某山区公路岩质岸坡变形破坏模式及自稳性分析

李文强，孙雅洁，李宏涛

(山西省交通规划勘察设计院)

该山区公路位于湖北省境内，北起巴东县南接鹤峰县，是一条重要二级公路，也是恩施州东北部地区重要的经济联络线。研究区边坡属于该二级公路沿线15 个重大地质灾害点之一。该段边坡紧邻公路，边坡高陡，发育多组优势结构面，岩体表层较为破碎，严重威胁到公路和行车安全，为防止边坡地质灾害的发生，需对该边坡岩体物理参数及结构特征进行深入细致的分析，判定其可能的变形破坏模式，据此对边坡稳定性进行科学的评价，以确定边坡主要病害，并提出针对性的防护措施建议。因此，研究工程区边坡的变形破坏模式和稳定性具有重要的工程意义。

1 工程地质背景

1.1 地形地貌

工程区属于侵蚀构造低中山区，NNE 向延伸的褶皱线形山体，山顶最高海拔约1 051 m，与其下部河流相对高差约288 m。该段公路走向283°～314°，坡向13°～44°，边坡最大坡高约50 m，平均坡高45 m。公路距下部河面高差约60～70 m，该段河谷走向160°～180°，与区域构造线方向近垂直，河流不断侵蚀下切形成深“V”型峡谷地貌，边坡陡峻。

1.2 地层岩性

该段地层岩性为三叠系下统嘉陵江组三段(T1j3)，赤褐、灰褐色薄层～极薄层灰岩，顶部发育灰白色中厚层微晶白云岩。边坡表层岩体节理裂隙发育，风化破碎，其中尤以极薄层灰岩遭受风化作用更强烈，表部往往形成灰白、灰黄色钙质结核和灰黑色铁锰质薄膜。

1.3 地质构造

边坡位于鹤峰向斜核部，岩体受挤压作用较为明显，在褶皱弯滑作用下，岩体层间错动形成的旋转剪节理和环状剪节理，局部沿贯通的节理面错动形成伴生小断层，在极薄层灰岩中，岩体具有一定的韧性，发生层间差异性滑动易形成从属小褶皱。

据现场调查，工程区边坡共发育四组优势结构面，结构面产状如下:层面:130°～145° ＜45°～60°，节理j1:55°～60°＜80°～84°，节理j2:202°～230° ＜55°～70°，节理j3:295°～300° ＜35°～40°，卸荷裂隙随机发育，主要沿原生节理j3 扩展，其中节理j1、j3为共轭剪节理。

2 边坡基本特征

2.1 边坡结构特征

该段边坡走向283°～314°，坡向13°～44°，岩层产状整体上为130°～142° ＜45°～60°，主要为横～切向坡。根据岩质边坡失稳判断简表(表1)可初步判断该段边坡整体稳定性为较好，不易产生边坡整体性失稳破坏，但由于受多组结构面切割，边坡局部岩体稳定性较差。见表1。

表1 岩质边坡失稳判断简表

2.2 边坡变形破坏特征

通过现场调查，该段边坡主要存在两种变形破坏特征，分别如下:

(1)危石、岩块坠落、滑落

该段边坡高陡，坠落(碎落)为岩体表层松动卸荷带和危石(群)主要的破坏方式。其特征均为下部临空，受不利结构面组合切割，沿卸荷裂隙或中倾坡外节理，剪断锁固段，从而失稳破坏。

岩体表层松动卸荷带，为该段边坡的主要病害类型之一，松动卸荷带的岩体受陡倾坡外的节理j1和中倾坡外的节理j3或中陡倾坡外的卸荷裂隙的密集切割，呈层状碎裂结构，为地下水提供了流通和赋存的空间，加速了表体岩体矿物的风化和结构面的扩展、贯通，局部岩体极易沿贯通的结构面失稳破坏。而表层被切割形成的片状块体(图4)，极易发生碎落破坏。表层岩块失稳崩落后，使内部岩体暴露，往往又加速其风化过程，这是该段松动卸荷带的特征之一。

(2)弯曲—拉裂变形破坏

由于坡脚修路开挖，边坡表部应力重分布，在边坡浅表层发生卸荷回弹变形。特别是沿中倾坡外节理产生的差异卸荷回弹变形比较明显，导致结构面的剪切应力集中，剪应变增大。同时，卸荷变形使得浅表部岩体沿陡倾坡外的节理产生拉张破裂，且由于前缘修路开挖坡率较高，岩体下部临空，板梁弯曲形成弯曲－拉裂变形。随着弯曲变形的进一步发展，缓倾坡外的结构面向深部扩展，并产生新的表生结构面，为地下水入渗提供了良好的通道，使得结构面的强度进一步降低。在自重应力的长期作用下，岩体弯曲—拉裂变形加强，结构面逐渐连通，板梁根部剪断，进而转变为滑移－拉裂的复合变形模式。最终，当在暴雨、振动荷载等外因诱发下，锁固段剪断，变形体与母岩脱离，沿贯通的结构面进而发生整体滑移式破坏。

