高速鐵路高陡碎裂巖質邊坡穩定性評價

李紅旭 王衍匯 周 海

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300251)

在山區修筑高速鐵路不可避免地要進行深挖高填，形成大量的巖質路塹邊坡，受強降雨或工程開挖等因素影響，極易誘發工程滑坡，對高速鐵路施工運維安全危害極大。國內外學者對邊坡穩定性開展大量研究，并取得一系列成果。李勝偉等分析并修正CSMR法，對西南某水電工程邊坡進行巖體質量分級[1]；劉偉鵬等運用赤平極射投影法評價吉爾木隧道出口巖質邊坡潛在失穩巖體的穩定性[2]；劉勇基于極限平衡法，分析降雨入滲對非飽和土邊坡穩定性的影響規律[3]；王迎曉等基于GSI系統運用廣義Hoek-Brown準則，估算鐵路巖質邊坡的強度參數，并應用于鐵路、公路邊坡穩定性評價[4-5]；鄭穎人將有限元強度折減法引入復雜巖質邊坡穩定性評價，并通過算例證實其可行性[6]。以往研究從不同角度進行巖質邊坡穩定性評價，然而對于高速鐵路高陡巖質邊坡穩定性評價還相對較少。

以下結合相關規范與文獻研究成果，總結歸納高陡巖質邊坡穩定性評價技術體系，并以某高陡碎裂巖質邊坡為研究對象，綜合確定巖土體物理力學指標，系統地分析評價其穩定性，并提出措施與建議。

1 高陡巖質邊坡穩定性評價方法

邊坡穩定性評價的方法較多，其技術體系見圖1。主要分為綜合勘察、定性分析、定量檢算、綜合評價與建議4部分。

圖1 高陡巖質邊坡穩定性評價技術體系

(1)綜合勘察

主要目的是查明區域內邊坡發育環境、邊坡基本特征及影響邊坡穩定性的各種因素，為定性分析與定量評價提供基礎數據支撐與依據。

工程地質調繪包含搜集與調繪工程區域地形地貌、地層巖性、地質構造、節理裂隙發育特征、水文地質條件、周邊滑坡歷史和現狀等；勘探與測試指采用物探、鉆探等勘探方法，室內試驗與現場試驗等測試手段查明邊坡地層與滑動面的空間形態和性質、地下水變動情況與侵蝕性、巖土層物理力學指標等[7]。

(2)定性分析

在工程區域綜合勘察的基礎上，分析高陡巖質邊坡穩定性的主要影響因素，采用工程地質宏觀判斷(如赤平投影法、工程地質類比法等[8-9])、工程巖體分級(如SMR法、CSMR法等)或其他非確定性方法(如模糊綜合評判法等[10])，初步分析邊坡穩定性狀況，進而研究巖質邊坡潛在破壞模式(如圓弧形破壞、平面破壞、楔形破壞等)。

(3)定量檢算

邊坡的破壞模式較多，其發生的條件和運動機理也各不相同，因此，對不同的破壞模式，需采用相應的穩定性定量計算方法，如針對圓弧滑動、平面滑動等的極限平衡法[11-12]，針對非特定滑面的有限元強度折減法、矢量和法[13]等；在工程區域綜合勘察的基礎上，構建地質概化模型，并結合相關規范手冊、類似工程經驗等綜合確定巖土體物理力學指標，進而采用定量計算方法進行穩定性檢算。

(4)綜合評價與建議

在定性分析與定量檢算基礎上，進行高陡巖質邊坡穩定性評價，并結合工程設計與施工，提出措施與建議。

2 工程地質概況

某高速鐵路大橋3號墩臺位于巖質邊坡坡腳，最大挖深約10 m，左側形成的工程邊坡高達85 m，表層強風化砂巖性狀較差，厚度約10 m，不難看出，高陡巖質邊坡的強度參數確定與穩定性評價是設計的關鍵問題，對施工及運維安全意義重大。

工程位于剝蝕低山區，地勢起伏較大，地面高程216～319 m。山脊線大致與線路方向垂直，地勢相對平緩，總體坡度約35°，兩側地勢較陡，坡度約40°，坡高約95 m(見圖2)。

圖2 高陡巖質邊坡平面

地層主要為震旦系下統休寧組中段砂巖，巖層產狀205°∠ 29°，全-弱風化。

砂巖(W4)：全風化，灰黃色，原巖結構構造已基本破壞，巖芯呈砂土狀。

砂巖(W3)：強風化，土黃色-灰褐色，細粒結構，中厚層狀構造，巖芯呈碎塊狀，局部呈短柱狀，敲擊聲啞、易碎，主要由長石、石英及泥質組成。

砂巖(W2)：弱風化，灰白色，細粒結構，中厚層狀構造，巖芯較破碎-較完整，呈短柱狀及柱狀，局部碎塊狀。

工程區域屬亞熱帶濕潤季風氣候區，多年平均降水量為1 529 mm。地表水較發育，多為水塘蓄水；地下水主要為基巖裂隙水，稍發育，受降水入滲補給，向低洼處排泄。場地地震動峰值加速度為0.05g，基本烈度為Ⅵ度。

