路塹邊坡勘察方法和穩(wěn)定性評價初探

李咀偉 LI Ju-wei；盧曉玲 LU Xiao-ling；王方州 WANG Fang-zhou

（①山東緯地機械化施工有限公司，臨沂 276000；②山東省第七地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，臨沂 276000；③中交遠洲交通科技集團有限公司臨沂分公司，臨沂 276000）

0 引言

邊坡滑坡、崩塌是路基失穩(wěn)破壞較為常見的形式。路基工程形成邊坡分為兩種，一是路塹邊坡，一是路堤邊坡。其中，根據(jù)不同地層，路塹開挖會形成各類土質(zhì)邊坡、巖質(zhì)邊坡或土巖組合邊坡。

土質(zhì)邊坡因坡面傾斜，土體在其自身重力和外部施加的荷載作用下，將出現(xiàn)由上而下的移動趨勢。當土體達到抗剪強度，使穩(wěn)定平衡遭到破壞。

巖質(zhì)邊坡成坡后，臨空面周圍巖體發(fā)生卸荷回彈，引起應力重分布和應力集中等效應，在巖體自重力、水和震動力等因素作用下，可能使邊坡巖體發(fā)生形式各異的破壞。

因此，設計人應對路基進行可能發(fā)生的失穩(wěn)進行穩(wěn)定性分析，保證路基設計滿足安全和經(jīng)濟性要求。作為路基設計的基礎性依據(jù)，地質(zhì)勘察成果資料的重要性越來越明顯。

1 深路塹勘察的成果要素

①地貌、地形及橫向坡度、斜坡自然穩(wěn)定情況；②覆蓋層厚度、土質(zhì)類型、地層結(jié)構(gòu)、含水狀態(tài)、膠結(jié)與密實程度；③覆蓋層和基巖面的接觸形態(tài)及起伏變化；④基巖巖性、各類巖石組合及其風化程度、構(gòu)成邊坡的巖體結(jié)構(gòu)類型；⑤層理、節(jié)理、斷層、夾層、軟弱和破碎帶發(fā)育規(guī)模、結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀及其與路基的空間關系；⑥各類巖土的物理力學性質(zhì)，對邊坡穩(wěn)定起控制性作用的結(jié)構(gòu)面抗剪切強度；⑦地下水出露的位置、地表水類型和分布、流動特征、流量及對邊坡穩(wěn)定造成的影響；⑧路塹邊坡的天然和擬開挖后穩(wěn)定性。

2 成果要素獲取

2.1 地質(zhì)調(diào)繪

結(jié)合路塹走向、線形尺寸設計開展工程地質(zhì)調(diào)繪。一般調(diào)繪范圍不小于擬形成的邊坡高度的3倍。對于地質(zhì)構(gòu)造復雜、巖體完整性差、風化程度高、存在發(fā)育的外傾結(jié)構(gòu)面或厚度較大、邊坡上方存在較大匯水區(qū)域、地下水發(fā)育的邊坡，應根據(jù)實地工程地質(zhì)情況對調(diào)繪的范圍進行調(diào)整。

根據(jù)調(diào)繪，重點表達破壞特征和穩(wěn)定性判別控制要素。

2.1.1 地層結(jié)構(gòu)

包含各層巖土名稱、巖石結(jié)構(gòu)類型和成分、巖石風化程度、巖體破碎程度等。

2.1.2 邊坡巖體結(jié)構(gòu)類型

判別控制要素巖石類型（沉積巖、侵入巖、變質(zhì)巖、噴出巖、構(gòu)造帶、破碎帶等）、地層產(chǎn)狀和節(jié)理發(fā)育情況（包含傾向、傾角、結(jié)構(gòu)面和節(jié)理面膠結(jié)程度及填充物）、邊坡與層面的方向和夾角。

2.1.3 邊坡穩(wěn)定特征

根據(jù)上述兩條，確定對邊坡穩(wěn)定的控制要素。

①塊體結(jié)構(gòu)：邊坡穩(wěn)定性好，易形成陡峭直立邊坡，失穩(wěn)時多沿結(jié)構(gòu)面崩塌或滑動。巖體結(jié)構(gòu)面及巖石抗剪強度對邊坡穩(wěn)定性起控制性作用。

