巖石邊坡穩定性地質分析及工程應用

程國能

（無錫高新技術產業發展股份有限公司，江蘇無錫 214028）

0 引言

徐邦棟教授于20世紀70年代提出工程地質分析與力學計算的綜合評價方法 (即所謂“八大法”)的基本指導思想是將滑坡視為一定地質條件下動態的、變化的過程，評價不僅是當前的狀態，還要考慮外界因素和人為工程作用后的變化和發展趨勢。對不同的滑坡選擇其中3～4種方法評價，互相驗證以得到符合實際的結果。公路路基設計規范(JTG D30-2004)：邊坡穩定性評價宜綜合采用工程地質類比法、圖解分析法、極限平衡法和數值分析法進行；《建筑邊坡工程技術規范》（GB 50330-2013）：邊坡抗滑移穩定性計算可采用剛體極限平衡法。對結構復雜的巖質邊坡，可配合采用極射赤平投影法和實體比例投影法；當邊坡破壞機制復雜時，可采用數值分析法；《水利水電工程邊坡設計規范》（SL 386-2007）：邊坡穩定性的初步判別宜采用極射赤平投影法、工程地質類比法進行判別。經穩定性初步判別有可能失穩的邊坡均應進行穩定計算。初步判別難以確定穩定性狀的邊坡也應進行穩定計算。對可能發生滑動破壞的邊坡，應按照本節的規定進行抗滑穩定計算。對可能發生其他破壞形式的邊坡，宜參照類似邊坡進行專門研究。從基本分析方法來看，各規范都認可需要綜合采用工程地質類比法、極射赤平投影法（圖解分析法）、極限平衡法分析計算，提倡工程地質分析與力學計算相結合的綜合評價方法。因此，地質分析與力學計算的有機結合才是完整的評價方法，前者為后者提供了參數和邊界條件，后者給出了定量概念。忽視滑坡地質過程的分析，過于依賴計算結果是不可取的。

1 失穩模式判斷方法

在巖質邊坡中，巖體的失穩與破壞主要受巖體內結構面的控制。它們相互之間的空間分布位置、組合關系(包括自然邊坡或邊坡開挖面的產狀)和結構面的物理力學性質等，對邊坡的穩定都起著至關重要的作用。赤平投影方法正是基于這一點來進行的，應用這種方法可以幫助地質及工程技術人員對邊坡的穩定性做出快速、定性的判斷。

圖1說明了邊坡失穩的三種類型與相應的結構面赤平投影圖的對應關系 (H0ek&Bray,1977)。在平面破壞和模體破壞兩種類型中，其失穩或滑動的判別原則一般可簡單歸納為βp≥β≥φ，其中β為結構面（或某兩組結構面交線）在坡面傾向上的視傾角，βp為邊坡面(或某兩組結構面交線)的傾角，φ為結構面的摩擦角。特別值得指出的是，這一可能滑動的條件只考慮了結構面的摩擦角。如果有凝聚力存在的情況，可以按照等效摩擦角的概念綜合考慮凝聚力的影響。

圖1 邊坡巖體結構類型及其失穩破壞形式示意圖

在此判別中，還要考慮坡面傾向與結構面傾向的一致性 (通常認為當兩者夾角小于或等于20°時才可能發生滑動)。當有多組結構面組合構成模體破壞時，還要考慮每兩組結構面交線的產狀與滑動方向的關系等綜合因素。

根據上述原則，在赤平投影平面上的可能滑動區由如下陰影區域組成（見圖2）。

圖2 用于巖質邊坡穩定分析的赤平投影圖

2 標準分析方法

香港土木工程署編制的《巖土工程手冊》(1981年）給出了標準分析圖例，如圖3所示。

圖3 赤平投影分析結果示意圖

根據圖3所示的四組結構面和坡面的產狀，以及摩擦角，應用赤平投影方法及邊坡穩定分析原理可做出邊坡失穩模式的判別。設巖體結構面摩擦角為35°，假設某一邊坡的傾向為140°，傾角為60°，其大圓如圖3所示。由圖中心的摩擦圓和外弧線所圍的月牙形封閉域為滑動區，靠近大圓邊界的扇形區為傾倒區。每一結構面及其他結構面相互組合的交線都可以在赤平投影圖中用其極點表示。從圖中可見，第1組結構面和第1與第2組結構面組合交線的極點落入了滑動區，第4組結構面的極點落入了傾倒區，它們的傾角均大于35°。說明由于以上結構面的存在可能引起該邊坡的滑動和傾倒失穩破壞。而第2組結構面，以及第1組與第4組、第1組與第3組、第2組與第4組、第3組與第4組結構面所組合交線的極點均未落入滑動區和傾倒區，說明這些結構面組合不可能形成滑動破壞。剩余的第3組結構面，以及第2組與第3組結構面組合交線的傾角雖然小于35°，但是如果輸入的摩擦角減小或者由于各種因素造成強度指標的降低，也可能引起邊坡的滑動。因此對這兩個可能組合，盡管其交線的極點未落入滑動區，但仍需對其穩定性予以重視。

