段、BC段、CD段、AD段邊坡中⑥、⑦、⑨交線及層面②均為外傾臨空，極易產生局部楔形體、滑移、崩塌破壞，甚至沿層面整體滑動。

通過地表半儀器法工程地質測繪證實：與AB段同向的邊坡發(fā)生變形破壞(如圖1)的就是切向臨空(⑥、⑦、⑨交線及層面②均外傾)組合形成的楔形體產生了順層滑移，形成滑塌范圍2(如圖2～3)。與BC段同向的邊坡破壞后形成滑塌范圍1(如圖2～3)。工程實踐中往往也容易忽視切向臨空的不利影響。預測滑塌范圍時，剖面方向應與滑動方向一致，不沿邊坡坡向，否則會產生一定的偏差。

2某道路邊坡失穩(wěn)分析

2.1工程概況

項目位于石子山立交西北側，靠近金科十年城，與盤溪路相交。道路含3條城市支路，雙向兩車道，分別為1號路、2號路、3號路。2號路K0+490～K0+513 m開挖道路及右幅排水溝時，右側邊坡發(fā)生了垮塌，方量約為65 m3(如圖10～11所示)。

圖10　邊坡破壞示意圖

圖11　場地平面圖

2.2地質環(huán)境條件

場地屬剝蝕淺丘斜坡地貌，整體西高東低，總體地形坡角5°～58°，局部人工開挖形成的陡坎及陡坡地段達75°～80°。區(qū)內上覆地層為第四系填土層、下更新統(tǒng)卵石土及殘坡積層等，最大厚度11.10 m。下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組泥巖、粉砂巖及砂巖。屬龍王洞背斜北西翼，巖層產狀：300°∠15°，構造裂隙L1：142°∠74°，裂面平直很光滑，大部分無充填物，局部偶有泥化夾層充填，裂面寬2～10 mm，一般裂隙間距0.8～2. 5 m，延伸1～4 m，結合極差(泥化層)，屬軟弱結構面；L2：210°∠85°，裂面平直很光滑，局部有泥化夾層充填，裂隙寬5～14 mm，一般裂隙間距0.5～3.0 m，延伸1～3 m，結合極差(泥化層)，屬軟弱結構面；L3：25°∠87°，裂面平直很光滑，局部有泥化夾層充填，裂隙寬4～12 mm，一般裂隙間距0.7～1.2 m， 延伸1～2.5 m，結合極差(泥化層)，屬軟弱結構面。泥化夾層：為灰白色黏土，含有大量的蒙脫石、伊利石、高嶺石等黏土成分[2]，呈可塑—軟塑狀，粘手，很光滑，非常細膩，如鏡面，韌性較好，有蠟質光澤，透水性較差；干硬時強度高，堅硬不易挖掘、不易壓實[3]；毛細現(xiàn)象明顯，吸水后能長時間保持水分，故吸水后承載力小、穩(wěn)定性差[4]；具有較大的可塑性、弱膨脹性和黏性。層間裂隙局部較為發(fā)育，裂面較平直，可見褐色鐵錳質氧化膜浸染和少量的泥化夾層充填，裂面結合程度極差，屬軟弱結構面。泥巖、粉砂巖、砂巖中層面稍發(fā)育；泥巖與砂巖相互交界處層面較發(fā)育，多為閉合、局部微張，2號路K0+480～K0+513 m右側邊坡附近張開10～28 mm，充填泥化夾層。地下水類型：孔隙水：賦存于填土中，多形成上層滯水?；鶐r裂隙水：賦存于強風化帶風化裂隙中，在雨季或雨季后期水位變化對基巖面土體物理力學性質影響較大，具體表現(xiàn)在裂隙充水后裂面抗剪強度降低、特別是填充了黏性土的裂隙。地下水受大氣降雨的補給，排泄入地勢低洼地帶。

2.3破壞模式

2號路K0+480～K0+513 m右側邊坡坡向238°～268°，坡角90°，與巖層傾向斜交，為切向坡且切向臨空(層面外傾)(如圖12)，巖性為上部泥巖下部砂巖，且泥巖與砂巖之間有10～28 mm的泥化夾層。由圖13分析：層面②與邊坡①斜交，裂隙③、④均與邊坡①斜交，裂隙⑤與邊坡①逆向，⑥交線與邊坡①同向，但其傾角5°，較緩，故邊坡穩(wěn)定性受層面和裂隙的影響小，主要受巖石強度影響，邊坡穩(wěn)定。

圖12剖面圖1

圖13赤平投影圖

邊坡切向臨空(層面外傾)若沿坡向246°滑動，從圖12可知，視傾角為8°57′，較小，易誤導人認為邊坡不受層面控制，但實際上切向臨空(層面外傾)后沿層面滑動，角度15°。泥巖與砂巖之間的泥化夾層成為理想的滑面，邊坡下部第一塊臨空的巖體先行滑動，使原本充填有泥化層的裂隙結構面張開度急劇增加，進一步形成張拉裂縫，而后邊坡中、上部因下部滑動而失去支撐也跟著發(fā)生第二、三塊滑動，運移形式類似于牽引式滑坡[5]，即下部先滑，使上部失去支撐而變形滑動。一般速度較慢，多具上小下大的塔式外貌，橫向張性裂隙發(fā)育，表面多呈階梯狀或陡坎狀[6]。

