福建某高邊坡工程綜合勘察及穩(wěn)定性分析

■莊炳勇

（福建省林業(yè)勘察設(shè)計院，福州 350001）

近年來，隨著我國城市化進程的推進，越來越多的生活生產(chǎn)設(shè)施被建設(shè)于山地、丘陵地帶，大量建筑邊坡成為威脅建筑安全的主要隱患。 準(zhǔn)確查明工程區(qū)域內(nèi)高邊坡的工程地質(zhì)情況是保證工程安全施工投產(chǎn)的重要措施。 傳統(tǒng)的工程勘察方法以鉆探、井探等為主，通過對勘探點位獲取的樣本分析結(jié)果進行按“點”連“線”，獲取工程區(qū)域地質(zhì)界面的分布情況。 但受勘探點密度的制約，該類方法對地質(zhì)界面實際起伏變化和局部不良地質(zhì)現(xiàn)象的勘探成果往往與實際情況存在差異[1-2]。 為了彌補傳統(tǒng)勘探方法的不足，人們提出了瞬態(tài)面波法[2]、高密度電法[3]、超聲波[4]等方法。 其中，瞬態(tài)面波法可以進行土基分層、地下洞穴探測等工作，并具有數(shù)據(jù)采集設(shè)備輕巧、便于攜帶等優(yōu)點，在對重型設(shè)備存在較大限制的高邊坡勘察工程中具有獨特的優(yōu)越性[4-6]。 本研究對瞬態(tài)面波法在某高邊坡工程中的應(yīng)用進行分析， 并基于勘察成果對邊坡的穩(wěn)定性進行評價，可為同類的高邊坡勘察防治工程提供參考。

1 工程簡介

1.1 概況

本工程位于南平， 邊坡坡高約為29～66 m，長度約250 m， 邊坡坡面產(chǎn)狀為15°～181°∠18°～50°，上緩下陡。 其上部為自然邊坡，植被茂密，坡度較緩，下部為分級邊坡，坡面巖土直接裸露，坡面未進行防護，且邊坡坡度較陡，形成巖土外傾臨空面，邊坡巖體部分產(chǎn)生崩塌， 局部坡面現(xiàn)少量雨水沖溝。邊坡側(cè)壁地層以強風(fēng)化云母片巖（砂土狀）和強風(fēng)化云母片巖（碎塊狀）為主，屬巖土組合邊坡。

1.2 工程地質(zhì)條件

場地屬剝蝕丘陵地貌單元，東、西、北三側(cè)均為山體，南側(cè)為已建客運中心站、物流中心，邊坡工程位于場地西側(cè)，其坡腳存在擬建的高層建筑，且設(shè)有一層地下室，后續(xù)建筑施工過程中將對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響， 應(yīng)考慮邊坡和建筑的穩(wěn)定性，并將坡腳地下室基坑邊坡高度計入邊坡總高度協(xié)同考慮。 根據(jù)現(xiàn)場踏勘與鉆孔揭示，該區(qū)域巖土層結(jié)構(gòu)較為簡單，從上至下分為：（1）素填土（局部分布）；（2）坡積粉質(zhì)粘土；（3）強風(fēng)化云母片巖（砂土狀）；（4）強風(fēng)化云母片巖（碎塊狀）；（5）中～微風(fēng)化云母片巖。

場地地下水主要為埋藏于風(fēng)化巖層[（3）強風(fēng)化云母片巖（砂土狀）、（4）強風(fēng)化云母片巖（碎塊狀）和（5）中～微風(fēng)化云母片巖]中的孔隙～裂隙型潛水，富水性一般～貧乏，主要接受大氣降水補給，受季節(jié)性降水影響不大，主要向地更低的相鄰風(fēng)化巖層徑流和排泄。場地位于山坡區(qū)域，地勢較高，坡頂水位埋藏較深，僅在坡腳測得穩(wěn)定水位埋深為2.0～2.50 m。

1.3 勘探點布設(shè)

