巖土質(zhì)混合高邊坡穩(wěn)定性及坡率法處理研究

陳遙

（中鐵上海設(shè)計院集團(tuán)有限公司廣州分院，廣東 廣州 510000）

0 引言

邊坡按照組成成分可分為土質(zhì)邊坡、巖質(zhì)邊坡、土石邊坡。三者的組成成分不同，因此邊坡發(fā)生穩(wěn)定性破壞時的模式和機(jī)理也不相同。巖土質(zhì)混合邊坡較為特殊，上層為土石混合材料，下層為巖石，它具有獨特的力學(xué)性質(zhì)和變形特點。在實際工程中，滑移面的發(fā)生具有隨機(jī)性，在暴雨或在其他外力的作用下會引發(fā)滑移，設(shè)計中常選用正常工況及暴雨工況滑動面安全系數(shù)對比邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)，以增加邊坡實際工程的安全性和穩(wěn)定性能。目前，我國針對巖土質(zhì)混合邊坡的研究較少，因此該課題具有一定的研究意義。

1 邊坡安全性因素分析

1.1 地層巖性

高速公路地質(zhì)復(fù)雜，邊坡巖性組成較多，巖土間構(gòu)成并不都是上部土體，下部巖層。只有合理分析二者關(guān)系，才能對邊坡穩(wěn)定性做出正確評價。不同巖土質(zhì)混合邊坡穩(wěn)定程度相差較大。

1.1.1 巖、土交替出現(xiàn)

當(dāng)全分化土體下伏于巖體時，會形成軟弱層，在自身土壓力作用下，邊坡開挖時形成臨空面，土體發(fā)生塑性流動導(dǎo)致上伏巖體解體。

1.1.2 巖、土等厚互層邊坡

（1）緩傾順層邊坡

邊坡開挖后導(dǎo)致大面積土層暴露，土體極容易失水風(fēng)化形成風(fēng)化層，因此力學(xué)性能降低，間接導(dǎo)致邊坡的穩(wěn)定性不足。對坡體進(jìn)行開挖后未進(jìn)行及時治理防護(hù)，邊坡會在重力作用下向臨空面蠕動。在地下水和空氣作用下，導(dǎo)致土體的抗剪能力降低，巖體變形加速，最終邊坡發(fā)生滑移。

（2）陡傾順層邊坡

當(dāng)邊坡巖石和土層水平交錯出現(xiàn)且?guī)r層傾角較大時，邊坡開挖后，巖土體在重力作用下表層產(chǎn)生錯動。當(dāng)巖層較薄時，邊坡中下部巖土體抗剪能力較小，易發(fā)生圓弧滑動破壞。

1.2 邊坡形狀

隨著邊坡開挖深度加深，坡體自重越大，發(fā)生失穩(wěn)時邊坡下滑力增加。坡高對穩(wěn)定性影響可通過應(yīng)力表達(dá)，即坡高越大，坡體自重應(yīng)力越大，坡腳發(fā)生應(yīng)力集中程度越高。

當(dāng)形成臨空面時，土石混合邊坡很容易被切割破壞，發(fā)生失穩(wěn)破壞，因此開挖邊坡時應(yīng)合理選擇坡腳。

土質(zhì)邊坡設(shè)計中穩(wěn)定狀態(tài)坡高較小，坡率較大，石質(zhì)邊坡坡率破壞形式呈折線變化，坡體較為穩(wěn)定。土石混合邊坡則由于土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性，但不如石質(zhì)邊坡穩(wěn)定性好，介于兩者之間，邊坡剖面形態(tài)影響穩(wěn)定性程度較大，應(yīng)根據(jù)不同地質(zhì)情況和邊坡形態(tài)進(jìn)行坡率設(shè)計[1]。

2 案例分析

2.1 工程概況

該文所依托工程為某大型山地建設(shè)場區(qū)，地塊開發(fā)過程中需要對原地面進(jìn)行整平處理，保證場區(qū)高差滿足建設(shè)安全性要求。根據(jù)建設(shè)需求，路基段穿越山體有2km 挖方高邊坡，坡頂與坡腳間最大高差為120m。為防止邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞，或發(fā)生落石現(xiàn)象，現(xiàn)對坡體進(jìn)行穩(wěn)定性分析，同時加強(qiáng)防護(hù)設(shè)計。

