开挖岩质边坡失稳机制与防治失败启示

陈 莉

（广东省水利水电第三工程局有限公司，广东 东莞 523710）

无论是在交通、水利水电、矿山工程，还是生活生产中，开挖边坡变形失稳的案例是举不胜举[1～4]，尤其是含有层间软弱夹层的边坡，造成了巨大损失[5～7]。为此，大量学者对此类开挖失稳边坡从不同的角度，采用不同方式进行研究，积累了诸多宝贵经验[8～11]。然而，含软弱夹层开挖边坡失稳却难以完全预测和有效治理[12]。

本文以某场区开挖失稳边坡为例，提出两个有意义的思考问题：①边坡开挖前边坡进行了详细的工程地质勘察和大量的岩土试验，并进行了优化的开挖设计，计算为安全状态，为什么发生失稳破坏？②边坡前缘进行防护措施后，前缘稳定的情况下为什么发生继续变形，导致岩层弯曲，地表隆起？

通过对边坡变形失稳过程特征进行分析，探究其形成机理。

1 边坡概况

1.1 地质条件

某场地的挖方岩质边坡，边坡上覆0.5 m～1.0 m 第四系残坡积层(Q4el+dl)，下伏强～中风化三叠系关岭组(T2g3)泥质白云岩夹薄层状泥岩。岩层产状为0°∠20°，层厚度25 cm～35 cm不等，含有 3 组优势节理：28°∠75°，198°∠79°，318°∠88°。根据设计施工要求，由上及下逐级开挖，坡向为正北，开挖后为顺层岩质边坡。

根边坡岩体显著特点：在白云岩层面接触部位存在由于构造错动、雨水下渗泥化作用，薄层的页岩、泥岩形成而形成状泥质软弱夹层，厚度为0.5 cm～2.5 cm，呈灰白色或杂色，软塑状，渗透性差，但遇水易软化。

1.2 失稳过程及特征

边坡于2017 年10 月28 日开始进行爆破施工，2017 年12 月10 日形成高度约38.4 m 的边坡，分为三个台阶四个坡面。在经历连续降雨后，边坡于20 日发现开始发生变形：首先在坡脚处发生滑移，坡表出现拉裂缝，走向以近东西为主，以及走向为 305°～320°、25°～35°的拉裂缝，宽度一般小于1 cm。随着时间的推移，拉裂缝由下及上逐级出现。随即停止该部分边坡开挖施工，并在坡脚回填反压大量碎石进行坡脚反压防护。根据现场观测，边坡中上部坡体持续发生蠕滑变形，拉裂缝进一步发展，坡脚出现隆起，坡体拉裂缝增深，增宽，最终失稳。图1-A 为失稳边坡全貌，1-B 为后缘拉裂缝，1-C、1-D 为坡体中部拉裂缝，1-E 为边坡前缘隆起变形。

图1 开挖失稳边坡

2 滑面分析

2.1 探槽

失稳边坡布设两个探槽揭示滑面特征，分别为探槽TC-1位于三级坡面中部，距离坡脚线10.8 m（坡表斜距），深度为4.6 m；TC-2 位于三级边坡坡脚，深度为2.4 m。

探槽TC-1 底部为青灰色～砖红色的软软弱夹层，厚度1 cm～2 cm，内部含岩块岩屑，岩块长不大于2 cm，厚度不大于1 cm，常呈不规则棱角状，而夹层内部存在完整规则鳞片结构，无剪切擦痕迹象。软弱夹层表层存在渗水和泥化现象，可见滑动擦痕。滑面位置为软弱夹层的上表面与岩层面接触部位，见图2。

图2 夹层滑面

探槽TC-2 揭示，该处为薄层～层状黄色、土黄色夹杂褐红色泥质白云岩，层厚4 cm～8 cm，由于挤压弯曲，部分岩体呈块状，尤其是在坡脚具有明显铰链状拱曲。在探槽底部层面存在擦痕，以判定该层为滑面层。

2.2 滑面确定

含软弱夹层的边坡失稳滑面通常是沿着软弱夹层内部剪切滑移，或以软弱夹层与岩层面的接触部位剪切滑移[13]。

通过室内对软弱夹层的剪切试验，获取抗剪切参数值，并进行现场大型剪切试验，获取软弱夹层与岩层面接触部位抗剪切参数值。当软弱夹层的内摩擦角φn小于岩层面与软弱夹层之间的接触摩擦角φj时，软弱夹层的抗剪强度才代表结构面的抗剪强度；反之，剪切面产生于软弱夹层和岩层面之间的接触部位，见图3。

