高速鐵路高陡碎裂巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

李紅旭 王衍匯 周 海

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300251)

在山區(qū)修筑高速鐵路不可避免地要進(jìn)行深挖高填，形成大量的巖質(zhì)路塹邊坡，受強(qiáng)降雨或工程開挖等因素影響，極易誘發(fā)工程滑坡，對(duì)高速鐵路施工運(yùn)維安全危害極大。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)邊坡穩(wěn)定性開展大量研究，并取得一系列成果。李勝偉等分析并修正CSMR法，對(duì)西南某水電工程邊坡進(jìn)行巖體質(zhì)量分級(jí)[1]；劉偉鵬等運(yùn)用赤平極射投影法評(píng)價(jià)吉爾木隧道出口巖質(zhì)邊坡潛在失穩(wěn)巖體的穩(wěn)定性[2]；劉勇基于極限平衡法，分析降雨入滲對(duì)非飽和土邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律[3]；王迎曉等基于GSI系統(tǒng)運(yùn)用廣義Hoek-Brown準(zhǔn)則，估算鐵路巖質(zhì)邊坡的強(qiáng)度參數(shù)，并應(yīng)用于鐵路、公路邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[4-5]；鄭穎人將有限元強(qiáng)度折減法引入復(fù)雜巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，并通過算例證實(shí)其可行性[6]。以往研究從不同角度進(jìn)行巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，然而對(duì)于高速鐵路高陡巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)還相對(duì)較少。

以下結(jié)合相關(guān)規(guī)范與文獻(xiàn)研究成果，總結(jié)歸納高陡巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)技術(shù)體系，并以某高陡碎裂巖質(zhì)邊坡為研究對(duì)象，綜合確定巖土體物理力學(xué)指標(biāo)，系統(tǒng)地分析評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性，并提出措施與建議。

1 高陡巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法

邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的方法較多，其技術(shù)體系見圖1。主要分為綜合勘察、定性分析、定量檢算、綜合評(píng)價(jià)與建議4部分。

圖1 高陡巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)技術(shù)體系

(1)綜合勘察

主要目的是查明區(qū)域內(nèi)邊坡發(fā)育環(huán)境、邊坡基本特征及影響邊坡穩(wěn)定性的各種因素，為定性分析與定量評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐與依據(jù)。

工程地質(zhì)調(diào)繪包含搜集與調(diào)繪工程區(qū)域地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、節(jié)理裂隙發(fā)育特征、水文地質(zhì)條件、周邊滑坡歷史和現(xiàn)狀等；勘探與測(cè)試指采用物探、鉆探等勘探方法，室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等測(cè)試手段查明邊坡地層與滑動(dòng)面的空間形態(tài)和性質(zhì)、地下水變動(dòng)情況與侵蝕性、巖土層物理力學(xué)指標(biāo)等[7]。

(2)定性分析

在工程區(qū)域綜合勘察的基礎(chǔ)上，分析高陡巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的主要影響因素，采用工程地質(zhì)宏觀判斷(如赤平投影法、工程地質(zhì)類比法等[8-9])、工程巖體分級(jí)(如SMR法、CSMR法等)或其他非確定性方法(如模糊綜合評(píng)判法等[10])，初步分析邊坡穩(wěn)定性狀況，進(jìn)而研究巖質(zhì)邊坡潛在破壞模式(如圓弧形破壞、平面破壞、楔形破壞等)。

(3)定量檢算

邊坡的破壞模式較多，其發(fā)生的條件和運(yùn)動(dòng)機(jī)理也各不相同，因此，對(duì)不同的破壞模式，需采用相應(yīng)的穩(wěn)定性定量計(jì)算方法，如針對(duì)圓弧滑動(dòng)、平面滑動(dòng)等的極限平衡法[11-12]，針對(duì)非特定滑面的有限元強(qiáng)度折減法、矢量和法[13]等；在工程區(qū)域綜合勘察的基礎(chǔ)上，構(gòu)建地質(zhì)概化模型，并結(jié)合相關(guān)規(guī)范手冊(cè)、類似工程經(jīng)驗(yàn)等綜合確定巖土體物理力學(xué)指標(biāo)，進(jìn)而采用定量計(jì)算方法進(jìn)行穩(wěn)定性檢算。