3 工程實例

貴陽市北部某線路工程，從K6＋450～K9+400，該段沿線地層以寒武系中上統婁山關群（∈2～3 ls）細晶白云巖、泥質白云巖為主，中～厚層狀為主，局部為薄層狀，多夾薄層含粘土質泥巖及泥化夾層。沿線地層以單斜為主，近南北走向，巖層產狀90°～120°∠20°～42°，巖層節理裂隙較發育，一般有兩組。線路在該段總體以正北走向，局部偏西30°偏東 20°。

該段地形起伏較大，地層走向與邊坡基本一致。總體上，線路右側邊坡以逆向坡和切向坡為主，邊坡穩定性好，左側以順向坡為主，邊坡穩定性差。

YK6+640～YK6+740右側邊坡（見圖4、圖5）

圖4 YK6+640～YK6+740右側邊坡斷面示意圖

圖5 YK6+640-YK6+740右側邊坡赤平投影分析示意圖

該邊坡巖層為寒武系薄層～中厚狀中風化灰巖、白云巖、泥質白云巖組成，夾薄層泥巖，地層產狀115°∠28°，節理裂隙較發育，共兩組，產狀為110°∠80°和 20°∠85°，邊坡開挖高度約 40m，傾向為292°，總體傾角約57°，該處山體天然坡角約20°。

邊坡設計方案自下而上選擇：擋土墻（高8.0 m）+綠化平臺（寬2.0 m）+一級邊坡坡率1∶0.5（高10.0 m）+碎落臺（寬2.0 m）+二級邊坡坡率1∶0.5（高10.0 m）+碎落臺（寬2.0 m）+三級邊坡坡率1∶0.5（高 10.0 m）+碎落臺（寬 2.0 m）+四級邊坡坡率1∶0.5，如圖4所示 。其中，設計原方案坡腳采用坡腳墻，1級、2級、3級均采用錨桿框架梁防護，采用8 m錨桿。

根據赤平投影結果分析，地層 (L3)與節理1(L1)、節理2(L2)的交線，以及節理1(L1)、節理 2(L2)的交線均于邊坡傾向相反，屬于最穩定結構，實際邊坡開挖也反應邊坡地質條件較好，邊坡自穩性較好，與赤平投影結果一致，如圖3所示。最終方案優化為：取消原設計的錨桿框架梁，1～4級邊坡采用錨釘掛網混凝土封面的防護方式。

K0+230～K0+270改線段左側邊坡（見圖6、圖7）

圖6 K0+230～K0+270左側邊坡斷面示意圖

圖7 K0+230～K0+270左側邊坡赤平投影分析圖

該邊坡由寒武系薄層強～中風化白云巖、泥質白云巖組成，夾薄層泥巖，巖層層面局部較光滑，存在不連續分布的泥化夾層，厚度小于1 cm。地層產狀110°∠39°，節理裂隙較發育，每米約3～5條，共兩組，產狀為 105°∠75°和 355°∠75°，張開，上部靠地表最大裂隙寬度可大于10 cm，往下約3 mm，泥質充填。巖體總體結構松散、完整差。

邊坡開挖高度約16 m，傾向為102°，總體傾角約53°，該處山體天然坡角約18°。邊坡設計方案自下而上選擇：坡角墻（高2.0 m）+綠化平臺（寬1.5 m）+一級邊坡坡率1∶0.5（高8.0 m）+碎落臺（寬2.0 m）+二級邊坡坡率1∶0.75，如圖6所示 。其中設計原方案坡腳采用坡腳墻，1級、2級、3級均采用錨桿框架梁防護，采用4 m錨釘。

根據赤平投影結果分析，地層 (L3)與節理1(L1)、節理2(L2)的交線均于邊坡傾向相反，屬于穩定結構；地層(L3)與節理2(L2)的交線位于邊坡投影大圓同向外側，且位于自然坡面投影大圓內側，屬于不穩定結構，邊坡可能沿圓心與地層(L3)與節理2(L2)的交點的連線滑動。

對影響邊坡穩定的層面和節理2組合的楔形體進行穩定性計算，當按極限平衡法驗算時，邊坡安全系數K=1.04，因此當不考慮地下水作用時，邊坡總體還是穩定的，處于臨界狀態，但在雨水滲入的情況下，抗剪強度的減弱作用和水壓的推力可能導致邊坡破壞。實際邊坡開挖后開始還是穩定的，約1個月后受降雨等影響，局部發生了滑塌。

最終方案優化為：沿滑塌后層面進行順向清坡，取消邊坡平臺，一次放坡到位，采用錨外外桿+錨索相結合的支護方式。

對沿線左側6處順向邊坡赤平投影法進行分析，邊坡均在圓心與地層與節理的交點的連線發生滑動的可能，地層順層面是主要控制的結構面，其中4處邊坡在開挖過程中發生不同程度的滑塌。

4 結論

工程地質分析是巖石邊坡設計的重要環節，利用基于赤平投影原理的工程地質方法可以簡單和明確地初步確定邊坡可能存在的不穩定滑動面和破壞模式。其方法直觀、形象、通俗易懂，且省去了大量的工程計算，并能為工程具體穩定設計計算提供可靠的分析方向和基本依據。