图3 剪切面位置图（A.内部剪切面；B.上部剪切面）

满足上式（1），剪切面位于软弱夹层内部；当夹层和岩层层面之间不满足上式（1），其滑面为上部岩体下层面与夹层接触部位。通过对软弱夹层现场取样进行软弱夹层室内剪切试验，获取剪切面通过软弱夹层内部的抗剪参数；同时，通过大型剪切试验，获取软弱夹层表面与岩层面接触部位的抗剪参数。试验结果见表1。由表1 可知，ψn＞ψj，滑面位置为软弱夹层的上表面与岩层面接触部位，而并非软弱夹层内部剪切形成。试验结论与探槽揭示的滑面位置一致。

表1 软弱夹层试验成果

2.3 稳定性计算

根据坡体结构特征，边坡稳定性计算公式为：

式中：K 为稳定性系数；φ 为内摩擦角；l0为失稳坡体滑面的长度；C 为黏聚力；G 为坡体重力。

将表1 中的试验参数带入式（2），可求的边坡的稳定性系数为：

因此，由式（3）可以看出边坡开挖前采用室内试验数据，即边坡滑面沿软弱夹层内部进行剪切破坏是存在认识和计算失误的。应该按照滑面位于夹层与上不岩层接触面计算，即边坡稳定性系数K＜1，边坡开挖后发生失稳。

3 边坡渐进失稳演化分析

3.1 失稳坡体运动特征

边坡失稳运动过程可分为两个阶段：后退式渐进牵引失稳破坏和前进式蠕变下滑运动。首先，块体①在重力作用下沿着层间软弱夹层向下剪切滑移，在坡体上形成拉裂缝；块体②前部失去块体①的支挡作用，在重力作用下沿软弱夹层向下剪切滑移，形成坡体拉裂缝。坡体由下而上，逐级发生牵引式失稳，直至块体⑧发生向下滑移变形。其次，在边坡前缘回填碎石反压，防止边坡继续下滑失稳。根据现场勘查结果显示，回填碎石反压后一段时间后，块体①、②停止下滑，基本处于稳定性状态，但上部边坡体③～⑧持续沿着软弱夹层蠕滑变形，并且挤压前缘块体①、②，但由于无滑移空间，最终使得块体②发生岩层向上弯曲，坡体表面产生隆起。整个失稳过程见图4。

图4 边坡失稳过程示意图

3.2 边坡失稳机制

通过以上分析，边坡失稳机制概括为：边坡岩体结构条件为基础；开挖施工、降雨下渗为促进条件；软弱夹层及层面物理力学性质软化为反应；蠕滑变形、渐进破坏为过程；极限平衡破坏，边坡变形失稳为结果。边坡失稳机制示意图见图5。

图5 边坡失稳机制

3.3 防治失败启示

边坡变形初期，正确判断该边坡为后退式渐进变形失稳，却忽略了中上部坡体的蠕滑变形。为阻止其进一步破坏再前缘进行坡脚反压，有效地阻止前缘部分继续下滑。然而，坡体的中上部的层间夹层已经软化，再重力作用下继续发生蠕滑变形，对前缘坡体产生下滑推力。前缘坡体受到坡脚反压以及中上部坡体下滑推力作用下发生弯曲隆起，边坡变形失稳。针对此类边坡变形失稳不仅要有效防治已经失稳部分，更为重要的是要分析边坡进一步演化特征，尤其是层间软弱夹层的蠕变性质。

4 结论

1）滑面位置式在软弱夹层力学性状最弱部位。形成滑面的部位主要是夹层上表层与岩层面接触部位，而并非软弱夹层内部。滑面位置改变即边坡的稳定性评价的地质- 力学模型随之改变，滑面的差异对边坡稳定性影响较大。

2）失稳坡体运动特征为两个阶段：前进式渐进牵引失稳破坏和推移式下滑运动。边坡开挖后，降雨等作用下层间软弱夹层软化，首先由坡脚发生后退式渐进失稳，而进行坡脚反压后，中上部坡体继续发生蠕滑变形，致使坡脚岩层在上部坡体的推力作用下局部发生隆起，形成铰链式弯曲变形。

3）在针对该类边坡进行设计、支护时，要进行正确的稳定性计算，滑面确定尤其是关键，同时要判定可能是的失稳演化机制，且不能忽略层间软弱夹层蠕变性质。