陡傾泥巖路塹邊坡失穩(wěn)模式研究

摘要：文章根據(jù)研究區(qū)路塹邊坡地質(zhì)情況，對路塹高邊坡的穩(wěn)定性進行了定性及定量分析評價，結(jié)合項目的施工監(jiān)測數(shù)據(jù)，對邊坡施工過程中的位移趨勢進行分析，提出了在坡腳區(qū)增設(shè)鎖腳錨桿、加強坡面防護的措施，并通過運營監(jiān)測驗證了該邊坡支護措施是有效的。

關(guān)鍵詞：陡傾路塹邊坡；結(jié)構(gòu)面；失穩(wěn)模式；赤平投影

中圖分類號：U416.1+4" " " "文獻標識碼：A" " " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.010

文章編號：1673-4874（2024）11-0031-03

引言

我國西部地區(qū)公路建設(shè)過程中常出現(xiàn)大量的深挖路塹邊坡，公路路塹邊坡失穩(wěn)模式也是許多專家學(xué)者研究的重要課題。邊坡穩(wěn)定性的整體分析是邊坡設(shè)計的核心工作，對于不同巖土地質(zhì)情況，邊坡呈現(xiàn)的破壞模式并不一致［1］。定性的邊坡分析模式主要包括現(xiàn)場調(diào)查法、工程類比法等，定量的方法則主要依靠巖土參數(shù)數(shù)據(jù)，對邊坡進行定量的計算分析，以得到相關(guān)的穩(wěn)定安全系數(shù)等參數(shù)具體指導(dǎo)邊坡設(shè)計［2］。公路路塹邊坡的穩(wěn)定性直接關(guān)系到后期運營安全，而建設(shè)期的邊坡支護形式關(guān)系到建設(shè)期的成本控制［3］。因此，在設(shè)計公路路塹邊坡時，應(yīng)根據(jù)實際工程的地質(zhì)條件，因地制宜，采用合理的支護形式，確保公路建設(shè)質(zhì)量與安全的和諧統(tǒng)一。目前雖有許多學(xué)者對邊坡穩(wěn)定性進行了諸多研究，但因巖性、地層類別、地質(zhì)構(gòu)造特征等地質(zhì)條件存在差異［4-5］，對公路陡傾路塹高邊坡進行研究仍很有必要。

本文根據(jù)研究區(qū)路塹邊坡地質(zhì)情況，對路塹高邊坡的穩(wěn)定性進行了定性及定量分析評價，再結(jié)合項目的施工監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過對邊坡施工過程中的位移趨勢進行分析，提出了在坡腳區(qū)增設(shè)鎖腳錨桿，并加強坡面的防護措施，在邊坡建設(shè)完成后的運營監(jiān)測證實邊坡支護措施是有效的。

1工程概況

擬建公路走向約為西北-東南走向，線路在K0+180～K0+320段落穿越一處山體，區(qū)域內(nèi)大部分為原始地形，部分區(qū)域有人工開挖及回填跡象。公路建設(shè)后，公路左側(cè)地形切坡后將形成傾向為230°，高度約為25 m的泥巖質(zhì)路塹邊坡。據(jù)上，本段公路路塹邊坡典型剖面圖見圖1。

根據(jù)地質(zhì)成果資料，項目區(qū)邊坡為剝蝕丘陵地貌，原始地形坡度為30°～45°，鉆孔揭露區(qū)域內(nèi)第四系覆蓋層較薄，厚度≤4 m，主要由粉質(zhì)黏土組成，局部地區(qū)分布有人工填土，下伏基巖主要為泥巖，巖層產(chǎn)狀為226°∠65°，強風化段巖體稍破碎，中風化段巖體質(zhì)量較好。邊坡范圍分布有兩組構(gòu)造裂隙，據(jù)現(xiàn)場出露巖層觀測，裂隙產(chǎn)狀分別為130°∠32°及310°∠45°。場地內(nèi)未見滑坡等不良地質(zhì)作用，現(xiàn)狀地形無拉裂跡象，現(xiàn)狀地形穩(wěn)定。

