順層巖質高邊坡穩定性分析及處治方案研究

賈鵬云

（山西省交通規劃勘察設計院，山西 太原 030012）

在高速公路建設中，順層巖質邊坡工程的穩定性問題非常突出，其具有其他邊坡之外獨特的特征，受軟弱面、節理面等不利結構面的影響及雨水浸入作用，在重力作用下極易形成滑坡，對公路的安全影響很大，因此，順層巖質邊坡的穩定分析和處治方案研究顯得尤為重要。

1 順層巖質邊坡處治方法

1.1 順層巖質邊坡的特點

a）公路建設中順層巖質邊坡屬于人工邊坡，原始山體邊坡自然狀態下多處于穩定狀態，由于施工開挖，坡體應力未完全釋放，存在不穩定滑動趨勢。

b）順層巖質邊坡穩定性取決于受巖層傾角和坡向夾角的關系[1]以及軟弱層面物理力學性質。

1.2 順層巖質邊坡處治步驟

根據順層巖質邊坡的特點，采用系統工程原理，提出了順層巖質邊坡處治設計的框架[2]。

圖1 順層巖質邊坡處治設計框架圖

a）根據野外的地質調查及相應的鉆探、坑探等手段勘察，查明邊坡體的工程地質條件。

b）根據邊坡的工程地質條件，對邊坡進行分類，采用赤平投影分析確定邊坡的破壞模式。

c）采用工程地質類比法、極限平衡法等對邊坡的穩定性進行分析計算，確定邊坡的下滑力。

d）根據穩定性分析計算的結果，進行處治方案的設計。

2 工程實例分析

2.1 邊坡概況

某高速公路K24+260—K24+410段屬于構造侵蝕剝蝕低山區，微地貌斜坡，全長150 m，中心最大挖深15.6 m，K24+320處左側邊坡最大挖深65.9 m。

該邊坡在施工時遇上雨季防護未及時做好，挖至第二級平臺時，左側坡頂處產生了滑塌，其后緣位于K24+310左側145 m，主滑方向為325°，后壁坡度約為35°。滑塌體長約70 m，寬約40 m，平均厚度約為4.0 m。

2.2 邊坡工程地質條件

該路段地面高程550～712 m，相對高差162 m，地表植被不甚發育，零星分布草叢及灌木。巖性主要為下太古界龍華河群會理組（Ar3h）黑云斜長片麻巖和絹云母片巖，節理發育，風化厚度大，地表覆蓋為第四系全新統殘坡積（Q4dl+el）碎石土。詳見圖2邊坡地質概況。

巖體產狀為：295°∠26°。主要發育兩組節理，第一組節理產狀為170°∠68°（8～9條/m）；第二組節理組產狀為265°∠75°～80°（5條/m）。

通過鉆探勘察，未見地下水出露，項目區溝谷未見泉水分布，地下水不發育。

圖2 邊坡地質概況

3 邊坡穩定性分析

3.1 工程地質類比法

該路段高邊坡坡體地層主要為黑云斜長片麻巖夾絹云母片巖，且巖層視傾向又與邊坡同向，呈不利組合，屬于順層結構。其中，絹云母片巖為不利地層，屬于軟弱結構面，本身強度低，在雨水浸入作用下，結構面的抗剪強度降低，上覆巖體沿軟弱面滑動，該類型邊坡穩定性差。

3.2 赤平投影法

圖3 赤平投影分析圖

根據赤平投影分析圖，巖層面為貫通的大型結構面，與邊坡的面產狀較一致，該邊坡的控制性結構面為片理面，滑移面為直線，邊坡的破壞模式主要為滑移-拉裂型。

3.3 邊坡穩定性計算

3.3.1 計算斷面

圖4 計算模型（原始狀態）

圖5 計算模型（卸載后）

原始狀態反算C、φ值，卸載后進行下滑力計算，結果見表1。

3.3.2 參數選取

物理力學參數的選取對邊坡的穩定性計算結果影響較大，本文通過試驗、反算結合經驗數值確定。考慮巖土體參數的離散性，經綜合分析，參數選取黏聚力為7.8 kPa，內摩擦角為23.2°，滑塊密度取平均值 21 kN/m3。

3.3.3 計算結果

根據目前邊坡的穩定狀態，初始穩定系數擬定為1.0，考慮到路基右側下面有椿樹底村，縣級重要公路駱小線，在考慮了地震影響的前提下，安全系數擬定為1.3。計算結果見表1。