②層狀同向結(jié)構(gòu)：滑動面沿巖層層面或軟弱夾層，坡腳破壞后產(chǎn)生順層的下滑，傾角較陡時可形成潰屈破壞。坡角與巖層傾角組合、順坡向發(fā)育的軟弱結(jié)構(gòu)面強度對邊坡穩(wěn)定性起控制性作用。

③層狀反向結(jié)構(gòu)：巖層傾角陡時易發(fā)生傾倒松動變形；坡腳有軟弱地層發(fā)育時，主要在上部拉裂，局部發(fā)生崩塌滑動；共軛節(jié)理的組合交線傾向路基時，具備楔體滑動條件。邊坡坡角與巖層傾角組合、巖層厚度、層間結(jié)合強弱及反傾結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度對邊坡穩(wěn)定性起控制作用。

④層狀斜向結(jié)構(gòu)：層面與節(jié)理組成的楔形體易滑塌。邊坡穩(wěn)定性受層面與坡面走向控制。

⑤層狀平疊結(jié)構(gòu)：坡腳地層軟弱或?qū)娱g發(fā)育軟弱層面時，因孔隙水壓力或開挖卸荷作用，滑移、崩塌、拉裂等變形在臨空面方向產(chǎn)生。

⑥碎裂結(jié)構(gòu)：邊坡自然穩(wěn)定性較差，穩(wěn)定坡角由巖塊鑲嵌情況和巖體間的咬合力決定，常發(fā)生崩塌和弧形的滑動。

⑦散體結(jié)構(gòu)：邊坡自然穩(wěn)定性差，穩(wěn)定坡角由巖體的抗剪強度決定，滑動面為圓弧狀。

2.2 鉆探和測試、試驗

2.2.1 勘探斷面

每段深路塹至少布置1條橫向勘探斷面，應根據(jù)現(xiàn)場地形和地質(zhì)條件布置在具有代表性的位置。

2.2.2 勘探孔

每條勘探橫斷面上布置不宜少于2個的勘探點。勘探可采用物探、鉆探、挖探等綜合性手段。控制性鉆孔應深至設計路面線高程以下穩(wěn)定的地層中3m以上。在地下水發(fā)育的路段，勘探孔還應根據(jù)排水工程的需要進行布置。

2.2.3 取樣和試驗

巖樣的采取應具有代表性，并對其進行密度、單軸飽和抗壓強度等試驗。土樣應根據(jù)實際地層情況，分層取樣，并對土試樣進行顆粒分析、天然含水率、密度、粘聚力和內(nèi)摩擦角測定，粉土和粘性土還應測定塑限和液限。

2.2.4 地下水

有地下水發(fā)育時，應記錄其初見水位和穩(wěn)定水位數(shù)據(jù)，并取樣進行水質(zhì)分析試驗。

3 分析方法

3.1 類型判斷

在分析邊坡穩(wěn)定性之前，應依照工程地質(zhì)條件判斷邊坡可能發(fā)生的破壞形式、破壞方向、影響范圍等。在對邊坡可能發(fā)生的破壞方式進行判斷時，應同時考慮受巖土體自身強度和結(jié)構(gòu)面控制的因素。

3.2 方法原則

邊坡穩(wěn)定性計算可采用剛體極限平衡法。對結(jié)構(gòu)復雜的巖質(zhì)邊坡，可結(jié)合實體比例投影法和極射赤平投影法；對于破壞機制復雜的邊坡，可采用數(shù)值極限分析法。

3.3 建模原則

在對沿結(jié)構(gòu)面滑動的穩(wěn)定性進行計算時，根據(jù)結(jié)構(gòu)面形態(tài)采用平面或折線形滑面。在對土質(zhì)、極軟巖、破碎或極破碎巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性計算時，可采用圓弧形滑面。

3.4 結(jié)論指標

采用剛體極限平衡法計算邊坡抗滑穩(wěn)定性時，可分別采用圓弧形滑面、平面滑動面、折線形滑面相對應的穩(wěn)定性系數(shù)計算公示。

4 實例分析

4.1 項目概況

某國道改擴建項目線路東段經(jīng)過低山丘陵區(qū)，挖方路段較多。其中，K24+460路塹開挖沿267°方位穿越山體。根據(jù)現(xiàn)狀地面高程和設計路面線計算，最大開挖深度約17.5米，見圖1、圖2。