(4)綜合評(píng)價(jià)與建議

在定性分析與定量檢算基礎(chǔ)上，進(jìn)行高陡巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，并結(jié)合工程設(shè)計(jì)與施工，提出措施與建議。

2 工程地質(zhì)概況

某高速鐵路大橋3號(hào)墩臺(tái)位于巖質(zhì)邊坡坡腳，最大挖深約10 m，左側(cè)形成的工程邊坡高達(dá)85 m，表層強(qiáng)風(fēng)化砂巖性狀較差，厚度約10 m，不難看出，高陡巖質(zhì)邊坡的強(qiáng)度參數(shù)確定與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題，對(duì)施工及運(yùn)維安全意義重大。

工程位于剝蝕低山區(qū)，地勢(shì)起伏較大，地面高程216～319 m。山脊線大致與線路方向垂直，地勢(shì)相對(duì)平緩，總體坡度約35°，兩側(cè)地勢(shì)較陡，坡度約40°，坡高約95 m(見圖2)。

圖2 高陡巖質(zhì)邊坡平面

地層主要為震旦系下統(tǒng)休寧組中段砂巖，巖層產(chǎn)狀205°∠ 29°，全-弱風(fēng)化。

砂巖(W4)：全風(fēng)化，灰黃色，原巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造已基本破壞，巖芯呈砂土狀。

砂巖(W3)：強(qiáng)風(fēng)化，土黃色-灰褐色，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，巖芯呈碎塊狀，局部呈短柱狀，敲擊聲啞、易碎，主要由長(zhǎng)石、石英及泥質(zhì)組成。

砂巖(W2)：弱風(fēng)化，灰白色，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，巖芯較破碎-較完整，呈短柱狀及柱狀，局部碎塊狀。

工程區(qū)域?qū)賮啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降水量為1 529 mm。地表水較發(fā)育，多為水塘蓄水；地下水主要為基巖裂隙水，稍發(fā)育，受降水入滲補(bǔ)給，向低洼處排泄。場(chǎng)地地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，基本烈度為Ⅵ度。

3 定性分析

3.1 主要影響因素

(1)地層巖性

研究表明，該區(qū)域強(qiáng)風(fēng)化帶內(nèi)的巖土體抗剪強(qiáng)度較低，是工程滑坡的高發(fā)地段[14]。根據(jù)綜合勘察成果，邊坡弱風(fēng)化巖體完整性較好，地表局部全風(fēng)化呈砂土狀，而強(qiáng)風(fēng)化砂巖厚度較大，呈碎裂結(jié)構(gòu)，巖芯RQD<25%，含泥質(zhì)，巖性較軟弱，吸水易軟化，失水易干裂，是影響邊坡穩(wěn)定的內(nèi)在因素。

(2)節(jié)理裂隙

坡體主要發(fā)育3組節(jié)理裂隙，產(chǎn)狀分別為280°～300°∠75°～85°、115°～135°∠55°～70°、0°～10°∠50°～65°，其中J1、J2為共軛節(jié)理。這些節(jié)理裂隙的存在為坡體滑動(dòng)提供有利條件。

(3) 水的作用

降雨：大量研究表明，破碎巖體內(nèi)摩擦角φ、黏聚力c隨含水量的增大而減小，單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量等隨含水率增加而下降[15-16]。高陡邊坡發(fā)育多組節(jié)理裂隙，巖體破碎，而工程區(qū)域多年平均降水量高達(dá)1 529 mm，雨水入滲邊坡弱化巖土體強(qiáng)度，破壞其既有的應(yīng)力平衡體系，是誘發(fā)工程滑坡的主要因素之一。