本次勘探點數(shù)量及具體位置依據(jù)相關(guān)規(guī)范、場地地形地貌、支檔結(jié)構(gòu)位置、巖土層情況等因素綜合確定，勘探線主要沿垂直邊坡走向和平行于支檔結(jié)構(gòu)進行布置，共布置勘探點50 個，其中控制性勘探點21 個（鉆探加面波勘探），一般性勘探點29 個（面波勘探）。 勘察工作采用傳統(tǒng)鉆探和多道瞬態(tài)面波法相結(jié)合的綜合勘察方法。 面波勘察共布置11 條測線（編號L1～L11），勘探點的相對位置及多道瞬態(tài)面波線見圖1。

圖1 勘探點位置及多道瞬態(tài)面波線

2 勘察成果分析

2.1 多道瞬態(tài)面波法基本原理

面波—瑞利波在分層層狀介質(zhì)中具有以下特點：（1）在介質(zhì)中的傳播速度發(fā)生變化而發(fā)生的頻散現(xiàn)象；（2）在不同介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)的性質(zhì)密切相關(guān)。 多道瞬態(tài)面波法就是利用面波在介質(zhì)中傳播的這2 個特點，通過在勘察區(qū)地面使用錘擊、落重等方式引起一定頻率范圍的面波后，在多道采集系統(tǒng)的幫助下對時間域中出現(xiàn)的面波成分進行記錄識別。 根據(jù)記錄得到不同波長的面波在垂直方向上的速度變化情況，并據(jù)此繪制面波頻散曲線，對頻散曲線進行定量解釋可以得到分層介質(zhì)的厚度、層速度和分界面深度，同時不同的層速度還可反映介質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)、疏密程度以及在地下的空間分布情況。

2.2 瞬態(tài)面波法數(shù)據(jù)采集及處理

本工程的面波勘察工作過程中使用的面波儀型號為SWS-6，面波勘探線道間距為1 m，12/24 道采集，采用6～9 m 的偏移距，使用4 Hz 垂直地震檢波器， 人工使用18 lb 大錘敲擊地面激發(fā)面波作為震源。 數(shù)據(jù)信號處理采用頻率波數(shù)分析法求得面波頻散曲線。 通過對每個面波測試點的頻散曲線進行分層和層速度計算，確定各層的厚度，計算各層的橫波傳播速度， 并對獲得結(jié)果進行反演擬合處理，即可達到定量解釋的效果。

2.3 瞬態(tài)面波法成果分析

圖2 為測試點的面波頻散曲線及反演解釋圖。由面波法的原理可知，不同波長的面波傳播特性反映地層介質(zhì)在垂直方向上的變化情況。 由圖2 可知，面波速度隨著深度逐漸增大。 深度2 m 以上區(qū)域的頻散曲線出現(xiàn)了“之”字型拐點。 面波波速在150～170 m/s 間波動，表明此處土體較為松散，主要組成物質(zhì)推測為坡積粉質(zhì)粘土， 深度范圍2.0～18.7 m 的頻散曲線變化較為均勻，18.7 m 以下區(qū)域的面波的速率變化幅度逐漸增大，表明18.7 m 處推測為砂土狀云母片巖和碎塊狀云母片巖的分界面，面波波速約250～300 m/s。 對同一剖面上面波勘探點的數(shù)據(jù)進行整合，將垂直向上面波層速相同的點相連，并賦予代表著不同波速的漸變顏色，即可得到面波層速度彩色剖面圖。圖3 為測線L3、L5 的面波視層速度剖面圖。 水平方向看，由左至右，邊坡的風(fēng)化層厚度逐漸降低，坡積粉質(zhì)粘土主要存在于坡頂區(qū)域；垂直方向看，北側(cè)L3 測面的地層分界面呈水平狀， 砂土狀和碎塊狀云母片巖的厚度相近，由淺至深風(fēng)化程度逐步增強； 南側(cè)L5 測面的地層分界面呈傾斜狀，砂土狀云母片巖的厚度厚于碎塊狀云母片巖，且砂土狀云母片巖上部區(qū)域存在多處條帶狀低速宜昌區(qū)域，表明該區(qū)域的表層風(fēng)化程度更高；對坡腳高程相近的勘探點K13 和K14 進行對比，K13 處中～微風(fēng)化云母片巖界面的高程約118.7 m，K14 處中～微風(fēng)化云母片巖界面的高程約112.5 m，存在6.2 m 的高差，表明邊坡的風(fēng)化程度由北向南逐漸加深。

