公路巖質邊坡坡度設計及穩定性研究

摘要 為了公路保證巖質邊坡設計水平，文章分析了邊坡坡度確定原則和穩定性影響因素，探討了赤平投影法、Bishop法、不平衡推力法、數值分析法等在巖質邊坡穩定性分析中的應用原理。同時，以某山區公路三級邊坡為研究對象，分析計算了巖質邊坡的安全系數，研究成果僅供類似公路巖質邊坡穩定性分析和加固設計參考。

關鍵詞 公路；巖質邊坡；坡度；穩定性；理正巖土；降雨

中圖分類號 U416.14 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）07-0142-03

0 引言

隨著經濟發展和交通網的不斷完善，公路工程的建設規模越來越大，同時產生的各種邊坡失穩病害也越來越多。巖質邊坡一般是由地殼中的巖石及少量土體組成，其變形機理復雜，穩定性影響因素多，如巖層特性、結構面、地下水、降雨、工程開挖等。在巖質邊坡坡度設計和穩定性計算過程中，應針對上述因素采取相應的防治措施，以確保巖質邊坡在建設和運營期間的安全性。近年來，國內外很多學者利用現場監測、室內模型、理論計算等方法研究了公路巖質邊坡的受力變形規律。但是，設計人員在設計巖質邊坡時，對邊坡穩定性計算重視程度低，導致邊坡坡度和加固措施不合理[1]。因此，進一步研究公路巖質邊坡坡度設計及穩定性具有重要意義。

1 公路巖質邊坡坡度設計

巖石邊坡是在山體中開鑿而成的路基邊坡，其邊坡坡度一般是根據地質構造與巖石特性、地下水條件、邊坡高度及施工方法等確定，其中巖石的種類、風化程度、破碎程度及邊坡的高度是巖質邊坡坡度的決定性因素。

對于邊坡高度≤30 m、無外傾軟弱結構面的巖質邊坡，在確定邊坡坡度之前，需先判定邊坡巖體類型，隨后按《公路路基設計規范》（JTG D30—2015）確定邊坡坡度，如表1所示[2]。

對于邊坡高度＞30 m或有外傾軟弱結構面的巖質邊坡，邊坡坡率應根據邊坡穩定性計算結果確定。

2 公路巖質邊坡穩定性影響因素及計算方法

2.1 邊坡穩定性影響因素

邊坡穩定性通常與地形地貌、地質構造、巖體特性、巖石風化程度、水的作用、地震以及人類工程活動等因素相關。

2.1.1 巖層特性

不同巖體的物理力學性質存在很大差別，巖體的成因、結構構造、強度、巖石風化程度不同，其穩定性明顯不同。工程巖體可根據抗壓強度指標劃分為硬質巖和軟質巖。一般來說，硬質巖可形成數十或幾百米的陡立斜坡，整體穩定性較好，而沉積巖和變質巖等軟質巖，能形成的穩定斜坡高度低、坡度緩。但是，公路巖質邊坡所處區域一般是由兩種或兩種以上的巖土體組成，巖層組合形式不同，邊坡破壞形式也不同。

2.1.2 結構面

巖體的穩定性主要受結構面的力學性質控制。結構面的力學性質與結構面的成因、物質組成、連通性、平整度、發育程度以及與臨空面的組合關系等幾方面因素相關。結構面是巖體中的重要組成部分，包括層狀結構面和非層狀結構面，兩者對邊坡穩定性的影響機理不同。層狀結構面是指地質構造中垂直于地表面呈層狀排列的斷裂面或層面，會改變巖體內部的受力狀態，在不同巖層之間形成剪切面，并提供了排水通道，大幅提升了邊坡破壞的可能性；非層狀結構面是指地質構造中不呈層狀排列的節理或裂隙。相對于層狀結構面，非層狀結構面對邊坡穩定性的影響較小。但在工程設計中，仍需注意非層狀結構面對巖體抗剪強度的影響，采取合理的處置措施。

2.1.3 水

大量工程實例證實，大多數邊坡病害都與水（地下水、降雨等）有關。在降雨季節，滑坡事故一般較多，說明水是影響邊坡穩定性影響的重要因素。水對巖質邊坡的影響主要有兩方面：一方面，雨水滲入邊坡巖體內部，使其含水量和重度增加或地下水與邊坡巖體中的礦物成分發生各種物理力學反應，破壞巖體內部結構，使巖石內的聯結變弱，強度降低，本質上都是抗滑力減小和下滑力增大，對邊坡穩定性產生不利影響；另一方面，水在邊坡巖體內滲流產生動水壓力，從而增大邊坡下滑力。由于水對邊坡的影響是多方面的，因此在防治邊坡時首先應做好邊坡水的處理。

