地质勘察时顺层路堑边坡稳定性的初步判定方法

高芳芳，邓 睿，宋 章，丁文富

(1.四川大学 锦城学院，四川 成都 611731；2.中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031)

随着我国山区铁路建设的发展，很多路基工程不可避免地在层状岩体中开挖修建。当岩层走向、倾向与开挖边坡走向、倾向接近或大体一致时，称为顺层路堑边坡，其变形破坏与地层岩性、岩体结构、地质构造、地形地貌、水文地质特征密切相关[1]。针对顺层路堑边坡的形成机制、破坏模式、影响因素和稳定性分析，许多学者从不同的角度做了大量研究并取得一定的成果。

目前，铁路工程对顺层路堑边坡稳定性大多根据经验进行判定，但是判定取值的来源或准确与否并没有明确的说法。本文对既有顺层边坡稳定性影响因素进行分析，并结合实际工程和经验，总结探讨铁路地质勘察中顺层路堑边坡稳定性初步判定的条件，给出相对明确的参考取值。

1 顺层路堑边坡分类及破坏类型

1.1 顺层路堑边坡分类

根据边坡临空面数量，可分为单临空面、双临空面顺层路堑边坡。单临空面多见于地形为一面坡，路堑开挖形成单一临空面；双临空面多见于路堑一端存在天然切割的较深沟槽、陡坎等。

根据边坡岩性，可分为软质岩(如页岩、泥岩、砂岩等)、硬质岩(如灰岩、白云岩、石英砂岩等)顺层路堑边坡，以及软质岩和硬质岩组合(如灰岩夹页岩等)形成的路堑边坡。

根据岩层倾角大小，可将路堑边坡分为缓倾(5°～15°)、中倾(15°～35°)、陡倾(35°～60°)路堑边坡。

根据岩层厚度，可分为薄层、中厚层、厚层及巨厚层路堑边坡。

1.2 顺层路堑边坡破坏类型

根据岩层的倾角及坡脚的关系，顺层岩质边坡典型的变形破坏模式具有一定的规律[2]，见表1。

表1 顺层岩质边坡变形破坏规律

注:α为岩层倾角，β为坡角。

2 顺层路堑边坡稳定性判定探讨

顺层路堑边坡一般沿软弱夹层或层间结构面发生滑移破坏。现在地质勘察中对顺层路堑边坡稳定性判定的方法是：首先边坡走向与线路夹角满足一定范围值，然后再对岩层倾角进行判定。

顺层路堑边坡稳定性的主要影响因素是岩层结构面的抗剪强度，但是却难以快速简易地查明。因此如何通过岩性、岩层厚度等因素利用岩层倾角来判定边坡稳定性是地质勘察过程中需要解决的问题。

2.1 岩层走向与线路夹角判定

岩层走向与线路夹角的大小是判断是否发生顺层滑移破坏的重要指标之一。目前该夹角取值并没有明确的规定，铁路部门多采用40°或45°，水利和电力部门分别采用30°和40°，而国外则多采用20°作为顺向坡的上限值[3]。

结合渝怀铁路沿线顺层滑坡的发育特征，文献[4-5]通过地质力学模型试验对岩层走向与线路夹角进行了模拟研究，得出单临空面和双临空面情况下岩层走向与边坡走向夹角的上限值(见表2)，但是仅对岩层倾角在20°～35°时进行了模拟分析，存在一定的片面性。

表2 岩层走向与边坡走向夹角

根据实际工程分析[6-8]，水柏铁路银山顺层滑坡(双临空面)岩层倾角18°～22°，岩层走向与线路的夹角40°～50°；某铁路双临空面顺层边坡发生滑移，其岩层视倾角14°，岩层走向与线路方向夹角达到56°；汤屯高速公路AK3+690—AK3+888段双临空面边坡发生顺层破坏，岩层走向与线路的夹角近似平行，岩层倾角达到40°～50°；渝怀铁路在岩层走向与线路的夹角大于30°时顺层滑坡减少，但是仍有少数顺层滑坡发育。因此在实际工程中依据夹角进行判定时应进行适当调整。