地下水：地下水位于工程邊坡強(qiáng)風(fēng)化砂巖(含泥質(zhì))中，降水導(dǎo)致地下水位循環(huán)交替變動(dòng)，不斷軟化、溶蝕、潛蝕孔隙及裂隙周圍的巖土體，并產(chǎn)生動(dòng)水壓力，對(duì)邊坡穩(wěn)定性造成不利影響。

(4) 工程開挖

坡腳開挖破壞了自然邊坡的應(yīng)力平衡，導(dǎo)致應(yīng)力重分布，在坡體中上部易產(chǎn)生張裂破壞，在坡腳處易產(chǎn)生剪切破壞；工程削坡導(dǎo)致坡面與不利結(jié)構(gòu)面組合易產(chǎn)生楔形破壞。因此，工程開挖是誘發(fā)工程滑坡的另一主要因素。

3.2 穩(wěn)定性定性分析

(1) 赤平投影法

根據(jù)地形地貌特征、工程概況，選取DK149+218.21代表性斷面進(jìn)行分析，邊坡傾向310°，坡度35°，邊坡巖層產(chǎn)狀主要為205°∠29°，結(jié)合坡體節(jié)理裂隙發(fā)育情況，赤平極射投影見圖3。

圖3 赤平極射投影

赤平極射投影分析表明：3號(hào)墩左側(cè)高邊坡為反傾邊坡，巖層層面與結(jié)構(gòu)面J3的交點(diǎn)C1與邊坡投影弧在同一側(cè)，與坡面傾向一致，傾角小于天然坡角，具備沿巖層面與結(jié)構(gòu)面J3交割線方向發(fā)生滑動(dòng)的空間條件，且發(fā)育多組陡傾節(jié)理裂隙，可發(fā)生楔體破壞或表層溜滑。

(2)CSMR巖體質(zhì)量分級(jí)

CSMR以RMR、SMR為基礎(chǔ)，結(jié)合研究區(qū)域的實(shí)際地質(zhì)環(huán)境，引入坡高修正系數(shù)ζ及結(jié)構(gòu)面條件系數(shù)λ而提出的巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)方法。計(jì)算方法為

CSMR=ζRMR-λ(F1×F2×F3)+F4

(1)

提取邊坡工程地質(zhì)條件參數(shù)，以RMR為基礎(chǔ)，運(yùn)用CSMR對(duì)邊坡巖體進(jìn)行質(zhì)量分級(jí)：RMR=38，自然狀態(tài)下CSMR=51.5，開挖狀態(tài)下CSMR=36.5。因此，高陡邊坡自然狀態(tài)下巖體級(jí)別為Ⅲ級(jí)，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，開挖狀態(tài)下巖體級(jí)別為Ⅳ級(jí)，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 潛在破壞模式分析

高陡邊坡地層主要為震旦系下統(tǒng)休寧組中段砂巖，巖體較軟，表面風(fēng)化嚴(yán)重，植被茂密。強(qiáng)風(fēng)化砂巖揭示層厚大于10 m，巖體破碎，尤其是表層3～5 m，是影響邊坡穩(wěn)定的主要巖體。

自然邊坡整體基本穩(wěn)定，強(qiáng)降雨時(shí)對(duì)邊坡表層造成沖蝕，局部易發(fā)生小型溜塌。

工程開挖時(shí)，由于坡腳開挖卸荷，導(dǎo)致邊坡應(yīng)力重分布，同時(shí)，巖體內(nèi)部節(jié)理裂隙出露地表，加劇巖體風(fēng)化、強(qiáng)度弱化的進(jìn)程，降雨時(shí)雨水沿節(jié)理裂隙快速下滲，強(qiáng)風(fēng)化砂巖吸水后容重增加，強(qiáng)度參數(shù)顯著減小，地下水在坡體中產(chǎn)生滲流，增大下滑力，減小抗滑力，顯著降低了安全系數(shù)，導(dǎo)致工程邊坡在全強(qiáng)風(fēng)化巖體范圍內(nèi)發(fā)生淺層溜塌、楔形破壞或圓弧狀滑動(dòng)失穩(wěn)。

