关于岩质边坡切向临空(层面外倾)破坏模式的探讨

柯　学

(重庆市高新工程勘察设计院有限公司 岩土分院，重庆 401121)



关于岩质边坡切向临空(层面外倾)破坏模式的探讨

柯学

(重庆市高新工程勘察设计院有限公司 岩土分院，重庆 401121)

摘要：从岩质边坡赤平投影图可知：当岩层倾向与边坡坡向呈切向时，边坡稳定性受岩层层面的影响小，但工程实践中却出现了多起岩质边坡切向临空(层面外倾)破坏的案例。需要对理论分析与工程实践截然相反的原因及切向临空(层面外倾)的破坏模式进行深入的讨论，以防止类似情况继续发生，否则它将威胁人员及财产安全。经过详实的现场调查与分析，确定切向临空(层面外倾)的破坏模式等同于顺向临空，产生顺向滑动失稳破坏，而不是沿边坡坡向滑动。提出排水、削方减重、支挡、改善滑动面(带)的岩土性质等治理方案，解除灾害安全隐患。

关键词：岩质边坡；切向临空；赤平投影图；破坏模式

0前言

近年来，发生了多起岩质边坡切向临空(层面外倾)破坏的案例，与传统赤平投影图分析[1]“岩层倾向与坡向斜交，边坡受层面影响小”的结论不太相符。尤其是部分切向临空(层面外倾)且不受其他结构面控制的岩质边坡易被忽视，未采取有效的支护措施，在工程施工过程中或投入使用后失稳，造成了直接经济损失甚至人员伤亡，具有一定危害性。为了防止人民生命财产安全和城镇基础设施的安全继续受到威胁，查清边坡失稳破坏的模式并提供合理的治理方案迫在眉睫。

1某市马戏城边坡失稳分析

1.1工程概况

项目位于弹子石组团A标准分区，A10-7/03地块，北临南滨路，面对长江，紧邻大佛寺文物保护区及大佛寺大桥。马戏城施工开挖后，主表演馆基坑边坡及南侧马戏城环道边坡处出现楔形体状垮塌(如图1)。垮塌可见2处(如图2～3)，一处位于已开挖的主表演馆基坑边坡处，方量约为50 m3；一处位于后部拟建马戏城环道边坡处，方量约为120 m3，是垮塌后的残留体。垮塌导致地面土层出现较多的裂缝，变形区域总体方量约为700 m3(以垮塌当日情况计量)。

图1　边坡楔形体破坏示意图

图2　场地平面图

图3　边坡滑塌示意图

1.2地质环境条件

场地属构造剥蚀丘陵地貌，整体东南高西北低，南滨路西南侧地形平缓，坡度一般为5～8°，地形标高从在建主表演馆向东南侧逐渐抬高，总体坡度为15°～28°，局部因建设开挖形成高约4～9 m的陡坎。区内上覆地层为第四系填土层及残坡积层，最大厚度≤3.0 m。下伏基岩为侏罗系中统沙溪庙组砂岩及泥岩互层。属金鳌寺向斜东北翼，岩层产状：282°∠25°，发育3组构造裂隙。L1：14°∠72°，间距0.5～4.50 m，走向延伸大于10 m，微张，裂缝宽1～3 mm，无充填，裂面较平直，结合程度差，

压扭性裂

隙，属硬性结构面。L2：205°∠85°，间距2～10.0 m，走向延伸5～8 m，微张，裂缝宽1～3 mm，偶见泥质充填，裂面较平直，结合程度差，压扭性裂隙，属硬性结构面。L3：120°∠65°，间距2～10.0 m，走向延伸2～4 m，微张，裂缝宽2～5 mm，常有砂、泥质充填，裂面较平直，结合程度差，压扭性裂隙，属硬性结构面。泥岩中层面稍发育，结合程度差；砂岩中层面稍发育，结合程度好；泥岩与砂岩相互交界处层面较发育，多为闭合、局部微张，层面结合程度差。地下水类型主要为第四系孔隙水和基岩裂隙水。孔隙水：赋存于结构松散—中密、透水性强的填土中，多形成上层滞水。基岩裂隙水：赋存于强风化带风化裂隙中，区内强风化带总体较薄。地下水随季节变化明显，受大气降雨的补给，沿斜坡坡脚散流形式而排泄入地势低洼地带。