从力学原理上讲，顺层路堑边坡是否发生滑动破坏，主要看滑体下滑力T与滑动面上抗滑力T′的关系，其稳定性系数K为

(1)

式中：c为层间结构面黏聚力；L为滑动面长度；G为滑体重力；φ为层间结构面内摩擦角。

(2)

图1 线路走向与岩层走向夹角变化示意

选取c=20 kPa，φ=25°，L=30 m，α=40～80°，G=50 000 kN/m 进行稳定性计算，得出不同倾角时夹角ω与稳定性系数的关系见图2。可知：随着ω值的增加，K值逐渐增大；但随着α值增大，K值逐渐降低。当ω值达到80°时边坡仍会失稳，从而并不存在一个夹角上限值能使边坡保持在稳定状态。所以线路走向与岩层走向夹角仅用于考虑路堑边坡开挖后来自线路侧面的失稳破坏。当正对边坡开挖时(即ω=90°)亦须进行相应防护，如隧道进出口开挖须对仰坡顺层加强支挡防护。

图2 不同倾角时夹角ω与稳定性系数K的关系

因此，结合实际工程及顺层路堑边坡是来自线路侧面的破坏，单临空面边坡走向与岩层走向夹角以45°为判定上限值是合理的，双临空面边坡则建议按60°考虑。

2.2 内摩擦角判定

岩层层面或软弱夹层的黏聚力和内摩擦角是影响顺层路堑边坡稳定性的重要因素，顺层边坡的稳定性系数由其组合形式决定。随着强度参数增加，稳定性系数近于线性增加。但是在勘察设计过程中，顺层边坡层面强度参数的取值往往具有较大争议。

由于顺层岩质边坡的抗剪强度参数难以简便获得。李安洪等[9]提出了当岩层倾角小于层间综合内摩擦角时，按一般路堑设计，在铁路地质勘察中一般根据工程经验进行取值。这就把复杂的岩层强度参数与岩层倾角(视倾角)建立了关系，通过对岩层倾角的测量即可对顺层路堑边坡稳定性进行初步判定[10-12]。

2.2.1 综合内摩擦角探讨

边坡岩体综合内摩擦角与边坡类型、高度、坡形、坡率等因素有关，一般高度越大其值越小。同一个值用于高度很大的边坡可能十分危险，而用于高度很小的边坡又可能十分保守。综合内摩擦角φ′为

φ′=arctan[tanφ+2c/(γhcosθ)]

(3)

式中：h为边坡高度；θ为岩体破裂角，取值45°+φ/2。

依据GB 50330—2013《建筑边坡工程技术规范》中表4.3.1结构面(层面)抗剪强度指标标准值进行计算，边坡高度取最大值30 m，并考虑内摩擦角折减系数，得出相应条件下不同完整程度岩体的综合内摩擦角，见表3。

表3 不同结构面综合内摩擦角

由表3可知，软弱结构面综合内摩擦角小于15.5°，硬性结构面综合内摩擦角大于25.4°。即对软质岩或含软弱夹层的路堑边坡而言，当岩层倾角大于14.3°时，则满足判定条件；对硬质岩而言，综合内摩擦角的取值范围较大，可根据实际情况取值后与层面倾角进行比较判断。

实际工程中常见的岩层路堑边坡软质岩多为砂岩、泥岩、页岩，硬质岩多为灰岩，泥页岩、炭质页岩、泥化夹层多形成软弱夹层。现以较破碎页岩及灰岩为典型岩性，根据其自然及饱和状态下层面强度参数[13]计算综合内摩擦角，结果见表4。

表4 典型岩性层面综合内摩擦角计算结果

由表4可知，按降雨条件考虑，灰岩层面综合内摩擦角为26.8°，灰岩与页岩接触面综合内摩擦角为21.2°，页岩(无胶结)层面之间的综合内摩擦角为22.9°，软弱夹层面综合内摩擦角按经验取值10°～12°。当对应层面倾角大于该值时则满足判定条件。