3 定性分析

3.1 主要影響因素

(1)地層巖性

研究表明，該區域強風化帶內的巖土體抗剪強度較低，是工程滑坡的高發地段[14]。根據綜合勘察成果，邊坡弱風化巖體完整性較好，地表局部全風化呈砂土狀，而強風化砂巖厚度較大，呈碎裂結構，巖芯RQD<25%，含泥質，巖性較軟弱，吸水易軟化，失水易干裂，是影響邊坡穩定的內在因素。

(2)節理裂隙

坡體主要發育3組節理裂隙，產狀分別為280°～300°∠75°～85°、115°～135°∠55°～70°、0°～10°∠50°～65°，其中J1、J2為共軛節理。這些節理裂隙的存在為坡體滑動提供有利條件。

(3) 水的作用

降雨：大量研究表明，破碎巖體內摩擦角φ、黏聚力c隨含水量的增大而減小，單軸抗壓強度、彈性模量等隨含水率增加而下降[15-16]。高陡邊坡發育多組節理裂隙，巖體破碎，而工程區域多年平均降水量高達1 529 mm，雨水入滲邊坡弱化巖土體強度，破壞其既有的應力平衡體系，是誘發工程滑坡的主要因素之一。

地下水：地下水位于工程邊坡強風化砂巖(含泥質)中，降水導致地下水位循環交替變動，不斷軟化、溶蝕、潛蝕孔隙及裂隙周圍的巖土體，并產生動水壓力，對邊坡穩定性造成不利影響。

(4) 工程開挖

坡腳開挖破壞了自然邊坡的應力平衡，導致應力重分布，在坡體中上部易產生張裂破壞，在坡腳處易產生剪切破壞；工程削坡導致坡面與不利結構面組合易產生楔形破壞。因此，工程開挖是誘發工程滑坡的另一主要因素。

3.2 穩定性定性分析

(1) 赤平投影法

根據地形地貌特征、工程概況，選取DK149+218.21代表性斷面進行分析，邊坡傾向310°，坡度35°，邊坡巖層產狀主要為205°∠29°，結合坡體節理裂隙發育情況，赤平極射投影見圖3。

圖3 赤平極射投影

赤平極射投影分析表明：3號墩左側高邊坡為反傾邊坡，巖層層面與結構面J3的交點C1與邊坡投影弧在同一側，與坡面傾向一致，傾角小于天然坡角，具備沿巖層面與結構面J3交割線方向發生滑動的空間條件，且發育多組陡傾節理裂隙，可發生楔體破壞或表層溜滑。

(2)CSMR巖體質量分級

CSMR以RMR、SMR為基礎，結合研究區域的實際地質環境，引入坡高修正系數ζ及結構面條件系數λ而提出的巖體質量評價方法。計算方法為

CSMR=ζRMR-λ(F1×F2×F3)+F4

(1)

提取邊坡工程地質條件參數，以RMR為基礎，運用CSMR對邊坡巖體進行質量分級：RMR=38，自然狀態下CSMR=51.5，開挖狀態下CSMR=36.5。因此，高陡邊坡自然狀態下巖體級別為Ⅲ級，處于基本穩定狀態，開挖狀態下巖體級別為Ⅳ級，處于不穩定狀態。

3.3 潛在破壞模式分析

高陡邊坡地層主要為震旦系下統休寧組中段砂巖，巖體較軟，表面風化嚴重，植被茂密。強風化砂巖揭示層厚大于10 m，巖體破碎，尤其是表層3～5 m，是影響邊坡穩定的主要巖體。

自然邊坡整體基本穩定，強降雨時對邊坡表層造成沖蝕，局部易發生小型溜塌。

工程開挖時，由于坡腳開挖卸荷，導致邊坡應力重分布，同時，巖體內部節理裂隙出露地表，加劇巖體風化、強度弱化的進程，降雨時雨水沿節理裂隙快速下滲，強風化砂巖吸水后容重增加，強度參數顯著減小，地下水在坡體中產生滲流，增大下滑力，減小抗滑力，顯著降低了安全系數，導致工程邊坡在全強風化巖體范圍內發生淺層溜塌、楔形破壞或圓弧狀滑動失穩。

4 定量檢算

通常采用安全系數來衡量邊坡在最不利條件下具有的安全保障?；谶吰聺撛谄茐哪Ｊ?，選擇工程實踐中使用較為廣泛的極限平衡法(Morgenstern-Price法)、有限元強度折減法來檢算邊坡穩定性。

4.1 計算模型與計算參數

選擇具有代表性的DK149+218.21斷面進行計算，計算域內地層劃分為3 層(全風化砂巖、強風化砂巖、弱風化砂巖)，計算模型見圖4。

圖4 地層計算模型

巖體抗剪強度是巖質邊坡穩定性評價的基礎參數。大量的研究表明，Hoek-Brown準則對節理裂隙發育的破碎巖體力學參數估算具有較強的適用性。因此，以工程地質調繪、勘探與測試為基礎，運用廣義Hoek-Brown準則估算巖質邊坡的力學參數。

