深路堑边坡稳定性分析及防护对策研究

赵守良 吕 超 赵 鹏 曹集士

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550081)

贵州地貌属于中国西南部高原山地,境内山峦重叠，地质环境薄弱，在高速公路的建设中常形成稳定性差，结构复杂的高边坡，危及公路运营安全[1]。

路堑高边坡的失稳主要是由于开挖卸荷作用诱发岩体应力场急剧调整，岩土体逐渐屈服变形，进而产生不同的边坡破坏模式。王浩等[2]结合双永高速某超高路堑边坡案例，采用边坡稳定度反分析思路、强度折减法和有限元仿真技术解释了高边坡开挖卸荷松弛的力学机理；张社荣等[3]基于极限平衡法和有限元强度折减法，揭示了多层软弱夹层边坡变形破坏规律与岩层倾角、边坡坡脚及结构面间距之间的关系。蒲德洪等[4-5]基于竖直条分法，分析了不同工况下山区某高边坡稳定性，提出了防护方案；蒋永生[6]结合野外勘察及位移监测曲线，概括了边坡失稳三大特征。

1 工程概况

1.1 地形地貌特征

项目区地处贵州高原东部斜坡地带。本文研究边坡位于黄平高速三施段镇远县金堡镇羊满哨村，起终桩号为K18+600-K18+900，拟按1∶1坡率开挖边坡，最大高度59.87 m。路段横跨一单斜山脊，场区附近海拔836～970 m，相对高差134 m，地貌类型为构造侵蚀-溶蚀型低山地貌。

1.2 工程地质条件

经地质调绘与钻孔揭露，该段边坡局部地表基岩裸露，上覆土层为含碎石粉质黏土，厚0～7 m，下伏基岩为寒武系下统杷榔组(∈1p)泥岩夹粉砂岩，强风化层厚8～14 m，节理裂隙发育～很发育，岩体破碎～极破碎，属软质岩。

路段左侧110～180 m处发育断层F1、F2，均为逆断层。F1综合走向为北东—南西向，断层面产状约160°∠75°。F2走向近东西向，断层面产状约330°～350°∠75°。断层带岩体破碎，附近岩层产状凌乱。路段位于断层F2上盘，岩层产状280°～320°∠12°～22°。F1断层距开挖边坡较远，对边坡影响较小，F2断层距边坡左侧开挖边界最近约25 m，在边坡防护设计时需稍加考虑。

受构造作用影响，岩体节理裂隙较发育。经现场揭露，主要的2组节理为L1：215～235°∠85°，L2：120°～140°∠75°～85°，节理间距50～200 mm。中风化层内节理面较为平滑，多呈闭合状；强风化层中节理裂隙多呈张开状，局部见黏土及碎石充填，无胶结、结合差，岩体被节理裂隙切割成碎块、碎石状。

场区地下水埋藏较深，钻孔未揭露。因此本文中未考虑地下水作用。

将本段地层构造信息适当简化，拟开挖边坡按1∶1坡率放坡，每级边坡高10 m，平台宽2 m，绘制开挖坡面线，最后建立如图1所示工程地质模型，作为分析及设计的重要依据。

图1 K18+700典型剖面工程地质模型图

2 边坡稳定性分析

2.1 潜在滑面分析

在边坡稳定性分析中，一个关键要素就是确定边坡的潜在滑动面。边坡潜在滑动面的形式和确定方法随边坡结构形式不同而不同。一般来说，边坡破坏模式可归纳为：崩塌破坏、平移滑动破坏、楔形破坏、倾倒破坏和圆弧破坏等模式。圆弧滑动是软弱均质岩层常见的一种边坡破坏模式，本文所研究边坡地层可简要划分为2层，即上覆的含碎石粉质黏土层；下伏的泥岩夹粉砂岩层，整体岩体较为破碎，岩质软。在边坡开挖过程中，新鲜岩体直接暴露在空气中，很容易发生风化崩解、软化，岩体结构进一步破坏形成类均质岩。因此对坡体按均质岩分析，应用简化Bishop法搜索潜在最危险滑动面，得到如图1所示主滑动面①。根据现场地质调查及钻孔揭露，在拟开挖边坡后缘约25 m左右存在一逆断层F2，受构造作用影响，断层附近岩体有明显错动现象且裂隙较为发育，故推断边坡极可能从断层位置滑出。另外，根据工程经验及类比法，类均质软岩滑坡后缘一般位于开挖坡顶位置后方20～30 m范围内，本文取最大位置30 m进行分析。经钻孔揭露，区内岩体倾角12°～22°，与坡面倾向相同，岩性为泥岩夹粉砂岩,边坡属缓倾切向-顺层坡，所以滑面极易沿层面软弱夹层方向形成。故经以上分析，确定图1中潜在滑动面②、③。

