福建高速公路邊坡巖土體質量評價方法

張菊連，沈明榮，2

(1.同濟大學 土木學院，200092 上海，happy－zhangjulian@yahoo.com.cn;2.同濟大學巖土及地下工程教育部重點實驗室，200092 上海)

福建高速公路邊坡巖土體質量評價方法

張菊連1，沈明榮1，2

(1.同濟大學 土木學院，200092 上海，happy－zhangjulian@yahoo.com.cn;2.同濟大學巖土及地下工程教育部重點實驗室，200092 上海)

福建省高速公路邊坡上部為土下部為巖，整體穩定狀態良好，為對在開挖后及支護前后出現局部滑塌現象的巖土邊坡進行快速、準確的穩定性評價，基于極限平衡法，提出一種適合于巖土邊坡巖土體質量評價的方法，首次綜合巖和土的質量評價方法對邊坡穩定性進行分析，擴充了邊坡巖體分級的范疇.用該法評價福建省7條高速公路的102個邊坡，結果與實際情況非常吻合，證明了該方法的合理性和準確性.巖土體邊坡的質量評價方法豐富了邊坡穩定性評價理論體系，為巖土邊坡的穩定性評價提供了一種新的途徑.

巖土邊坡;滑塌;巖土體質量評價;邊坡穩定分析

邊坡巖體分級是一種邊坡巖體穩定性的評價方法，能在勘察初期結合少量的室內及現場試驗對邊坡穩定情況進行宏觀把握，為工程師設計加固方案提供參考.目前在邊坡工程方面主要存在如下巖體分級方法:(1)通用巖體分級方法，如巖體分級［1］系統、國家巖體分級標準BQ等;(2)基于地下工程分級系統修正用于邊坡的巖體分級方法，如邊坡巖體分級 SMR［2－3］系統、西南山區高等級公路邊坡巖體分級［4］法、天山公路邊坡巖體分級［5］法及采礦巖體分級［6］法等;(3)源于邊坡的分級系統，如國內的一些定性分級(建筑邊坡工程規范巖質邊坡巖體分類［7］和水利水電工程邊坡設計規范邊坡巖體分類等)及國外的邊坡穩定性概率分級 SSPC［8－9］法、自然邊坡分級［10］法及公路開挖邊坡巖體分級方法［11－12］等.邊坡巖體分級方法是一種快速、經濟、實用的邊坡穩定評價方法，對于邊坡數量多、且對邊坡不夠重視的公路工程的邊坡穩定性評價是合適的.然而該法是以巖體為評價對象，并不適合巖土邊坡.在巖質邊坡中，當結構面較為發育且組合不利，或巖體風化較為強烈時，開挖后，坡率或加固措施設計不當將會出現巖體崩塌或滑塌的現象;同樣的，巖土邊坡在降水或坡率設計不當等情況下也會出現土層的局部崩塌或滑塌.基于此，將邊坡土體看成是極度風化的巖體進行質量評價，與巖體分級一起并稱為巖土體質量分級方法.

本文針對福建省高速公路邊坡的特點，基于極限平衡法，提出了一種適合于福建省巖土邊坡的質量評價(分級)方法.首次綜合巖和土的質量評價方法，將邊坡巖體分級擴展到巖土邊坡中.用福建省7條高速公路的102個邊坡對該法進行了驗證，計算結果與實際情況非常吻合，說明了該法的合理性及準確性.巖土體質量分級方法獲得的巖土體質量能反映邊坡的局部穩定情況，并對邊坡整體穩定性有所體現，計算過程簡單、快捷.因此，巖土體質量分級方法可在公路邊坡中得到推廣運用.