圖1 K24+460線路與地形現(xiàn)狀平面圖

圖2 K24+460設計縱斷圖

4.2 地質(zhì)情況

4.2.1 地形特征

挖方路段地貌為低山剝蝕地貌，自然坡度約16.7°，地面標高介于96.3～121.3m之間，相對高差25m，地形起伏較大。地表植被發(fā)育，未見地表水體和地下水露頭。

4.2.2 地層巖性

根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪資料，挖方區(qū)地層在勘探深度范圍內(nèi)主要為強風化~中風化晚元古代晉寧期侵入巖（ηγ23）花崗片麻巖地層，地層產(chǎn)狀80°∠70°~80°。

受地形條件制約，該工點共布置1個勘探剖面、鉆探孔3個（見圖1，孔號983、984、985），鉆探揭示地層如表1所示。

表1 鉆探地層情況表

根據(jù)線路試驗結(jié)果，選用邊坡計算相關參數(shù)見表2。

表2 邊坡計算相關參數(shù)

4.2.3 地表水和地下水

調(diào)查區(qū)地表水不發(fā)育，雨季或強降雨季節(jié)坡面會有暫時性匯流。

鉆探期間，路塹擬開挖深度內(nèi)未揭露地下水，但根據(jù)巖石風化特征，地下水會在強降雨時接受大氣降水和上部孔隙水的補給，通過斷裂破碎帶、節(jié)理裂隙密集帶為導水運移的通道向區(qū)內(nèi)最低侵蝕基準面排泄，經(jīng)深循環(huán)后排出地表。

4.3 邊坡穩(wěn)定特征

4.3.1 上部土質(zhì)（全-強風化巖）邊坡

巖體特征：散體狀、碎裂狀巖體；不受外傾結(jié)構(gòu)面控制。

變形破壞機制：滑動圓弧形。剪切-滑移。坡面臨空，邊坡過高，巖體發(fā)生剪切破壞，滑裂面上的抗滑力小于下滑力。

破壞特征：沿極軟巖、強風化巖、碎裂結(jié)構(gòu)或散體狀巖體中最不利滑動面滑移，坡腳隆起。

破壞面形態(tài)：圓弧。

4.3.2 下部巖質(zhì)邊坡

巖體特征：受結(jié)構(gòu)面切割控制的巖體。

變形破壞機制：剪切-滑移。結(jié)構(gòu)面臨空，交線傾向路基，楔體沿相交的兩結(jié)構(gòu)面向下剪切-滑移。

破壞特征：兩個或三個結(jié)構(gòu)面組合而成的楔形體，沿兩個滑動面交線方向滑動。

破壞面形態(tài)：兩個傾向相反，交線傾向路基的結(jié)構(gòu)面組合。

4.4 邊坡穩(wěn)定性分析

4.4.1 全-強風化巖邊坡穩(wěn)定性定量分析

根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪、鉆探、試驗等手段獲取的地層數(shù)據(jù)和巖土參數(shù)，對邊坡上部約8m高地層（全風化花崗片麻巖、散體狀強風化花崗片麻巖、碎塊狀強風化花崗片麻巖）按照圓弧滑動模型建模，以開挖坡度1:1進行驗算見表3。

表3 圓弧滑動法驗算過程表

4.4.2 巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性定性分析

根據(jù)鉆探地層資料，路塹邊坡下部9.5m為較完整中風化花崗片麻巖，按巖質(zhì)邊坡采用赤平投影法定性分析如下。

①節(jié)理統(tǒng)計。

現(xiàn)場地質(zhì)人員對線位范圍內(nèi)某典型露頭點1m2范圍的節(jié)理面進行了統(tǒng)計，以0.4m以上的節(jié)理面為統(tǒng)計節(jié)理面，共統(tǒng)計節(jié)理面產(chǎn)狀9組，見表4。

表4 節(jié)理統(tǒng)計表

經(jīng)整理后繪制極點密度圖和玫瑰圖如圖3、圖4。

圖3 節(jié)理面極點密度圖

圖4 節(jié)理面玫瑰節(jié)理圖

由圖3和圖4可知現(xiàn)場巖體主要有4個統(tǒng)計學節(jié)理面。分別為，J1:135°∠90°，3條/m2，微張；J2:312.5°∠87.5°，2條/m2，閉合；J3:21°∠71°，2條/m2，閉合；J4:59°∠46.5°，2條/m2，閉合。