2.2.2 实例分析

渝怀铁路DK224+960—DK225+220顺层路堑边坡，岩性大部分为厚层灰岩，重庆端为页岩，岩层产状为N51°E/30.5°NW。据表3分析，结合程度差的灰岩硬性结构面综合内摩擦角小于27.2°，页岩软弱结构面综合内摩擦角小于15.5°，均小于岩层倾角，应当判断为顺层路堑边坡；据表4分析，灰岩层面综合内摩擦角26.8°，灰岩与页岩，页岩与页岩之间的综合内摩擦角均小于岩层倾角，应当判断为顺层路堑边坡。2个表判定的结论一致，且与实际情况符合。

水柏铁路银山顺层滑坡岩性为砂岩、泥灰岩夹泥岩，倾角18°～22°，受构造影响岩体较破碎，综合内摩擦角查表3为14.3°，小于岩层倾角，应判定为顺层边坡，与实际情况符合。

2.3 岩层倾角范围判定

通过上述综合内摩擦角的分析，得知了不同岩性岩层倾角的判定下限值，但是发生顺层路堑边坡破坏的岩层倾角范围是多少还不明确。倾角小于15°的顺层高边坡一般可以自稳[14]，当倾角达到85°时岩质边坡破坏模式由滑移-溃屈转变为倾倒破坏[15-16]。根据国内81处顺层岩质滑坡实例统计分析[17]，岩层倾角为10°～25°时比25°～35°时顺层滑坡发生的数量多，即岩层倾角在10°～25°时更易发生顺层破坏。

对实际工程中顺层岩质边坡的倾角与稳定性进行分析，得出安全系数与倾角的关系。根据铁路工程对稳定性安全系数的要求(一般为1.15)，可对实际工程中发生顺层破坏的岩层倾角范围进行反推计算，结果见表5。

由表5可知，发生顺层破坏的最小岩层倾角为21°，受层面或软弱夹层力学性质差异的影响，倾角的范围变化较大，上限角度难以分析归类。结合现有研究成果及实际工程，可综合考虑顺层路堑边坡岩层倾角为10°～85°；根据综合内摩擦角探讨结果，可认为一般情况下发生顺层的岩层倾角为14°～85°，当含有软弱夹层(泥化)时倾角范围扩大到10°～85°。

表5 岩层倾角反算结果

2.4 岩层厚度判定

一般而言薄层岩层承受外力作用的能力较差，易发生开裂或剪断破坏。根据分析计算可知，岩层厚度对稳定性安全系数影响较小，其一般具有随岩层厚度增大而增加的趋势，但是增加量很小[18-20]。例如对一岩层倾角10°～50°、岩层厚度1～5 m的路堑边坡进行分析，发现岩层厚度对边坡稳定性有一定影响，但并不是很敏感[21]。

这表明了顺层路堑边坡的稳定性受岩层厚度的影响较小，同时也说明了岩体的物理参数对顺层岩质边坡并未起到控制作用。因此在地质勘察过程中，岩层厚度可不作考虑。

3 结论

1)岩层走向与线路夹角是首要判定条件，单临空面夹角小于45°、双临空面夹角小于60°时，则须进一步判断。

2)岩层剪切试验实施难度大，结构面倾角大于其综合内摩擦角是判定边坡稳定性的条件之一(边坡高度不大于30 m)。

3)不同结构面及典型岩性层面综合内摩擦角取值如表3、表4所示，实际判定可根据具体情况对应选取。

4)路堑边坡岩层倾角判定范围为10°～85°，大于85°时破坏模式转变为倾倒破坏。

5)岩层厚度对顺层路堑边坡稳定性影响较小，勘察中可不作为判定条件。

6)顺层路堑边坡稳定性影响因素较多，使用岩层走向与线路夹角、综合内摩擦角、岩层倾角对其进行初步判定后，须经设计检算确定支挡防护措施。