1 巖土體質量與邊坡穩定的關系

針對福建省高速公路邊坡，調查了7條高速公路的13個標段的102個邊坡的152個剖面巖土層的出露情況，結果顯示:調查邊坡主要巖土層為砂土狀強風化巖、碎塊狀強風化巖、坡積亞黏土、弱風化巖、全風化巖、殘積砂質黏性土、坡積粉質黏土、殘積黏性土，因此，邊坡的穩定性主要取決于該8種巖土體的物理、力學性質及組合相關特征.為了建立合適的巖土體質量分級方法，需對這些巖土層賦予合理分值.由于分值最終要服務于邊坡穩定性評價，通過分析不同巖土層對邊坡穩定性貢獻的相對大小來確定分值是合理的.

1.1 土類質量與邊坡穩定性的關系

坡積黏性土、坡積粉質黏土、殘積砂質黏性土、全風化巖和砂土狀強風化巖的破壞機理與土質邊坡相同:沿著某個最先達到極限平衡的圓弧面發生破壞或沿著兩個土層的分界面發生破壞.由于福建省地處豐雨地帶，大部分邊坡開挖后在雨水的長期淋濾作用下，在坡面附近容易產生一個近于豎直的拉裂面(圖1)，后在土體自質量的作用下沿下部巖土層界面發生滑塌.安全系數根據極限平衡原理可由式(1)得到.

式中:Gj、γj、cj、φj分別為第 j巖土層滑動體的重力、重度和滑動體下部接觸面的抗剪強度;hj、lj為第j巖土層的厚度和破壞面底部的長度;βj為第j巖土層的傾角.通過變換，可得

圖1 巖土層沿接觸面破壞示意圖

tan φj和是按照某種組合線性關系來決定邊坡穩定性，然而兩者系數不同將得到不同的安全系數.本研究不打算再利用極限平衡法來推求系數的大小，因為這樣做一是工作量非常大，二是并未達到本文用巖土質量分級來評價邊坡穩定性的原意.具體做法是采用統計學原理來推求系數的大致范圍，用均值作為tan φj和兩者的系數.假設第j層土的經驗分值為rEj(式(3))，系數mj、nj可由第j巖土層的傾角和厚度按式(4)和(5)得到.

根據測量的152個邊坡剖面的各土層厚度、傾角，取均值代入式(4)、(5)便得到各土層的經驗分值公式(式(6)～(10)).

坡積亞黏土:

坡積粉質黏土:

殘積黏性土:

殘積砂質黏性土:

全風化巖:

將巖土層的抗剪強度參數及重度代入上述式子即可得各種土層的經驗分值.統計了7條公路的物理、力學參數，得到各土層的重度和抗剪強度的均值，代入式(6)～(10)便可得最終經驗分值rE(表1).

表1 4種巖土體的重度和抗剪強度統計值

從表1可以看出，各土層的濕重度和抗剪強度相差不大，且兩土層之間的物理、力學特性都是漸變的，因此，使用土層內部的濕重度和抗剪強度替代兩土層分界面的濕重度和抗剪強度，并按照式(6)～(9)計算經驗分值不會引起較大誤差.從經驗分值rE可以看出，4種土層對邊坡穩定性的貢獻相對大小為坡積亞黏土＞坡積粉質黏土＞殘積黏性土＞殘積砂質黏性土.為便于現場記憶和計算，4種土的分值見表2.

表2 土體在邊坡穩定性中的貢獻分值

全風化巖性質類似于土，因此，參照土的原則來計算經驗分值.表3給出了多種全風化巖的經驗分值.可以看出:絕大多數全風化巖的經驗分值都介于3.5～4.5，其對邊坡穩定性的貢獻介于殘積砂質黏性土和殘積黏性土之間.

1.2 各種風化巖質量與邊坡穩定性的關系

一般來說，新鮮巖塊的單軸抗壓強度越高及巖體節理裂隙越不發育，巖體質量及對應分值應越高，因此，可從巖石強度及完整性兩方面來分析巖體質量得分.

在巖石強度方面，參考著名的巖體分級RMR法，按微風化巖(指不帶裂隙的微風化巖塊;因為沒有新鮮巖塊資料，采用微風化巖塊強度)的飽和單軸抗壓強度進行分級，并采用其評分比率，同時考慮將全風化巖評分控制在3.5～4.5反算各級別賦分(表4).