1.3破坏模式

AB段边坡坡向312°～12°，坡角90°，与岩层倾向斜交，为切向坡且切向临空(层面外倾) (如图4)。由图5分析：层面②与边坡①斜交，裂隙③、④均与边坡①斜交，裂隙⑤与边坡①逆向，故边坡稳定性受层面和裂隙的影响小，而主要受岩石强度影响，边坡稳定。

BC段边坡坡向252°～312°，坡角90°，与岩层倾向相同，为顺向坡(如图6)；由图7分析：层面②与边坡①顺向，裂隙③、④均与边坡①斜交，裂隙⑤与边坡①逆向，⑥、⑦、⑨交线均与边坡①顺向，故边坡稳定性受⑥、⑦、⑨交线和层面②影响大，边坡在暴雨或其他不利工况下，易⑥、⑦、⑨交线和层面②产生局部楔形体、滑移、崩塌破坏，甚至沿层面整体滑动。

图6　剖面图2

CD段边坡坡向192°～252°，坡角90°，与岩层倾向斜交，为切向坡且切向临空(层面外倾)。由图8分析：层面②与边坡①斜交，裂隙③与边坡①逆向，裂隙④与边坡①顺向，裂隙⑤与边坡①斜交，⑧交线与边坡①顺向，但裂隙④倾角85°为陡倾裂隙、⑧交线倾角7°较缓，故边坡稳定性受层面和裂隙的影响小，而主要受岩石强度影响，边坡稳定。

图8　CD段边坡赤平投影图

AD段边坡坡向282°，与岩层倾向重合，为顺向坡。由图9可知：滑塌后缘GH仅与坡高AA’及岩层倾角有关，与边坡形状无关。圆弧形边坡ABCD与直线形边坡AD的破坏模式相同。即切向临空(层面外倾)的AB段和CD段、顺向临空的BC段边坡均为顺层滑动，滑动面为层面，而不是沿边坡坡向滑移。此结论与传统的赤平投影分析相差甚远。

图9　破坏模式分析图

综合以上2种分析：AB段、BC段、CD段、AD段边坡中⑥、⑦、⑨交线及层面②均为外倾临空，极易产生局部楔形体、滑移、崩塌破坏，甚至沿层面整体滑动。

通过地表半仪器法工程地质测绘证实：与AB段同向的边坡发生变形破坏(如图1)的就是切向临空(⑥、⑦、⑨交线及层面②均外倾)组合形成的楔形体产生了顺层滑移，形成滑塌范围2(如图2～3)。与BC段同向的边坡破坏后形成滑塌范围1(如图2～3)。工程实践中往往也容易忽视切向临空的不利影响。预测滑塌范围时，剖面方向应与滑动方向一致，不沿边坡坡向，否则会产生一定的偏差。

2某道路边坡失稳分析

2.1工程概况

项目位于石子山立交西北侧，靠近金科十年城，与盘溪路相交。道路含3条城市支路，双向两车道，分别为1号路、2号路、3号路。2号路K0+490～K0+513 m开挖道路及右幅排水沟时，右侧边坡发生了垮塌，方量约为65 m3(如图10～11所示)。