2路塹邊坡整體穩(wěn)定性分析

陡傾泥巖順向邊坡的破壞模式按照內(nèi)部結(jié)構(gòu)面分布特征不同，可分成平面滑動破壞、圓弧滑動破壞、楔形體破壞和壓潰破壞。在邊坡范圍泥巖強度較低情況下，陡傾泥巖邊坡在開挖后若不及時防護，坡腳泥巖區(qū)風化后邊坡易發(fā)生坡腳區(qū)域壓潰破壞。邊坡穩(wěn)定性分析目前已有較多理論，針對公路巖質(zhì)路塹邊坡整體穩(wěn)定性分析較為常用的理論為赤平投影分析［6］。赤平投影通過二維平面的圖形來表達邊坡內(nèi)坡面、結(jié)構(gòu)面的空間關(guān)系，通過相對關(guān)系來定性判別巖質(zhì)邊坡的整體穩(wěn)定性。該段公路路塹邊坡的赤平投影分析如圖2所示。

通過對圖2的分析可知，邊坡坡向與兩組裂隙的傾向呈現(xiàn)大角度相交，邊坡坡向與巖層傾向為小角度相交，邊坡屬順向坡。邊坡坡率采用1∶1進行放坡后，邊坡角度緩于巖層傾角，定性分析邊坡不會沿層面進行滑動。但考慮到該項目邊坡開挖卸載高度較大，開挖后邊坡巖體卸載后極易導(dǎo)致巖體內(nèi)部原本閉合的裂隙張開，邊坡應(yīng)力重分布后，坡腳區(qū)域應(yīng)力較大，在降雨、風化疊加條件下導(dǎo)致邊坡產(chǎn)生表層滑移?，F(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)本路段周邊主要為原始地形，無建構(gòu)筑物，邊坡設(shè)計采用坡率法放坡加邊坡坡面防護，在巖層段采用1∶1坡率進行放坡，土層段采用1∶1.5進行放坡，相鄰級邊坡之間設(shè)寬度為2 m的分級平臺。根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗，考慮到邊坡范圍的泥巖屬易風化巖體，邊坡坡面防護措施采用錨桿植被混凝土進行坡面防護，錨桿按照2 m間距正方形布置，錨桿長度為5 m，坡面設(shè)置泄水孔。

邊坡穩(wěn)定性通常由巖體強度及結(jié)構(gòu)面兩個方面綜合控制。根據(jù)前述分析，邊坡按照45°放坡后不易產(chǎn)生沿層面滑動。為探明邊坡巖體強度控制的穩(wěn)定性，擬按照本項目地質(zhì)成果提供的項目區(qū)巖土層參數(shù)對巖體強度控制的邊坡穩(wěn)定性進行計算。相關(guān)巖土參數(shù)如表1所示。

巖體強度控制的邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)是抗滑力矩與滑動力矩的比值，通過多次迭代計算不同半徑圓弧所得的穩(wěn)定系數(shù)，取最小值作為邊坡的安全穩(wěn)定系數(shù)。計算方式采用Bishop條分法對邊坡進行條分，考慮土條側(cè)面力，通過傳遞系數(shù)法依次計算得到邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，條分法邊坡穩(wěn)定系數(shù)計算分析如圖3所示。穩(wěn)定系數(shù)Ks一般是邊坡抗滑力矩Mp（kN·m）與下滑力矩Ma（kN·m）的比值。

Ks=MpMa（1）

根據(jù)項目地質(zhì)資料計算的邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs為1.56，＞1.35，按照穩(wěn)定系數(shù)對邊坡穩(wěn)定狀態(tài)進行分類，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，指標滿足《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330-2013）的要求。