2.1.4 工程開挖

巖質邊坡在開挖之前，其內部應力處于平衡狀態，邊坡具有一定的自穩能力。但是，邊坡開挖后形成臨空面，沿結構面的最小主應力和最大主應力減小，邊坡巖體開始出現“應力松弛”現象，從而導致巖體節理裂隙繼續擴展，降低邊坡穩定性。如果邊坡位于古滑坡地段，尤其要重視其開挖方法和開挖順序，否則可能導致古滑坡復活。

2.2 邊坡穩定性分析方法

邊坡穩定性評價應采用定性分析及定量分析相結合的原則，巖質邊坡穩定性分析方法應結合邊坡類型、可能的破壞形式等因素選擇。定性分析常用方法有赤平投影分析法、工程類比法等。定量分析常用方法有極限平衡法、數值分析法等。常用巖質邊坡穩定性分析方法的原理闡述如下[3]。

2.2.1 赤平投影法

赤平投影法是目前巖質邊坡穩定性定性分析時最常用的方法。赤平投影法是以球體作為投影工具，先把物體的點、線、面等幾何要素投影于圓球面上，再以南極或北極為發射點將球面上的物體幾何要素投影于赤道平面上，如圖1所示。把物體三維空間的幾何要素（面、線）投影到平面上來研究，在分析巖體穩定性時，赤平投影圖能清晰反映巖層結構面的產狀及其空間組合關系、臨空面、邊坡面、工程作用力、巖體阻力及抗力、巖體變形滑移方向等。

巖質邊坡的滑動形式有平面滑動和楔形體滑動兩種，其中平面滑動的受力情況、結構面的空間分布等較簡單，楔形體滑動則要復雜很多。該文只對2組軟弱結構面切割巖體形成楔形滑體的情況進行分析，共三種工況[4]：

（1）結構面投影交點位于開挖邊坡和天然邊坡的另一側，結構面組合交線傾向坡內，此時邊坡穩定性最好。

（2）結構面投影交點位于開挖邊坡和天然邊坡的同側，但在開挖面以外，該種組合形式下邊坡較穩定。

（3）結構面投影交點位于開挖邊坡和天然邊坡之間，且結構面組合交線傾向坡外，說明結構面傾角比開挖邊坡面的傾角緩，比天然邊坡面傾角陡，邊坡穩定性最差。

2.2.2 簡化Bishop法

簡化Bishop法是極限平衡法的一種。它將滑坡體視為剛性體，按某一尺寸將其劃分為若干個條塊，并利用靜力平衡法計算每個條塊的傾覆力矩和抗傾覆力矩，見公式（1）：

（1）

式中，bi——第i個條塊的寬度（m）；ci——分別為第i個條塊的黏聚力；φi第i個條塊的摩擦角（°）；Wi——第i個條塊的重力（kN）；Qi—第i個條塊的豎向作用力（kN）；αi—第i個條塊的滑面傾角（°）；mαi—計算系數，無量綱。

2.2.3 不平衡推力法

不平衡推力法又稱傳遞系數法，其假定滑坡體各條塊間的推力方向與上一條塊的滑動面平行，只考慮各條塊的靜力平衡，不考慮力矩平衡。不平衡推力法使用范圍廣，可計算各種形狀滑動面的滑坡推力，同時計算結果對滑動面形狀也較敏感，當相鄰滑面與水平線的夾角變化幅度較大時，得到的安全系數偏大，會導致選擇的邊坡加固方案較激進。不平衡推力法計算邊坡安全系數可用式（2）：

（2）

式中，Ei——第i個條塊的剩余下滑力（kN）；WQi——第i個條塊的豎向作用力（kN）；li——第i個條塊的底面長度（m）；FS—邊坡安全系數；Ei?1——第i?1個條塊傳遞至第i個條塊的作用力（kN）；ψi?1——推力傳遞系數，無量綱。

2.2.4 數值分析法

對于變形復雜的巖質邊坡，比如邊坡剝落破壞、邊坡多種破壞模式組合等，可采用數值分析法對設計方案進行優化。目前，公路邊坡常用的數值分析法包括有限元法（Midas Gts、Abuqus、Ansys等）、離散元法（Udec、PFC等）、有限差分法（Flac2D、Flac3D等）。各種數值分析方法都能考慮邊坡巖體內的應力應變關系，避免了極限平衡法中一些不合理的假定，并可以在短時間的計算出多種工況下邊坡的安全系數，很大程度上提高了邊坡穩定性分析效率[5]。