4 定量檢算

通常采用安全系數(shù)來衡量邊坡在最不利條件下具有的安全保障?；谶吰聺撛谄茐哪Ｊ?，選擇工程實(shí)踐中使用較為廣泛的極限平衡法(Morgenstern-Price法)、有限元強(qiáng)度折減法來檢算邊坡穩(wěn)定性。

4.1 計(jì)算模型與計(jì)算參數(shù)

選擇具有代表性的DK149+218.21斷面進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算域內(nèi)地層劃分為3 層(全風(fēng)化砂巖、強(qiáng)風(fēng)化砂巖、弱風(fēng)化砂巖)，計(jì)算模型見圖4。

圖4 地層計(jì)算模型

巖體抗剪強(qiáng)度是巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)參數(shù)。大量的研究表明，Hoek-Brown準(zhǔn)則對(duì)節(jié)理裂隙發(fā)育的破碎巖體力學(xué)參數(shù)估算具有較強(qiáng)的適用性。因此，以工程地質(zhì)調(diào)繪、勘探與測(cè)試為基礎(chǔ)，運(yùn)用廣義Hoek-Brown準(zhǔn)則估算巖質(zhì)邊坡的力學(xué)參數(shù)。

Hoek-Brown準(zhǔn)則表達(dá)式[17]為

(2)

式中，mi為完整巖石材料常數(shù)；D為巖體擾動(dòng)系數(shù)。

當(dāng)σt<σ3<σ3max時(shí)，Mohr-Coulumb、Hoek-Brown兩強(qiáng)度準(zhǔn)則曲線非常吻合，可推導(dǎo)出等效Mohr-Coulumb強(qiáng)度準(zhǔn)則參數(shù)表達(dá)式，即

(3)

(4)

式中，σ3max為邊坡側(cè)限應(yīng)力上限；σcm為節(jié)理巖體整體強(qiáng)度；γ為巖體重度；Ht為邊坡高度。

現(xiàn)場(chǎng)綜合勘察表明，邊坡強(qiáng)風(fēng)化砂巖呈碎裂狀結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙間距小，風(fēng)化嚴(yán)重，表面較粗糙，地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI為20～25，完整巖塊單軸抗壓強(qiáng)度為28 MPa，Hoek-Brown常數(shù)mi為19，自然邊坡巖體擾動(dòng)系數(shù)D為0，根據(jù)Hoek-Brown準(zhǔn)則估算強(qiáng)風(fēng)化砂巖內(nèi)摩擦角φ為37.1°～39.0°，黏聚力c為0.387～0.443 MPa，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)轉(zhuǎn)換成綜合內(nèi)摩擦角為42.4°～44.7°。

針對(duì)強(qiáng)風(fēng)化砂巖，根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》，邊坡巖體類型為Ⅳ級(jí)，等效內(nèi)摩擦角宜取42°；根據(jù)《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》及相關(guān)規(guī)范，參考鄰近工程經(jīng)驗(yàn)，邊坡路塹建議坡率為1∶1.25，綜合內(nèi)摩擦角宜取45°。

通過對(duì)比，各方法確定的強(qiáng)風(fēng)化砂巖剪切強(qiáng)度參數(shù)基本一致。建議高陡巖質(zhì)邊坡強(qiáng)風(fēng)化砂巖綜合內(nèi)摩擦角為42°～45°。

同理，結(jié)合工程周邊地形地貌調(diào)查統(tǒng)計(jì)情況，綜合考慮室內(nèi)試驗(yàn)、相關(guān)規(guī)范、工程類比等，巖土體物理力學(xué)指標(biāo)建議值見表1。