表1 剩余下滑力結果

4 邊坡處治對策

a）處治設計原則 采用在確保邊坡穩定，運營安全的前提下，一次根治，不留后患，綜合治理。

b）處治方案 以卸載、框架錨桿和框架錨索支擋為主，排水為輔的處治設計。

圖6 邊坡處治設計方案（比例：1∶1000）

4.1 坡率、平臺設計

根據穩定性計算結合綜合坡率考慮，邊坡坡高按8 m控制進行分臺，坡率設計第一級1∶0.75，第二至五級邊坡坡率為1∶1.25，五級以上邊坡坡率為1∶1.5，平臺寬度第一級為2 m，二至五級平臺寬度依次為4 m、2 m、4 m、8 m，五級以上設8 m寬平臺。

4.2 支擋設計

4.2.1 設計方案

a）上邊坡設計 第一級邊坡設置路塹式擋土墻，第二級邊坡采用框架錨桿防護，第三至第八級邊坡采用預應力錨索框架防護，八級以上邊坡采用拱型骨架防護。

b）下邊坡設計 采用微型抗滑樁進行支擋。微型抗滑樁主體為P43的舊鋼軌，樁長13.0 m，樁間距2.0 m。

4.2.2 框架錨索設計參數確定

4.2.2.1 錨固角

錨固角的確定受工程造價成本和施工便捷性控制，角度太緩錨桿過長，造價增加，錨固角增大，對施工又有一定影響，綜上，錨固角根據公式（1）確定：

式中：φ是坡體滑動面的內摩擦角；γ是滑面與水平面之間的夾角。

將相關參數代入計算可得：

最后結合工程實踐經驗錨固角以15°～30°為最宜，本文采用30°。

4.2.2.2 錨固力

錨索采用標準強度為Rby≥1860 MPa，鋼筋截面積140 mm2的高強度低松弛鋼絞線。

本文錨索采用8根鋼絞線，則：

Ta=8×1860×103×140×10-6=2083.2 kN。設計時考慮鋼絞線保證強度的50%,則Ta=1040 kN，超張拉時考慮鋼絞線保證強度的60%，取1248 kN。

4.2.2.3 錨索間距

錨索間距的設置根據規范[3]，結合施工經驗，縱橫向間距均為3 m，經計算，邊坡橫向長度49.2 m，縱向長度120 m，按照3 m×3 m間距布置，總的錨索根數l=（49.2×120）/（3×3）=640根。

而本段需要布置根數 n=N/Ta[sin（α+δ）tanφ+cos（α+δ）]=540000/1040（sin55°tan23°+cos55°）=572根，

式中：α是坡體滑動面的傾角；δ是錨固角；φ是滑面內摩擦角；N為邊坡的下滑力，N=4500×120=540000 kN。

設計采用的錨索n=640＞n=562根，可以滿足設計要求。

4.2.2.4 錨固長度確定

根據路基設計規范，分兩種情況考慮，第一種情況是錨固端與地層之間的黏結長度，另一種情況是錨索在注漿體中的黏結長度。

經計算，結合工程經驗，最終確定錨固段設計長度為10.0 m。

自由端長度伸入滑動面不小于1 m，且不得小于5.0 m，本文取5.0 m。

4.3 排水設計

設置完善的排水系統，把坡頂面設置的截水溝和每級平臺截水溝的水，通過急流槽水引入自然溝谷中。同時，注意現場積水和滲漏。

4.4 監測設計

對于高陡順層巖質邊坡，還應做好監測觀測。因此，在K24+330斷面上的中部設置一個深部位移觀測孔，K24+330、K24+360在邊坡中部平臺處位移觀測樁進行觀測，做好觀測記錄，數據分析，便于邊坡穩定性監控。

5 結語

a）本項目順層巖質高邊坡穩定性受絹云母片巖不利結構面控制，邊坡穩定性差，工程設計中采用擋墻、框架錨桿、框架錨索、拱形骨架和截排水綜合防治措施。

b）順層巖質邊坡的施工[4]要嚴格按照開挖一級防護一級，由上至下一級一級施工的工序，及時施工。

c）通車運營以來，邊坡沒有出現失穩變形跡象，運營良好，表明參數選取合理，處治方案得當。