3 公路巖質邊坡穩定性分析與計算

3.1 工程概況

某山區公路K5+280～K5+400挖方段，自然斜坡坡度約22～33°，形成路塹邊坡高度為22 m，路塹邊坡坡向為185°。坡體主要由第四系坡殘積層粉質黏土，下伏基巖為泥質砂巖，巖層產狀270°∠5°，層面可見泥質填充，結合一般，主要發育2組節理，產狀分別為110°∠82°、33°∠83°，節理面呈微張—密閉狀，未見填充物。

該邊坡巖體從上到下的組成成分如下：①粉質黏土，可塑狀，碎石含量約10%～15%，土層厚度約3 m，天然狀態的容重20.1 kN/m3、黏聚力24 kPa、內摩擦角12°；飽和狀態的容重20.5 kN/m3、黏聚力22 kPa、內摩擦角11°；②強風化泥質砂巖，巖層產狀近水平，節理裂隙極發育，巖體破碎，天然狀態的容重21.4 kN/m3、黏聚力20 kPa、內摩擦角24°，飽和狀態的容重22.0 kN/m3、黏聚力18 kPa、內摩擦角22°；③中風化泥質砂巖，巖層產狀近水平，節理裂隙發育，巖體較完整，天然狀態的容重23.0 kN/m3、黏聚力50 kPa、內摩擦角28°，飽和狀態的容重23.5 kN/m3、黏聚力45 kPa、內摩擦角26°。

設計采用臺階式放坡，設計邊坡平臺寬度2 m，一級邊坡高8 m，坡率為1∶0.75；二級邊坡高8 m，坡率為1∶0.75；三級邊坡高6 m，坡率為1∶1.0，未設計邊坡防護措施。施工開挖至設計高程后，受降雨影響，K5+280～K5+340段的路塹邊坡以坡腳為剪出口發生整體滑動，滑動方向近垂直于道路，后緣形成深約1.5 m的裂縫，塹坡坡面發育多條橫向裂縫，一級邊坡坡體被擠壓變形明顯。

3.2 邊坡穩定性分析與評價

3.2.1 建立邊坡計算模型

根據邊坡地質條件及坡體地層情況，坡體主要以強風化泥質砂巖為主，可視為類均質邊坡，建立邊坡穩定性分析的地質模型，如圖2所示。施工期間，部分路段邊坡已發生變形，通過邊坡的變形特征確定已有滑動面。該次采用簡化Bishop法自動搜索未變形路段邊坡的潛在滑動面，分析邊坡的整體穩定性；采用不平衡推力法，分析已變形路段邊坡沿滑裂面的穩定性。

3.2.2 邊坡穩定性計算結果

結合工程特征以及建立的地質模型，采用理正巖土軟件，分別采用簡化Bishop法以及不平衡推力法分析開挖邊坡在自然狀態下和降雨飽和狀態下搜索滑面與指定滑面的安全系數，用于評價邊坡的穩定性，計算結果如下。

從計算結果可知，該段邊坡開挖后在天然狀態下處于欠穩定狀態，在降雨飽和條件下處于不穩定狀態，應加強相應的支護措施。

3.3 邊坡支擋及防護建議

根據穩定性分析結果，該段路塹邊坡穩定性系數不滿足規范要求，局部路段邊坡已發生變形。因此，該文建議適當放緩邊坡坡率，第一、二級邊坡采用錨桿框架進行支護，第三級邊坡采用拱形骨架植草防護，錨桿長度依據巖土條件和滑裂面深度并通過計算確定[6]。

4 結論

該文主要研究了公路巖質邊坡坡率選擇、穩定性影響因素和分析方法，并依托某山區公路項目，分析計算了巖質邊坡的穩定性，得出以下結論：①巖質邊坡坡度應根據地質構造與巖石特性、地下水條件，邊坡高度、施工方法等確定，必要時需進行穩定性驗算。②巖質邊坡穩定性受地形地貌、巖層特性、結構面、水、工程開挖等因素影響，且多種因素是相互作用的。③公路巖質邊坡穩定性分析常用的有赤平投影法、簡化Bishop法、不平衡推力法、數值分析法等。④巖質邊坡的坡率設置、工程防護是一個系統性工程，邊坡坡率的設置欠合理，可能造成邊坡高度和防護工程規模增加、處治難度增大。

參考文獻

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[4]史彧， 李興華， 趙瑞欣， 等. 順層巖質邊坡錨索錨固參數與優化設計分析[J]. 公路， 2022（10）： 1-8.

[5]王海誠. 層狀巖質邊坡穩定性評價——以連云港市云臺山山嶺東端開挖邊坡為例[J]. 江西建材， 2022（9）： 136-138.

[6]李險峰. 某順層巖質邊坡開挖支護過程及其穩定性響應研究[J]. 長春工程學院學報（自然科學版）， 2022（2）： 11-16.