表3 多種巖體全風化巖的經驗分值

表4 巖體按飽和單軸抗壓強度分級

工程實踐中，除微、弱風化狀態的其他風化狀態巖石的飽和單軸抗壓強度都無法由試驗得到，因此，考慮采用同一場地的微、弱風化巖進行合理折減(風化折減系數ξ1)得到評分.該折減系數須通過同一個力學指標來計算，地基承載力較好因為:(1)在一定程度上反映了巖體強度;(2)在現場容易獲取且數據較為豐富.根據統計的13種巖體5種風化狀態下的天然地基允許承載力(圖2)，發現每種巖體的強度都是隨風化程度的增加而遞減，且該遞減率基本相同.遞減率在不同巖性的巖體之間稍有差異，可以采用兩種風化程度巖體地基承載力面積之比來減小這種差異.具體為:假設每種巖性之間的距離為1，兩種巖性承載力坐標點之間用折線連接，分別計算微、弱、碎塊狀強風化、砂土狀強風化、全風化巖的天然承載力面積，以微風化巖為基準計算折減系數.簡單給出了全風化巖的承載力面積計算過程

表5給出了13種全風化巖的天然地基承載力測試值.

用全風化巖的承載力面積除以微風化巖的承載力面積(41 956 kPa)，即可得全風化巖的風化折減系數

其他風化狀態下折減系數見表6.

圖2 5種風化情況下的巖體天然地基允許承載力

表5 全風化巖天然地基承載力取值 kPa

表6 巖體風化程度折減系數

微風化巖、弱風化巖、碎塊狀強風化巖巖體強度除由巖石強度和風化程度決定外，還受節理裂隙發育(完整性)的影響.砂土狀風化巖和全風化巖的破壞機理類似土體，因此，不考慮裂隙發育的折減.根據收集統計的巖體節理裂隙發育情況并結合實際情況給出合理的裂隙折減系數ξ2(表7).

由微、弱風化巖組成的邊坡某剖面上如果存在不利結構面、斷層或軟弱夾層，則該處斷面的穩定性較差，巖體質量應進行折減.折減系數ξ3通過對比標度權重系數［13］得到(表8).

表7 巖體節理裂隙發育程度折減

表8 不利結構面對巖體質量的折減

綜上分析，考慮巖體風化程度、裂隙發育情況及不利結構面的巖體質量得分為

需要說明的是:如果弱風化巖的飽和單軸抗壓強度已由試驗測得，則不需進行風化系數折減，即ξ1=1;如果實驗室使用的巖塊包含原巖裂隙發育情況，則不需進行裂隙發育折減，即ξ2=1.強風化巖和全風化巖由于其飽和單軸抗壓強度無法由實驗測得，可以按照微風化巖或弱風化巖的強度按表6進行折減.

2 邊坡巖土體質量分級

由于邊坡巖土體隨高度變化，采用加權的方法計算邊坡巖土體綜合質量得分.基本原理為:邊坡某巖土層厚度越大，對邊坡的巖土體質量評分的貢獻越大.用巖土體質量評分系統評價了102個邊坡總共152個剖面的巖土體質量，以分值越大該處剖面巖土質量越好的原則進行現場判別，其判別結果與現場非常吻合，可用于福建高速公路邊坡穩定性評價.從巖土體質量評分頻率分布圖(圖3)可以看出，評分結果基本服從正態分布，且無分值段缺失，說明調查樣本具備隨機性，且能較為廣泛地覆蓋整個分值(0～10)范圍，評分系統更具有普遍適用性.