3治理方案

1)清除邊坡表層土體，根據(jù)需要開展應急專業(yè)變形監(jiān)測。

2)排水：設置截水溝和排水明溝系統(tǒng)，并采取防水措施，遇降雨時避免雨水灌入構造裂隙或巖層層間裂隙導致結構面軟化。

3)削方減重：削減坡度角或降低坡高，以減輕邊坡不穩(wěn)定部位的重量，從而減少邊坡上部的下滑力，順層滑坡應沿層面進行放坡，尤其軟弱夾層不能臨空。

4)支擋：在邊坡下部修筑擋土墻、抗滑樁或用錨桿加固等工程以增加抗滑力。

5)改善滑動面(帶)的巖土性質：采用固結灌漿，以增加坡體強度[7]；此法對軟弱夾層的適宜性差。

4切向坡分析方法

1)切向坡即坡向與巖層傾向夾角30°～150°的邊坡。應細分為坡向與巖層傾向夾角30°～90°的切向臨空(層面外傾)邊坡、坡向與巖層傾向夾角90°～150°的切向不臨空(層面內傾)邊坡。

2)切向臨空(層面外傾)的破壞模式為順層滑動，不是沿邊坡坡向滑移，應對傳統(tǒng)的赤平投影分析進行補充完善。

3)當剖面方向與邊坡坡向相同且切向臨空(層面外傾)時，易誤以為沿視傾角滑動，而視傾角小于真傾角，尤其視傾角較小且不受其他結構面控制時，將可能失穩(wěn)的邊坡視為穩(wěn)定的，最終釀成工程事故。

5結語

1)應重視順向臨空(順坡巖層或裂隙面臨空)、切向臨空(層面外傾或其余外傾軟弱結構面臨空)、逆向臨空(一組或多組外傾軟弱結構面臨空)。

2)軟弱夾層：可能誘發(fā)近水平層狀滑坡，沿緩傾巖層或裂隙滑動，滑動面傾角≤10°。

3)含兩組結構面的邊坡深層滑動問題：當兩組結構面及其交線均外傾且交線傾角小于坡角時，則形成對邊坡穩(wěn)定非常不利的形狀結構體。此時兩組結構面的交線已在邊坡臨空面出露，當其他條件具備時，分離體即沿交線下滑面形成滑坡或崩塌。

4)含三組結構面的邊坡失穩(wěn)：當巖層順向臨空且兩組裂隙交線臨空，極易發(fā)生楔形體破壞及大規(guī)?；?，如前述某市馬戲城BC段邊坡。

5)避免開挖坡腳(易引發(fā)牽引式滑坡)或在邊坡中上部(尤其塌滑區(qū))人工填堤、堆料加載、修筑建筑物(易形成推動式滑坡，引起邊坡整體向下滑動[5])。

參考文獻

[1] 毛健全，楊國楨，顧悅. 地質構造分析的赤平極射投影方法[M].貴陽:貴州人民出版社，1981:53-56.

[2] 董遵德，袁澄文.巖體軟弱夾層現(xiàn)場慢剪切試驗研究[J].巖石力學與工程學報，1994，13(2)：149-159.

[3] 劉小麗，周德培.有軟弱夾層巖體邊坡的穩(wěn)定性評價[J].西南交通大學學報，2002，37(4)：382-386.

[4] 許寶田，閻長虹，陳漢永，等.邊坡巖體軟弱夾層力學特性試驗研究[J].巖土力學，2008，29(11)：3077-3081.

[5] 鄭穎人，陳祖煜，王恭先，等. 邊坡與滑坡工程治理[M].北京:人民交通出版社，2007:64-68.

[6] 中華人民共和國國土資源部.DZ/T0219-2006 滑坡防治工程設計與施工技術規(guī)范[S].北京：中國標準出版社，2006.

[7] 石振明，孔憲立.工程地質學[M].2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011:158-160.

The Discussion on Failure Modes of Tangential and Exposed Rock Slope (Out-dip Level)

KE Xue

(GeotechnicalBranch,ChongqingCityHigh-techEngineeringSurveyandDesignInstituteCo.,Ltd.,Chongqing401121,China)

Abstract：The rock slope stereographic projection figure shows: when the inclined direction of rock stratum and slope aspect is in tangential, slope stability is less affected by rock layer. However, in practice there were a lot of tangential and exposed rock slope (out-dip level) damage cases. The diametrically opposite reason from theoretical analysis and engineering practice, and the failure mode of the tangential and exposed rock slope (out-dip level) need further discussion in order to prevent a similar situation continue, otherwise it will threaten personnel and property safety. Through the detailed field investigation and analysis, the failure modes of tangential and exposed rock slope (out-dip level) is equivalent to bedding slope, generating consequent slide instability destruction, instead of sliding along the slope aspect. The drainage, reduce the volume and weight, retaining and improving the sliding surface (zone) the geotechnical properties and other governance programs have been proposed, and the disaster safety hazards have been relieved.

Key words：rock slope; tangential and exposed; stereographic projection; failure modes

文獻標志碼：A

文章編號：1009-8984(2016)01-0092-06

中圖分類號：P64

作者簡介：柯學(1985-)，女(漢)，重慶璧山，工程師

收稿日期：2015-11-24

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.04.021

主要研究巖土及地質災害防治。