此弯曲—拉裂变形体被结构面切割成规模不等的块体，形成危岩体、危石(群)，甚至个别块体前缘临空，处于极限平衡状态，极易失稳崩落。

3 边坡变形破坏模式分析

(1)与变形失稳机理相结合;(2)与防治措施相对应。现场调查主要是查明潜在危岩体的具体位置，几何特征、结构特征及边界条件等形态参数。因此，最可行的分类方式应该是根据几何特征、岩体结构特征、临空条件、边界结构面特别是后缘主控结构面方位、组合关系和特性的危岩体结构状态分类。在结构状态分类体系下，危岩体的类型一旦确定，其可能的变形失稳机理也就基本确定了，进而也就可以很方便的为危岩体的稳定性评价和防治提供可靠的依据。

根据危岩体岩性组合情况及已有的破坏现象，结合其他不利结构面的组合情况，并考虑到坡面上的岩体松动情况和破坏特征，经综合分析，初步判断该边坡的变形破坏模式为滑移式和倾倒式。

滑移式:陡倾坡外岩层在强烈卸荷过程中，层面被拉开，产生张拉裂缝，后期的重力及渐进性风化作用促使裂缝扩张，岩体松驰，岩体力学性质降低，成为潜在滑面。当滑移面向临空方向倾角足以使上覆岩体的下滑力超过该结构面的实际抗滑力时，后缘拉裂面贯通，迅速滑落。其发育条件为:①纵向谷，顺层坡，前缘有临空面;②危岩体后缘主控结构面中—缓倾坡外。

倾倒式:危岩体是指后缘存在陡倾或反倾结构面的板状岩体，陡倾或反倾结构面有一定的张开，形成的不稳定或欠稳定的岩体。

这种类型危岩体主要出现在临空面陡峻，甚至呈反坡状，岩层呈直立状，层厚较薄或者陡倾坡内、坡外结构面非常发育的部位。

伴随强烈的卸荷作用，后缘陡倾结构面张开，在自重、水压力和震动荷载等作用下，岩体向临空方向发生较强烈的倾倒变形，直至失稳，完全脱离母岩，造成危岩体灾害。

4 边坡稳定性分析

(1)定性评价

通过野外调查，并结合危岩体的几何特征、诱因、变形破坏形式等对危岩进行稳定性初步分析，详见表2 所示。其中，WY1，受不利结构面组合切割处于半切割状，然而后壁与母岩未完全贯通，稳定性为较差;而WY2 被结构面半切割的危岩，且下部临空，板梁根部易拉裂贯通而失稳破坏，故稳定性为差。见表2。

(2)定量计算

采用静力学解析法，建立在塑性极限平衡概念基础上，以库仑强度准则进行静定问题求解，对于超静定问题则采用假定法消去多余的未知数使之转化为静定问题。针对已有界面，进行整体力矩平衡或力的平衡计算，以其比值作为稳定性系数来表示其稳定性，结果统计见表3。

表3 危岩体稳定性计算结果统计表

由表2 和表3 可知，定性与定量评价的结果基本一致，综合判定危岩体WY1 稳定性为较差，WY2 为差。建议对局部表层破碎岩体进行清除，并挂主动防护网。

5 结 论

(1)通过调查分析，工程区地质环境背景有利于地质灾害的孕育和发育，根据边坡结构类型、地层岩性、地质构造等工程地质条件，该段边坡不具备发生大规模整体变形破坏的条件，研究区边坡主要发育两处危岩体，方量不大，其中WY1 变形破坏模式主要为滑移式，WY2 为倾倒式。

(2)采用工程地质分析法和静力学解析法综合进行边坡稳定性评价，得出WY1 稳定性为较差，WY2 为差，严重威胁到道路和行车安全，应当及时采取治理措施，建议采用挂主动防护网+局部清除的治理措施。

［1］赵建军，公路边坡稳定性快速评价方法及应用研究［D］.成都:成都理工大学博士学位论文，2007.

［2］李振团，石豫川，谢道在.湖北省巴鹤公路K169 +000～K169+200 边坡稳定性及病害分析［J］.成都大学学报(自然科学版)，2012，31 (4):392－03.

［3］李良杰，刘旭红.变质板岩高边坡施工稳定性分析［J］.公路，2012，56(11):137－05.

［4］罗陵，刘层林.公路边坡稳定性快速评价研究［J］.公路，2012，56(11):156－06.