Hoek-Brown準則表達式[17]為

(2)

式中，mi為完整巖石材料常數；D為巖體擾動系數。

當σt<σ3<σ3max時，Mohr-Coulumb、Hoek-Brown兩強度準則曲線非常吻合，可推導出等效Mohr-Coulumb強度準則參數表達式，即

(3)

(4)

式中，σ3max為邊坡側限應力上限；σcm為節理巖體整體強度；γ為巖體重度；Ht為邊坡高度。

現場綜合勘察表明，邊坡強風化砂巖呈碎裂狀結構，節理裂隙間距小，風化嚴重，表面較粗糙，地質強度指標GSI為20～25，完整巖塊單軸抗壓強度為28 MPa，Hoek-Brown常數mi為19，自然邊坡巖體擾動系數D為0，根據Hoek-Brown準則估算強風化砂巖內摩擦角φ為37.1°～39.0°，黏聚力c為0.387～0.443 MPa，抗剪強度指標轉換成綜合內摩擦角為42.4°～44.7°。

針對強風化砂巖，根據《建筑邊坡工程技術規范》，邊坡巖體類型為Ⅳ級，等效內摩擦角宜取42°；根據《鐵路工程地質勘察規范》及相關規范，參考鄰近工程經驗，邊坡路塹建議坡率為1∶1.25，綜合內摩擦角宜取45°。

通過對比，各方法確定的強風化砂巖剪切強度參數基本一致。建議高陡巖質邊坡強風化砂巖綜合內摩擦角為42°～45°。

同理，結合工程周邊地形地貌調查統計情況，綜合考慮室內試驗、相關規范、工程類比等，巖土體物理力學指標建議值見表1。

表1 邊坡巖土體物理力學指標建議值

4.2 穩定性檢算

工程邊坡坡高約85 m，若發生破壞或過大變形，將對橋梁墩臺及鐵路安全運營造成極大影響，經濟損失和社會影響嚴重，安全等級為一級，按《建筑邊坡工程技術規范》設計安全系數取1.35；按《鐵路路基設計規范》取1.15～1.25，建議設計安全系數取1.35。

按表1選取不同的巖土物理力學指標值，采用Geo-SLOPE/W進行極限平衡(Morgenstern-Price法)計算，邊坡安全系數范圍為1.04～1.15；采用Midas GTS進行強度折減計算，邊坡安全系數范圍為1.06～1.20，說明高陡巖質邊坡在天然條件下基本穩定，在參數弱化條件下(暴雨及其他因素長期作用導致)處于臨界狀態(均小于設計安全系數1.35)，故認為鐵路工程設計施工安全儲備不足。參數弱化條件下邊坡穩定性檢算結果見圖5。

圖5 邊坡安全系數

研究表明，受結構面影響，巖體抗剪強度低于巖塊抗剪強度，但內摩擦角降低不大，黏聚力削弱較多。在工程開挖擾動、降雨等外部因素長期影響下，碎裂狀強風化砂巖黏聚力明顯降低。如圖6～圖7所示，在綜合內摩擦角固定的條件下，隨著黏聚力取值的降低，最危險滑面埋深逐漸變淺，范圍也逐漸減小；而伴隨著強度折減，塑性區由坡腳逐漸向后上部發展，在坡腳產生剪切破壞，后緣產生拉張破壞，滑面貫通發生邊坡失穩。

圖6 邊坡最大剪應變云圖

圖7 強度折減過程滑面發展

邊坡穩定性系數等值線見圖8，由圖8可知，Fs≤1.15時滑面最大埋深約5 m，1.15

圖8 邊坡穩定性系數等值線

5 結論

(1)研究區自然邊坡整體基本穩定；邊坡強風化砂巖巖層較厚，巖體破碎，是影響邊坡穩定的主要巖體，綜合內摩擦角為42°～45°；邊坡安全系數為1.04～1.20，設計施工安全儲備不足。

(2)邊坡發育多組陡傾節理裂隙，受工程開挖、降雨、地震等因素觸發，易產生淺層溜塌、楔形破壞或圓弧狀滑動，危及鐵路施工運維安全；坡腳開挖將大幅降低邊坡的穩定性，建議采用抗滑樁或樁板墻加固坡腳，并采用錨桿格梁進行坡面加固。

(3)水是導致工程邊坡失穩的關鍵因素，應充分重視防排水工作，除設置天溝截排地表水外，還應采取水平排水孔、滲溝等工程措施排除地下水，以利于邊坡的長期穩定。

(4)高陡巖質邊坡工程地質條件復雜多變，應充分利用綜合勘察成果，定性分析穩定性主要影響因素、穩定狀態及潛在破壞模式，基于破壞模式選取合理的定量計算方法檢算，合理地確定強度參數進而綜合評價其穩定性，并結合工程特點提出工程措施與建議。