所建設(shè)場區(qū)地形為山嶺重丘區(qū)，場區(qū)右側(cè)需要進(jìn)行開挖平整，坡面傾斜20～35°，局部地形坡度大于45°，開挖后坡高為56m，邊坡開挖后邊坡共分為7 級，每級邊坡為8m，邊坡總體變化趨勢呈現(xiàn)西北高南低。

該項目所在地屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，主要溫度特點為：1 月最低氣溫為8.0℃，8 月最高氣溫為32.9℃。該地區(qū)年溫差較大，雨季主要集中在4～9 月，6 月最大降雨量為306.8mm，多年平均降雨量為1717.1mm，50 年內(nèi)有記錄的該地區(qū)年最大降雨量為2563.6mm，年最小降雨量為935.9mm（1963 年）。

建設(shè)區(qū)地處紫金斷裂帶和佛岡—豐良東西向構(gòu)造帶，區(qū)域內(nèi)巖體呈現(xiàn)不同程度的破碎，基巖存在不同程度的風(fēng)化。場所整體地形坡度在20～35°，局部地形坡度大于45°。場地抗震設(shè)防烈度為6 度，設(shè)計基本地震加速度值為0.05g，設(shè)計地震分組第一組，設(shè)計特征周期值為0.35s。

2.2 數(shù)值模擬分析

該項目共存在13 處高邊坡，選取其中一段邊坡作為研究對象，通過對該段巖層分布規(guī)律及地質(zhì)情況進(jìn)行分析，擬定邊坡坡度、組成及防護(hù)形式，對處理后邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行評價。該段高邊坡處于場區(qū)西北邊側(cè)，北側(cè)臨近現(xiàn)狀公路邊坡，最大高差深度約56m。

2.3 地層巖土力學(xué)參數(shù)確定

根據(jù)場區(qū)地質(zhì)鉆孔勘察結(jié)果資料，地基層結(jié)構(gòu)組成和對應(yīng)的巖土力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)表

3 坡率法分析邊坡穩(wěn)定性

3.1 坡率法初定邊坡

參照《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330—2013）和《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTG D30—2015）對一級公路路塹邊坡安全等級的要求，同時結(jié)合工程經(jīng)驗和場區(qū)條件，對目標(biāo)高邊坡坡率進(jìn)行設(shè)定，目標(biāo)高邊坡坡率設(shè)定方案如表2 所示。

表2 坡率初定表

3.2 建立模型

結(jié)合該項目特點以及土質(zhì)特征進(jìn)行模型建立，平面示意圖如圖1 和邊坡模型圖如圖2 所示。

圖1 剖面位置平面示意圖

圖2 邊坡模型圖（選自剖面4-4′）

該項目通過工程地質(zhì)剖面圖建立計算模型，剖面位置如圖1 所示。模型以第一級坡腳點為坐標(biāo)原點，規(guī)定X 軸正方向為邊坡傾向，Y 軸正方向為坡底指向坡頂。

工況設(shè)定：礦區(qū)內(nèi)常年無豐富地下水，地震烈度為VI 度，斷裂構(gòu)造和地震對邊坡穩(wěn)定性影響程度較小。因此，在對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析時只考慮重力作用[2]。

3.3 邊坡穩(wěn)定性計算

采用剛性極限平衡法對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計算，根據(jù)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)來判定邊坡穩(wěn)定性。邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的計算方法如下[3]。

3.3.1 圓弧形滑動面邊坡穩(wěn)定性系數(shù)

式（1）中：FS表示坡面穩(wěn)定性系數(shù)；ci表示第i 計算土條塊滑面黏聚力，（kPa）；φ表 示內(nèi)摩擦角，（°）；li表示弧面長度，（m）；θi表示滑面傾角，（°）；Ui表示單位寬度總水壓力，（kN/m）；Gi表示單位寬度自重，（kN/m）；Gbi表示單位寬度豎向荷載，（kN/m）；Qi表示單位寬度水平荷載，（kN/m）。