2.2 赤平投影分析

研究边坡按设计坡比1∶1放坡后，最大高度60 m，为6级坡，线路走向246°，开挖坡向336°。如图1所示，本段边坡主要结构面岩层产状为310°∠20°，发育的2组主要节理L1，L2产状分别为215°∠85°和130°∠75°，经数据分析作图2所示赤平投影图。

图2 赤平投影图

边坡为切向-顺向坡，覆盖层厚度局部较大，强风化层岩体破碎，层面与L1组合交线与开挖坡面斜交，倾向坡外，倾角小于开挖坡角，开挖后易产生顺层滑动，滑塌。L1和L2组合交线陡倾坡外，倾角大于开挖坡角，开挖后易产生崩塌、滑坍。所以有必要从赤平投影上分析边坡防护。

2.3 岩土物理力学参数评估

岩土物理力学参数的确定一直是边坡分析计算的难点，现今多采用室内试验、工程经验与反算分析相结合的方法。对于下伏基岩，其对边坡分析结果影响较小，直接调用现场勘察资料确定其物理力学参数。对于上覆含碎石粉质黏土及潜在滑动带，主要依据室内试验及有关规范、经验提供的参数取值区间，用反分析法推算其强度参数，反分析求解过程基于传递系数法，先假定稳定系数Fs已知，值为1，即边坡恰处于极限平衡状态，分别反算不同c值条件下的φ值，在边坡范围内选取2处最不利断面，联立2处滑坡体极限平衡方程，得出反分析法下的土体力学参数。其中滑带土参数确定时，考虑到滑面延伸至中风化层，并结合分析结果、规范及经验得出其力学参数比强风化层稍强。最后结合各参考资料、试验及计算分析，综合确定表1、表2所示主要分析计算参数。

表1 剩余下滑力计算基本参数

表2 岩土主要物理力学参数表

2.4 剩余下滑力计算分析

计算采用传递系数法，结合理正岩土计算软件，计算结果如表3所示，绘制剩余下滑力与滑坡几何参数的关系曲线、剩余下滑力随滑坡后缘距离变化的曲线。见图3、图4。

表3 不同滑面结果比较表

图3 剩余下滑力与滑坡几何参数的关系曲线

图4 剩余下滑力随滑坡后缘距离变化的曲线

由表3可见，滑面①所形成的滑坡体无论从宽度或是高度上均大于滑面②、③所形成的滑坡体，滑坡剪出口位于坡脚位置，剩余下滑力达到了3 909.6 kN/m，而滑面②、③的滑坡剪出口位置均位于边坡中-下区域，剩余下滑力分别达到了2 887.7 kN/m，3 412.9 kN/m。

图3揭示了3种潜在滑面下，滑坡体几何参数与剩余下滑力之间的关系，2条曲线近似重叠，可近似作为1条滑坡体几何体积与剩余下滑力的关系曲线考虑，从图3中可明显看出滑坡剪出口的剩余下滑力是随其几何体积的增大而增大的，滑面①是从坡脚至坡顶位置全部贯通，滑坡体体积最大，随之坡脚处的剩余下滑力也最大，这也证实了传递系数法的本质是下滑力是自上而下靠岩土体自重传递的，与滑坡体的体积有很大关系。

由图4可见，无论是在滑面①、滑面②或者滑面③条件下，剩余下滑力随着距滑坡后缘距离的增大均呈先增大后逐渐变缓的趋势，峰值大约出现在距滑坡剪出口后方20 m处，大小分别在4 000，3 000，3 500 kN/m左右。滑面②、③是在拟开挖边坡的第三级剪出，分析滑面①第三级平台处的下滑力约为3 160 kN/m，所以综合考虑在第三级平台设计抗滑措施是十分必要的，另外滑面①坡脚处下滑力最大为3 909.6 kN/m，需在坡脚设计二级抗滑措施进行防护。