图10　边坡破坏示意图

图11　场地平面图

2.2地质环境条件

场地属剥蚀浅丘斜坡地貌，整体西高东低，总体地形坡角5°～58°，局部人工开挖形成的陡坎及陡坡地段达75°～80°。区内上覆地层为第四系填土层、下更新统卵石土及残坡积层等，最大厚度11.10 m。下伏基岩为侏罗系中统沙溪庙组泥岩、粉砂岩及砂岩。属龙王洞背斜北西翼，岩层产状：300°∠15°，构造裂隙L1：142°∠74°，裂面平直很光滑，大部分无充填物，局部偶有泥化夹层充填，裂面宽2～10 mm，一般裂隙间距0.8～2. 5 m，延伸1～4 m，结合极差(泥化层)，属软弱结构面；L2：210°∠85°，裂面平直很光滑，局部有泥化夹层充填，裂隙宽5～14 mm，一般裂隙间距0.5～3.0 m，延伸1～3 m，结合极差(泥化层)，属软弱结构面；L3：25°∠87°，裂面平直很光滑，局部有泥化夹层充填，裂隙宽4～12 mm，一般裂隙间距0.7～1.2 m， 延伸1～2.5 m，结合极差(泥化层)，属软弱结构面。泥化夹层：为灰白色黏土，含有大量的蒙脱石、伊利石、高岭石等黏土成分[2]，呈可塑—软塑状，粘手，很光滑，非常细腻，如镜面，韧性较好，有蜡质光泽，透水性较差；干硬时强度高，坚硬不易挖掘、不易压实[3]；毛细现象明显，吸水后能长时间保持水分，故吸水后承载力小、稳定性差[4]；具有较大的可塑性、弱膨胀性和黏性。层间裂隙局部较为发育，裂面较平直，可见褐色铁锰质氧化膜浸染和少量的泥化夹层充填，裂面结合程度极差，属软弱结构面。泥岩、粉砂岩、砂岩中层面稍发育；泥岩与砂岩相互交界处层面较发育，多为闭合、局部微张，2号路K0+480～K0+513 m右侧边坡附近张开10～28 mm，充填泥化夹层。地下水类型：孔隙水：赋存于填土中，多形成上层滞水。基岩裂隙水：赋存于强风化带风化裂隙中，在雨季或雨季后期水位变化对基岩面土体物理力学性质影响较大，具体表现在裂隙充水后裂面抗剪强度降低、特别是填充了黏性土的裂隙。地下水受大气降雨的补给，排泄入地势低洼地带。

2.3破坏模式

2号路K0+480～K0+513 m右侧边坡坡向238°～268°，坡角90°，与岩层倾向斜交，为切向坡且切向临空(层面外倾)(如图12)，岩性为上部泥岩下部砂岩，且泥岩与砂岩之间有10～28 mm的泥化夹层。由图13分析：层面②与边坡①斜交，裂隙③、④均与边坡①斜交，裂隙⑤与边坡①逆向，⑥交线与边坡①同向，但其倾角5°，较缓，故边坡稳定性受层面和裂隙的影响小，主要受岩石强度影响，边坡稳定。

图12剖面图1

图13赤平投影图

边坡切向临空(层面外倾)若沿坡向246°滑动，从图12可知，视倾角为8°57′，较小，易误导人认为边坡不受层面控制，但实际上切向临空(层面外倾)后沿层面滑动，角度15°。泥岩与砂岩之间的泥化夹层成为理想的滑面，边坡下部第一块临空的岩体先行滑动，使原本充填有泥化层的裂隙结构面张开度急剧增加，进一步形成张拉裂缝，而后边坡中、上部因下部滑动而失去支撑也跟着发生第二、三块滑动，运移形式类似于牵引式滑坡[5]，即下部先滑，使上部失去支撑而变形滑动。一般速度较慢，多具上小下大的塔式外貌，横向张性裂隙发育，表面多呈阶梯状或陡坎状[6]。

3治理方案

1)清除边坡表层土体，根据需要开展应急专业变形监测。

2)排水：设置截水沟和排水明沟系统，并采取防水措施，遇降雨时避免雨水灌入构造裂隙或岩层层间裂隙导致结构面软化。

3)削方减重：削减坡度角或降低坡高，以减轻边坡不稳定部位的重量，从而减少边坡上部的下滑力，顺层滑坡应沿层面进行放坡，尤其软弱夹层不能临空。

4)支挡：在边坡下部修筑挡土墙、抗滑桩或用锚杆加固等工程以增加抗滑力。

5)改善滑动面(带)的岩土性质：采用固结灌浆，以增加坡体强度[7]；此法对软弱夹层的适宜性差。

4切向坡分析方法

1)切向坡即坡向与岩层倾向夹角30°～150°的边坡。应细分为坡向与岩层倾向夹角30°～90°的切向临空(层面外倾)边坡、坡向与岩层倾向夹角90°～150°的切向不临空(层面内倾)边坡。