圖2 K10 點面波頻散曲線及反演解釋圖

圖3 面波視層速度剖面及成果解釋圖

2.4 鉆孔驗證

選取K10 點的鉆孔綜合特征描述表（表1）對物探成果進行驗證。 根據(jù)鉆孔揭露，最上部為第四系坡積粉質(zhì)粘土，厚2.5 m，同面波成果差距0.5 m；中部強風(fēng)化云母片巖（砂土狀）同強風(fēng)化云母片巖（碎塊狀）的分界面深18.3 m，同面波成果差距0.4 m；強風(fēng)化同中～微風(fēng)化云母片巖的分界面深32.4 m。對比表明物探結(jié)果的準(zhǔn)確度良好。

表1 K10 鉆孔綜合特征描述

3 邊坡穩(wěn)定性分析及支護建議

3.1 邊坡設(shè)計參數(shù)建議

本工程邊坡坡高約52～66 m，長度約250 m，邊坡坡面產(chǎn)狀為92°∠18°～50°，上緩下陡。 由勘察結(jié)果可知，該邊坡主要為坡積粉質(zhì)粘土和強風(fēng)化云母片巖組成的巖土組合邊坡，根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果結(jié)合野外鉆探、物探等資料和相關(guān)規(guī)范，邊坡巖土體的主要物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

3.2 巖石裂隙與穩(wěn)定性分析

根據(jù)對場地的實地勘察，得到場地內(nèi)風(fēng)化巖主要發(fā)育的4 組節(jié)理裂隙產(chǎn)狀：（1）J1 裂隙面50°～81°∠45°～80°，延伸長度2.0～5.0 m，與邊坡傾向斜交；（2）J2 裂隙面122°～132°∠15°～31°，延伸長度0.4～3.0 m， 與邊坡傾向小角度斜交；（3）J3 裂隙面108°～142°∠48°～62°，延伸長度1.0～3.0 m，與邊坡傾向斜交；（4）J4 裂隙面265°～286°∠58°～81°，延伸長度0.5～1.5 m，與邊坡傾向斜交。 巖石片理產(chǎn)狀：158°～170°∠21°～24°，延伸長度0.5～2.0 m，與邊坡傾向近直交。

邊坡裂隙極點等密和傾向玫瑰花圖見圖4。 巖層節(jié)理、裂隙發(fā)育，裂隙的充填物強度相對較低，節(jié)理裂隙及層面為相對軟弱結(jié)構(gòu)面，因此各裂隙產(chǎn)狀與坡面產(chǎn)狀的關(guān)系影響了邊坡的穩(wěn)定性。 巖層的節(jié)理、 裂隙面與開挖邊坡的接觸關(guān)系選取P5 剖面的赤平投影圖（圖5）。 從赤平投影圖分析，J1～J4 各裂隙面傾向與擬支護的邊坡面傾向大部分斜交，裂隙的延伸長度均較小，一般不易形成貫通的滑裂面，對邊坡總體穩(wěn)定性影響較??；但片理產(chǎn)狀與邊坡傾向相近，易沿片理面滑動，對邊坡總體穩(wěn)定性影響較大。

圖4 節(jié)理極點等密圖和傾向玫瑰花圖

圖5 節(jié)理裂隙、片理與邊坡剖面赤平投影成果圖

3.3 土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)現(xiàn)有的山坡形態(tài)，選取一些代表性強的地質(zhì)剖面進行穩(wěn)定性驗算，邊坡類型主要為土質(zhì)或土巖結(jié)合邊坡（上部土質(zhì)邊坡，下部巖質(zhì)邊坡），邊坡穩(wěn)定性計算采用理正軟件內(nèi)置的圓弧滑動法進行，主要計算參數(shù)見表1。

3.3.1 計算工況

共考慮2 種計算工況，①A 工況：邊坡土體為天然狀態(tài)，其強度按天然狀態(tài)取值；②B 工況：考慮暴雨及長時間降雨， 邊坡土體在降雨作用下快速飽和，水頭升高，土體采用飽和抗剪強度。

3.3.2 穩(wěn)定性計算成果

在天然狀態(tài)下的現(xiàn)有的土巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)一般為2.685～3.968，整體上處于穩(wěn)定狀態(tài)，但在大氣降水、土體飽和等不利條件的作用下，土巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)降至1.412～1.667，穩(wěn)定性系數(shù)下降幅度較高，可能會出現(xiàn)局部破壞。