表1 邊坡巖土體物理力學(xué)指標(biāo)建議值

4.2 穩(wěn)定性檢算

工程邊坡坡高約85 m，若發(fā)生破壞或過大變形，將對(duì)橋梁墩臺(tái)及鐵路安全運(yùn)營(yíng)造成極大影響，經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響嚴(yán)重，安全等級(jí)為一級(jí)，按《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》設(shè)計(jì)安全系數(shù)取1.35；按《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》取1.15～1.25，建議設(shè)計(jì)安全系數(shù)取1.35。

按表1選取不同的巖土物理力學(xué)指標(biāo)值，采用Geo-SLOPE/W進(jìn)行極限平衡(Morgenstern-Price法)計(jì)算，邊坡安全系數(shù)范圍為1.04～1.15；采用Midas GTS進(jìn)行強(qiáng)度折減計(jì)算，邊坡安全系數(shù)范圍為1.06～1.20，說明高陡巖質(zhì)邊坡在天然條件下基本穩(wěn)定，在參數(shù)弱化條件下(暴雨及其他因素長(zhǎng)期作用導(dǎo)致)處于臨界狀態(tài)(均小于設(shè)計(jì)安全系數(shù)1.35)，故認(rèn)為鐵路工程設(shè)計(jì)施工安全儲(chǔ)備不足。參數(shù)弱化條件下邊坡穩(wěn)定性檢算結(jié)果見圖5。

圖5 邊坡安全系數(shù)

研究表明，受結(jié)構(gòu)面影響，巖體抗剪強(qiáng)度低于巖塊抗剪強(qiáng)度，但內(nèi)摩擦角降低不大，黏聚力削弱較多。在工程開挖擾動(dòng)、降雨等外部因素長(zhǎng)期影響下，碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化砂巖黏聚力明顯降低。如圖6～圖7所示，在綜合內(nèi)摩擦角固定的條件下，隨著黏聚力取值的降低，最危險(xiǎn)滑面埋深逐漸變淺，范圍也逐漸減??；而伴隨著強(qiáng)度折減，塑性區(qū)由坡腳逐漸向后上部發(fā)展，在坡腳產(chǎn)生剪切破壞，后緣產(chǎn)生拉張破壞，滑面貫通發(fā)生邊坡失穩(wěn)。

圖6 邊坡最大剪應(yīng)變?cè)茍D

圖7 強(qiáng)度折減過程滑面發(fā)展

邊坡穩(wěn)定性系數(shù)等值線見圖8，由圖8可知，F(xiàn)s≤1.15時(shí)滑面最大埋深約5 m，1.15

圖8 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)等值線

5 結(jié)論

(1)研究區(qū)自然邊坡整體基本穩(wěn)定；邊坡強(qiáng)風(fēng)化砂巖巖層較厚，巖體破碎，是影響邊坡穩(wěn)定的主要巖體，綜合內(nèi)摩擦角為42°～45°；邊坡安全系數(shù)為1.04～1.20，設(shè)計(jì)施工安全儲(chǔ)備不足。

(2)邊坡發(fā)育多組陡傾節(jié)理裂隙，受工程開挖、降雨、地震等因素觸發(fā)，易產(chǎn)生淺層溜塌、楔形破壞或圓弧狀滑動(dòng)，危及鐵路施工運(yùn)維安全；坡腳開挖將大幅降低邊坡的穩(wěn)定性，建議采用抗滑樁或樁板墻加固坡腳，并采用錨桿格梁進(jìn)行坡面加固。

(3)水是導(dǎo)致工程邊坡失穩(wěn)的關(guān)鍵因素，應(yīng)充分重視防排水工作，除設(shè)置天溝截排地表水外，還應(yīng)采取水平排水孔、滲溝等工程措施排除地下水，以利于邊坡的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

(4)高陡巖質(zhì)邊坡工程地質(zhì)條件復(fù)雜多變，應(yīng)充分利用綜合勘察成果，定性分析穩(wěn)定性主要影響因素、穩(wěn)定狀態(tài)及潛在破壞模式，基于破壞模式選取合理的定量計(jì)算方法檢算，合理地確定強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)而綜合評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性，并結(jié)合工程特點(diǎn)提出工程措施與建議。