3路塹邊坡監(jiān)測

3.1監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

公路陡傾路塹邊坡的監(jiān)測是作為巖土信息法設(shè)計的延續(xù)，可有效彌補勘察資料的不足，邊坡設(shè)計應(yīng)嚴格貫徹逆作法、動態(tài)信息法設(shè)計。路塹邊坡的監(jiān)測從邊坡起始卸載開始布點，在邊坡卸載過程中隨著邊坡的下挖，在邊坡分級平臺上新增監(jiān)測點。監(jiān)測頻率按照15 d/次，共設(shè)置有4組監(jiān)測點，分別位于邊坡坡頂、邊坡頂部一級平臺、邊坡底部一級平臺，路面層。在施工開挖至設(shè)計路面標高時，共有7期監(jiān)測成果，如表2所示。

邊坡在第4次監(jiān)測周期時，已按照逆作法施工開挖至路面標高，由于突發(fā)雨季，邊坡坡腳一級邊坡在開挖后未及時支護。15 d后，坡腳一級平臺處的水平變形及豎向變形速度加速，坡腳一級平臺未及時支護的邊坡出現(xiàn)一定的鼓脹變形，現(xiàn)場監(jiān)測點水平位移最大值為20.6 mm，豎向位移最大值為17.7 mm均位于坡腳一級平臺位置。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，表層裸露的中風化泥巖出現(xiàn)一定程度的風化，坡面巖層經(jīng)風化后整體較為破碎，局部地區(qū)被水浸泡區(qū)域出現(xiàn)泥化特征，坡腳一級平臺下方的坡面出現(xiàn)一定的鼓脹變形。

結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)及現(xiàn)場情況，分析坡腳一級邊坡出現(xiàn)鼓脹變形的原因主要為邊坡形成后未及時進行坡面防護，泥巖在降水及施工期間擾動等多因素作用下，裸露的泥巖軟化，強度降低，導(dǎo)致在邊坡表層出現(xiàn)局部鼓脹的趨勢。為減小邊坡的變形趨勢，需結(jié)合邊坡出現(xiàn)剪脹后的物理力學(xué)參數(shù)對坡腳一級邊坡采取加強防護措施。

3.2坡腳一級邊坡防護措施

為加強邊坡沿坡腳區(qū)的穩(wěn)定性，考慮對坡腳一級邊坡的巖土強度參數(shù)進行部分折減，當邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)達到基本穩(wěn)定狀態(tài)時，取此狀態(tài)下對應(yīng)的巖層物理力學(xué)參數(shù)進行坡腳一級的支護措施設(shè)計。經(jīng)對此段邊坡進行反算后表明，巖體飽和狀態(tài)下的粘聚力為50 kPa、內(nèi)摩擦角為25°時，邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.08，邊坡達到基本穩(wěn)定狀態(tài)，與現(xiàn)場情況基本吻合，判定標準按照《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330-2013）執(zhí)行。

因目前邊坡坡形基本形成，受開挖面及征地邊界限制，采用體積較大的支護措施時實施空間受限，在支護措施的選擇上，盡量選擇占地面積較小且便于實施的工程措施。錨桿作為一種用于加固巖質(zhì)邊坡的支護結(jié)構(gòu)，其原理主要是通過采用錨桿的拉力平衡邊坡內(nèi)部的下滑力。錨桿受力計算分析如圖4所示。采用錨桿加固后的邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs的計算公式為：