3 边坡防护对策研究

经以上分析，此边坡的治理应着重放在以下方面。

1) 本段边坡主要岩性为泥岩夹粉砂岩，岩体节理裂隙很发育，岩体破碎，结构面结合差。受F2断层与L1，L2主要节理影响，两者之间所夹的区域岩体较为破碎，形成岩体破碎带，如图1所示，在滑面分析时将其考虑为均质破碎体，易产生圆弧滑动，与L1，L2相交于第三级边坡附近，并且经下滑力计算，①、②、③ 3种滑面在第三级坡顶处的剩余下滑力分别为3 305.8，3 047.6，3 552.5 kN/m，数值较大。综合分析，需在第三级边坡处设一级抗滑支挡。

2) L1，L2节理将边坡进行了切割，左右两侧的岩体产状发生了明显变化(见图1)，左侧岩体相对边坡切向分布，岩性破碎，考虑为均质圆弧滑动。右侧岩体倾向与边坡倾向相同，倾角小于坡脚，另外由于岩体较软并夹有泥岩层，故岩体会沿层面顺层滑动或沿层面圆弧滑动，结合滑面①条件下坡脚处的剩余下滑力为3 909.6 kN/m，在第三级处设置支挡后坡脚仍有较大下滑力剩余，所以需在坡脚处设二级抗滑支挡。

3) 本段边坡节理裂隙较为发育，为避免节理结构面处出现较大滑裂面，可对类似L1、L2这种较为主要的节理裂隙面进行注浆处理，一方面水泥浆液在节理裂隙中有效扩散，将碎裂岩体连为整体，可提高边坡稳定性。另一方面注浆后可有效封堵原有的导水通道，消除水渗入造成的隐患。

4) 由于边坡区岩体为泥岩，其开挖暴露后风化迅速，其遇水极易软化，边坡施工开挖后应及时进行坡面封闭、加固，避免长时间曝晒，从而导致其失稳。

据此，防护方案设计综合治理措施见图5。

本段路基设计为七级坡：第一级采用悬臂8 m抗滑桩；第二、三级坡率均为1∶1，第三级平台设置全埋式抗滑桩，第四、五、六、七级坡率均为1∶1，坡高10 m，坡面采用框架锚索和框架植草进行防护；对边坡体上较为发育，存在安全隐患的岩体裂隙进行注浆处理，防止降雨条件下较大滑裂面的出现；边坡开挖前应先做好场区临时排水系统；开挖过程中如发现坡面有地下水渗出，应及时设置排水措施将其引出，避免其对坡体产生浸泡，导致坡体失稳。

图5 防护方案设计图(单位：m)

4 结语

本文以三施高速某深路堑边坡为工程背景，得到的成果主要如下。

1) 运用简化Bishop法、理论分析及工程经验法分析了切向-顺层软质岩边坡的破坏模式，并结合构造特征得出了边坡的3种潜在滑移面。

2) 结合赤平投影分析，对边坡稳定性进行了评价，得出边坡易产生顺层滑动，节理交线处易垮塌的结论。

3) 通过边坡剩余下滑力计算，分析了边坡各处剩余下滑力与距滑坡后缘距离之间的关系及3种滑面下的滑坡几何体积与剪出口剩余下滑力之间的关系。

4) 在以上分析基础上，对边坡防护方案的设计进行了分析研究，并提出了有效的防护对策。

[1] 熊文林,郭锐.鄂西高速公路望城高边坡稳定性研究[J].交通科技,2017(1):34-36.

[2] 王浩,王晓东,泮俊.超高路堑边坡治理工程案例研究I:边坡失稳机制模拟分析[J].岩石力学与工程学报,2017,36(4):899-909.

[3] 张社荣,谭尧升,王超,等.多层软弱夹层边坡岩体破坏机制与稳定性研究[J].岩土力学,2014,35(6):1695-1702.

[4] 蒲德红,杨伟,翟文光.山区公路深路堑边坡稳定性分析[J].湖南交通科技,2016,42(3):15-17.

[5] 董必昌,付绍卿,张哲,等.双向地震作用下的双排桩边坡参数敏感性分析[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2017,41(1):17-21.

[6] 蒋永生.毕-都K141含煤地层高路堑边坡破坏特征及治理研究[J].交通科技,2016(4):98-101.