2)切向临空(层面外倾)的破坏模式为顺层滑动，不是沿边坡坡向滑移，应对传统的赤平投影分析进行补充完善。

3)当剖面方向与边坡坡向相同且切向临空(层面外倾)时，易误以为沿视倾角滑动，而视倾角小于真倾角，尤其视倾角较小且不受其他结构面控制时，将可能失稳的边坡视为稳定的，最终酿成工程事故。

5结语

1)应重视顺向临空(顺坡岩层或裂隙面临空)、切向临空(层面外倾或其余外倾软弱结构面临空)、逆向临空(一组或多组外倾软弱结构面临空)。

2)软弱夹层：可能诱发近水平层状滑坡，沿缓倾岩层或裂隙滑动，滑动面倾角≤10°。

3)含两组结构面的边坡深层滑动问题：当两组结构面及其交线均外倾且交线倾角小于坡角时，则形成对边坡稳定非常不利的形状结构体。此时两组结构面的交线已在边坡临空面出露，当其他条件具备时，分离体即沿交线下滑面形成滑坡或崩塌。

4)含三组结构面的边坡失稳：当岩层顺向临空且两组裂隙交线临空，极易发生楔形体破坏及大规模滑移，如前述某市马戏城BC段边坡。

5)避免开挖坡脚(易引发牵引式滑坡)或在边坡中上部(尤其塌滑区)人工填堤、堆料加载、修筑建筑物(易形成推动式滑坡，引起边坡整体向下滑动[5])。

参考文献

[1] 毛健全，杨国桢，顾悦. 地质构造分析的赤平极射投影方法[M].贵阳:贵州人民出版社，1981:53-56.

[2] 董遵德，袁澄文.岩体软弱夹层现场慢剪切试验研究[J].岩石力学与工程学报，1994，13(2)：149-159.

[3] 刘小丽，周德培.有软弱夹层岩体边坡的稳定性评价[J].西南交通大学学报，2002，37(4)：382-386.

[4] 许宝田，阎长虹，陈汉永，等.边坡岩体软弱夹层力学特性试验研究[J].岩土力学，2008，29(11)：3077-3081.

[5] 郑颖人，陈祖煜，王恭先，等. 边坡与滑坡工程治理[M].北京:人民交通出版社，2007:64-68.

[6] 中华人民共和国国土资源部.DZ/T0219-2006 滑坡防治工程设计与施工技术规范[S].北京：中国标准出版社，2006.

[7] 石振明，孔宪立.工程地质学[M].2版.北京:中国建筑工业出版社，2011:158-160.

The Discussion on Failure Modes of Tangential and Exposed Rock Slope (Out-dip Level)

KE Xue

(GeotechnicalBranch,ChongqingCityHigh-techEngineeringSurveyandDesignInstituteCo.,Ltd.,Chongqing401121,China)

Abstract：The rock slope stereographic projection figure shows: when the inclined direction of rock stratum and slope aspect is in tangential, slope stability is less affected by rock layer. However, in practice there were a lot of tangential and exposed rock slope (out-dip level) damage cases. The diametrically opposite reason from theoretical analysis and engineering practice, and the failure mode of the tangential and exposed rock slope (out-dip level) need further discussion in order to prevent a similar situation continue, otherwise it will threaten personnel and property safety. Through the detailed field investigation and analysis, the failure modes of tangential and exposed rock slope (out-dip level) is equivalent to bedding slope, generating consequent slide instability destruction, instead of sliding along the slope aspect. The drainage, reduce the volume and weight, retaining and improving the sliding surface (zone) the geotechnical properties and other governance programs have been proposed, and the disaster safety hazards have been relieved.

Key words：rock slope; tangential and exposed; stereographic projection; failure modes

文献标志码：A

文章编号：1009-8984(2016)01-0092-06

中图分类号：P64

作者简介：柯学(1985-)，女(汉)，重庆璧山，工程师

收稿日期：2015-11-24

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.04.021

主要研究岩土及地质灾害防治。