Fs=cl+［ptsin（θ+β）+Wcosθ］tanφ+ptcos（θ+β）Wsinθ（2）

式中：W——巖體重度（kN）；

c——巖體粘聚力；

φ——巖體內(nèi)摩擦角（°）；

Fs——安全系數(shù)；

——滑面長度（m）；

θ——巖層層面傾角（°）；

β——錨桿與水平方向夾角（°）；

pt——錨桿設(shè)計拉力（kN）。

經(jīng)對邊坡坡腳一級邊坡按照折減后的參數(shù)進行計算分析，坡腳一級擬采用肋柱式錨桿擋墻進行補強。肋柱縱向間距為2 m，錨桿豎向間距為2.5 m，傾角為20°，錨桿穿過破裂角后錨固長度≥6 m。在坡面上同時增設(shè)深層泄水孔，加強路塹邊坡的排水，盡可能排走對路塹邊坡有影響的地下水。為提高耐久性，深層泄水管采用加厚PVC管進行制作，坡腳處增設(shè)排水暗溝，有組織排走坡面雨水。邊坡處治完成后，同時對邊坡頂部截水溝有裂縫或展開的區(qū)域進行封閉，對截水溝與邊坡坡口間地表采用混凝土進行封水。綜上，邊坡坡腳一級邊坡的加強防護措施布置如圖5所示。

采用肋柱式錨桿對坡腳一級邊坡進行防護后，經(jīng)計算，延米路塹邊坡增設(shè)錨桿后抗滑力為1 260.3 kN/m，下滑力為863.2 kN/m，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.46，＞1.35，可滿足一級邊坡的穩(wěn)定性要求，邊坡在理論計算模式下整體安全，可為公路后期運營提供保障。

3.3處治后邊坡監(jiān)測效果

為加強對處治后陡傾泥巖路塹邊坡變形的控制，在坡腳一級邊坡支護措施實施完成后對邊坡進行連續(xù)性監(jiān)測。在邊坡實施完成至3個月后，得到了邊坡變形連續(xù)監(jiān)測結(jié)果，如圖6所示，圖中橫軸為監(jiān)測期數(shù)，豎軸為變形值（mm）。

從圖6可看出，在坡腳一級邊坡的防護措施實施完成后，邊坡水平位移及豎向位移變形增量累計值＜10 mm，變形速率＜0.5 mm/d。坡腳一級邊坡未及時支護時，坡腳一級邊坡巖層軟化，導(dǎo)致邊坡出現(xiàn)變形加速階段；在對坡腳一級邊坡的支護措施進行加強后，邊坡整體變形趨勢變緩，最后趨于平穩(wěn)，證實了項目的防護措施處治效果達到預(yù)期，可滿足公路運營期間的各項指標要求。

4結(jié)語

本文通過對陡傾泥巖路塹邊坡失穩(wěn)模式進行分析，得到如下結(jié)論：

（1）因為地質(zhì)條件的復(fù)雜性，巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性是由多方面因素控制的，在不同的結(jié)構(gòu)面分布、巖石強度情況下，邊坡破壞模式差異較大。邊坡的穩(wěn)定性計算均以前期資料為基礎(chǔ)，可能存在一定的局限性，在項目實際實施過程中，應(yīng)加強對邊坡地質(zhì)條件的調(diào)查，特別是邊坡的結(jié)構(gòu)面分布，因地制宜制定邊坡的防護措施。

（2）泥巖屬易風化的軟巖，陡傾泥巖質(zhì)路塹邊坡坡腳是應(yīng)力集中部位，也是邊坡最薄弱的區(qū)域，若邊坡開挖后不及時進行防護，泥巖快速風化后易造成邊坡整體失穩(wěn)。在較高的軟巖質(zhì)陡傾路塹邊坡施工過程中應(yīng)嚴格按照逆作法分段施工，開挖一級支護一級，確保陡傾泥巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性。

（3）據(jù)邊坡坡腳一級邊坡發(fā)生病害后的原因分析，對邊坡采取以肋柱式錨桿擋墻為主的加強治理措施。加強措施實施后邊坡安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，變形監(jiān)測成果也顯示邊坡整體趨于穩(wěn)定，變形得到控制，其處理過程可供類似項目參考。

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作者簡介：羅楨琦（1983—），工程師，主要研究方向：道橋施工與管理。

收稿日期：2024-05-18