②邊坡穩(wěn)定性分析。

1）挖方路段處于低山剝蝕區(qū)，區(qū)內(nèi)無深大斷裂及全新活動性斷裂通過，地表未發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)，地形坡度起伏較大。

該區(qū)段路線前進方向267°，開挖深度范圍內(nèi)巖土體主要為晚元古代花崗片麻巖地層，邊坡在自然狀態(tài)下是穩(wěn)定的。但邊坡開挖后，兩側(cè)邊坡應力平衡被破壞，在雨水、節(jié)理裂隙、自重力等多重影響作用下，易產(chǎn)生淺層滑塌或崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象。

2）由于基巖受后期構(gòu)造及風化作用影響，節(jié)理裂隙較發(fā)育，經(jīng)工程地質(zhì)調(diào)繪測量，地層產(chǎn)狀80°∠70°~80°，主要發(fā) 育4組 節(jié) 理，J1:135°∠91°、J2:312.5°∠87.5°、J3:21°∠71°、J4:59°∠46.5°。繪制邊坡赤平投影圖如圖5所示。

圖5 邊坡赤平投影圖

3）J1、J2于右側(cè)邊坡的穩(wěn)定性驗算

原始條件（參數(shù)選用見表5）。

表5 計算參數(shù)表

判定巖體穩(wěn)定性（如圖6所示）：

圖6 J1、J2與右側(cè)邊坡赤平投影圖

a）滑動方向：沿交線C方向滑動。

b）穩(wěn)定類型：穩(wěn)定的。

4）J1、J2于左側(cè)邊坡的穩(wěn)定性驗算

判定巖體穩(wěn)定性（如圖7所示）：

圖7 J1、J2與左側(cè)邊坡赤平投影圖

a）滑動方向：沿交線C方向滑動。

b）穩(wěn)定類型：最穩(wěn)定的。

5）J3、J4于右側(cè)邊坡的穩(wěn)定性驗算

判定巖體穩(wěn)定性（如圖8所示）：

圖8 J3、J4與右側(cè)邊坡赤平投影圖

a）滑動方向：沿一條傾向線方向滑動。

b）穩(wěn)定類型：穩(wěn)定的。

6）J3、J4于左側(cè)邊坡的穩(wěn)定性驗算

判定巖體穩(wěn)定性（如圖9所示）：

圖9 J3、J4與左側(cè)邊坡赤平投影圖

a）滑動方向：沿一條傾向線方向滑動。

b）穩(wěn)定類型：最穩(wěn)定的。

7）主產(chǎn)狀于右側(cè)邊坡的穩(wěn)定性判斷

判定巖體穩(wěn)定性（圖略）：

a）滑動方向：沿一條傾向線方向滑動。

b）穩(wěn)定類型：最穩(wěn)定的。

8）主產(chǎn)狀于左側(cè)邊坡的穩(wěn)定性驗算

判定巖體穩(wěn)定性（圖略）：

a）滑動方向：沿一條傾向線方向滑動。

b）穩(wěn)定類型：較穩(wěn)定的。

4.5 結(jié)論

根據(jù)上部散體狀、碎裂狀風化巖層驗算，開挖坡度1:1情況下，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)1.64，滿足安全等級為一級的永久邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fst=1.35的規(guī)范要求。

根據(jù)下部較破碎中風化巖體驗算，J1、J2、J3、J4對于兩側(cè)邊坡穩(wěn)定有利；主產(chǎn)狀于右側(cè)邊坡穩(wěn)定有利，于左側(cè)邊坡較穩(wěn)定。應加強左側(cè)邊坡的防護、排水等措施。

5 總結(jié)

①路塹邊坡勘探應采用地質(zhì)調(diào)繪、勘探、巖土試驗等多種手段進行。

②在分析邊坡穩(wěn)定性之前，應依照工程地質(zhì)條件判斷邊坡可能發(fā)生的破壞形式、破壞方向、影響范圍等。在對邊坡可能發(fā)生的破壞方式進行判斷時，應同時考慮受巖土體自身強度和結(jié)構(gòu)面控制的因素。

③在對沿結(jié)構(gòu)面滑動的穩(wěn)定性進行計算時，根據(jù)結(jié)構(gòu)面形態(tài)采用平面或折線形滑面。在對土質(zhì)、極軟巖、破碎或極破碎巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性計算時，可采用圓弧形滑面。