3.4 巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)裂隙面產(chǎn)狀，裂隙面傾角大部大于邊坡面傾角，部分裂隙面在坡面形成鍥形體，在受到雨水長期沖刷及外力作用（如地震、爆破震動）等條件下，易出現(xiàn)沿層面局部崩塌、滑動掉落等不良地質(zhì)作用。 對L4 剖面的下部巖質(zhì)邊坡進行穩(wěn)定性驗算，根據(jù)節(jié)理裂隙統(tǒng)計結(jié)果采用赤平極射投影法進行分析（圖6）。

同時選取P5 剖面的巖石片理產(chǎn)狀順坡傾向（見圖5 赤平投影結(jié)果），當(dāng)在坡體上附加有其他的作用力，或在暴雨作用下，片理內(nèi)可能臨時充水到一定的高度，沿片理面產(chǎn)生靜水壓力，易形成滑動；采用平面滑動法假設(shè)滑動面為直線型穩(wěn)定性驗算（圖7）。

圖7 巖石片理穩(wěn)定性計算簡圖

最不利破裂面：定位高度為12.063 m，破裂面仰角為24.0°，天然狀態(tài)安全系數(shù)=1.514，飽和狀態(tài)安全系數(shù)=1.110。計算結(jié)果表明：巖質(zhì)邊坡總體上處于較穩(wěn)定狀態(tài)，但局部存在順坡向片理或邊坡傾角小角度相交的不利結(jié)構(gòu)面，局部巖體被切割成較破碎巖體，在外界影響因素（降雨、施工）作用下，易出現(xiàn)沿結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生局部崩塌、掉落或滑動等不良地質(zhì)現(xiàn)象。

據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB50330-2013 《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》對于一級邊坡，一般工況條件下其穩(wěn)定性系數(shù)不應(yīng)小于1.35，不利工況條件下其穩(wěn)定性系數(shù)不應(yīng)小于1.15，否則應(yīng)對邊坡進行治理。

3.5 支護建議

根據(jù)勘察資料和穩(wěn)定性計算結(jié)果提出以下幾點支護建議：（1）該邊坡在天然狀態(tài)下現(xiàn)整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，但在受到大氣降水、土體飽和等不利條件的作用，且邊坡坡腳為設(shè)有地下室的建筑場地，邊坡設(shè)計時應(yīng)考慮坡腳基坑開挖對邊坡的不利影響；（2）本場地巖質(zhì)邊坡存在沿結(jié)構(gòu)面或多組結(jié)構(gòu)面組合線，特別是順坡向片理存在局部崩塌、滑動的風(fēng)險，應(yīng)對巖質(zhì)邊坡進行適當(dāng)加固；（3）采用框架+錨桿進行支護，框架內(nèi)植草，以防止坡面被雨水沖刷，坡腳設(shè)置擋土墻；（4）場地地勢較高，各含水層排泄條件較好，但邊坡易受降雨入滲和降雨形成的地表水影響，應(yīng)設(shè)置截水溝，做好排水系統(tǒng)。

4 結(jié)語

（1）本工程在勘查過程中應(yīng)用了瞬態(tài)面波法同傳統(tǒng)鉆探方法相結(jié)合的綜合勘察方法，能夠使得勘察的信息更加全面、真實，提高勘察成果準(zhǔn)確度和可信度，瞬態(tài)面波法適用于此類高邊坡工程的勘察工作，可彌補傳統(tǒng)單一勘察技術(shù)應(yīng)用的不足；（2）綜合勘察成果表明，本工程高邊坡為巖土混合邊坡，第四系坡積土主要存在于坡頂區(qū)域，邊坡巖體的風(fēng)化程度隨深度逐漸降低，邊坡南部區(qū)域的風(fēng)化程度高于北部；（3）穩(wěn)定性分析表明，邊坡現(xiàn)整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，但在外界不利因素作用、巖石的片理、裂隙以及后續(xù)坡腳建筑物的施工過程中可能會出現(xiàn)小規(guī)模破壞等因素，建議采用框架+錨桿方案進行支護。