3.3.2 折線形滑動面邊坡穩(wěn)定性系數(shù)

式（2）～式（5）中：Pn表示第n 條塊單位寬度剩余下滑力，（kN/m）；Pi表 示 第i 條 塊 與 第i+1 條 塊 單 位 寬 度剩余下滑力，（kN/m）；Ti表示下滑力，（kN/m）；Ri表示抗滑力，（kN/m）；ψi-1表示第i- 1 條塊對第i條塊的傳遞系數(shù)。Fi表示下滑力，（kN/m）。

場地內(nèi)抗震設(shè)防烈度為6 度，因此不進(jìn)行地震工況下的邊坡穩(wěn)定性校核。只對正常工況及暴雨工況進(jìn)行計算校核，判斷邊坡穩(wěn)定性。

通過上式（5）對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計算，大部分?jǐn)嗝孢吰路€(wěn)定安全系數(shù)不小于1.35，根據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTG D30—2015）可知，該邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。斷面1-1′、6-6′、7-7′（見圖1）邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)小于1.35，表明該部分邊坡未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在外荷載或自然條件作用下，可能發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象[4]，應(yīng)對該部分邊坡做進(jìn)一步處理。

3.4 坡面加固方案

針對上文中未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的邊坡通過坡率法進(jìn)行坡率調(diào)整，同時增加防護(hù)和支擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。通過對該項目特點進(jìn)行分析，采用加固方案如下：

錨桿格梁加固：格梁截面采用0.3×0.3m 尺寸；鉆孔直徑φ110mm；錨桿采用M30 水泥砂漿灌注；主筋采用HRB335φ28mm，長12m；錨桿抗拔力要不小于120kN。

錨索框架加固：框梁截面采用0.4×0.4m 尺寸；預(yù)應(yīng)力錨索鉆孔直徑φ150mm；采用M30 水泥砂漿二次注漿；主筋采用4 束φs15.2mm 強(qiáng)度為fpk=1860MPa的高強(qiáng)、低松弛的預(yù)應(yīng)力鋼絞線編織；錨桿抗拔力要不小于450kN；鎖定力為250kN。

3.5 坡面防護(hù)方案

項目場區(qū)抗震烈度為6 度，需要采取抗震構(gòu)造措施。

第一，微風(fēng)化、中風(fēng)化花崗巖，1∶0.5～1∶0.75 邊坡，景觀處要求該區(qū)域采用客土噴播植草方案，無景觀處要求區(qū)域采用噴射水泥砂漿防護(hù)。

第二，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，1∶1 邊坡，采用人字形骨架+客土噴播植草防護(hù)。

第三，全風(fēng)化花崗巖，1∶1.25 邊坡，坡面加固區(qū)域錨桿格梁及錨索框架植草防護(hù)，無坡面加固區(qū)采用人字形骨架+三維網(wǎng)植草防護(hù)。

第四，土質(zhì)邊坡，1∶1.5 邊坡，高度小于4m 邊坡采用噴播植草防護(hù)，高度為4～8m 邊坡采用三維網(wǎng)植草防護(hù)。

4 邊坡穩(wěn)定性評價

對邊坡加固處理后的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計算，結(jié)果如表3 所示。

表3 邊坡穩(wěn)定性分析計算結(jié)果一覽表

通過表3 安全系數(shù)計算結(jié)果可見，各斷面處理后邊坡安全系數(shù)均達(dá)到一級邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)要求1.35 以上，邊坡達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)語

通過對巖土質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析得到以下結(jié)論：巖土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性主要影響因素為地層巖性和邊坡形狀，設(shè)計時應(yīng)針對現(xiàn)場條件進(jìn)行合理分析和確定。通過實際工程對巖土質(zhì)高邊坡進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)化，主要方法為坡率法。首先結(jié)合工程經(jīng)驗和場區(qū)情況初擬定邊坡坡率方案，然后采用剛性極限平衡法對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計算分析，最后對未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)邊坡采取加固處理，并結(jié)合加固方案優(yōu)化坡面防護(hù)方案。