利用系統聚類的最短距離法對巖土體質量得分進行分類，并采用4個統計量［14］來確定最佳聚類數:R2統計量、半偏R2統計量、偽F統計量、偽t2統計量，其中前兩統計量輸出結果一致.分類數太少和太多都無意義，初步將分類數定在3～9之間.采用多種系統聚類方法，發現離差平方和法聚類結果較佳，其R2及半偏R2統計量確定的最佳分類數是二、三、四、五類;偽F統計量確定的最佳分類數是五、六、七類;偽t2統計量確定的最佳分類數是二、五類，綜合確定最佳分類級別為五類.歸類得巖土體質量分級表(表9)，并結合現場實際情況給出了合理的支護建議.

圖3 邊坡巖土體質量得分頻率分布

表9 邊坡巖土體質量分級

3 算例

龍巖至長汀高速A22合同段K115+352處邊坡剖面出露巖性為變質砂巖及其風化層，主要有4層巖土層，原山坡的傾向、傾角分別為 59°、23°，開挖邊坡的傾向和傾角分別為40°、45°，其他計算參數見表10～12.

表10 剖面K115+352巖層產狀

表11 剖面K115+352巖性及得分

表12 剖面K115+352巖體風化狀態及折減系數

該處剖面共出露4層巖土體:4.73 m厚的坡積亞黏土、8.98 m厚的砂土狀強風化巖、8.51 m厚的碎塊狀強風化巖及15.5 m厚的弱風化巖，綜合巖土體質量得分為1.83，如下求得:

坡積亞黏土的工程性質一般，因黏聚力相對較大，在注意排水的情況下，對邊坡的穩定性不會有較大影響;砂土狀及碎塊狀強風化巖工程性質較差，對邊坡的穩定性很不利;變質砂巖本身性質較差，巖層層面順坡面發育，因此，弱風化巖的出露對邊坡的穩定性非常不利.總體來看，邊坡巖土體質量較差，存在整體失穩的可能性(圖4)，本文得到的巖土體質量1.83分屬最差級別Ⅴ級與實際情況相符.根據表9的建議，該邊坡第一階應進行錨索加固;第二階應放緩坡率，采用拱形護面墻;第三階掛網噴草.

圖4 K115+350～390段左側滑坡

4 結語

結合福建高速公路邊坡資料，基于極限平衡法、統計方法及參考巖體分級RMR方法，建立了一種邊坡巖土體質量分級方法，擴展了邊坡巖體分級范疇.該法可對邊坡巖土體進行評分，進而得到表征邊坡局部及整體穩定性的巖土體評分.福建省高速公路邊坡巖土體質量評價方法計算簡單，指標獲取容易，可快速對邊坡巖土體質量進行評價并提出合理支護建議，是一種較好的高速公路巖土邊坡穩定性評價方法.但由于統計范圍為福建省7條高速公路邊坡，僅適用于地質條件相似的高速公路巖土邊坡穩定性評價，其適用性及準確性可由新的邊坡樣本進行檢驗和改進.

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A soil and rock mass quality estimation method for Fujian highway slopes

ZHANG Ju-lian1，SHEN Ming-rong1，2

(1.School of Civil Engineering，Tongji University，200092 Shanghai，China，happy－zhangjulian@yahoo.com.cn;2.Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education，Tongji University，200092 Shanghai，China)

To rapidly and accurately assess the stability of Fujian highway slopes whose tops are composed of soil and foots are of rock，and the partial sliding phenomenon after excavation or after and before support，based on limit equilibrium method，this paper presents a soil and rock mass quality estimation method.For the first time，the soil and rock mass quality estimation were put together to evaluate the slope stability，which expanded the scope of rock mass classification system.One hundred and two slopes along seven highways in Fujian province were used to verify the suitability and accuracy of this method.The soil and rock mass quality estimation method enriches the theoretical system of slope stability，and provides a new approach to the stability assessment of soil and rock slopes.

soil and rock slope;sliding;rock and soil quality estimation;slope stability analysis

U214.1

A

0367－6234(2011)10－0113－06

2010－03－30.

上海市重點學科建設資助項目(B308).

張菊連(1984—)，女，博士研究生;

沈明榮(1959—)，男，教授，博士生導師.

(編輯 劉 彤)