武深高速公路风化花岗岩边坡稳定性分析

俞旺新 杜子文

(中建四局工程技术研究院，广东 广州 510000)

武深高速公路仁化段主要为燕山早期侵入岩系山脉，为大量酸性岩侵入，形成区内广布的花岗岩。花岗岩在成岩过程中受地球动力以及风化作用的影响，形成了深风化花岗岩体、破碎带以及节理裂隙发育的的工程地质特征。在工程施工过程中除出现较多的残积层与全风化岩体的不稳定边坡，还出现了少见的中-微风化岩体的不稳定边坡，引发了较多的工程地质问题[1-2]。

1 工程地质条件

该边坡位于武深高速仁化段k449+240～k449+480里程范围内，区内气候温和，雨量充沛，地表径流对坡面坡脚的冲刷较大。地下水主要类型为孔隙水及基岩裂隙水，其大气降水为地下水主要补给来源。孔隙水主要赋存于第四系松散层中，孔隙含水量随季节变化；基岩裂隙水赋存于岩石裂隙中，其透水性极不均匀，地下水以侧向渗流的形式向沟谷排泄或蒸发[3]。该边坡共设计8级护坡，边坡开挖至五、六级时，出露为中-微风化花岗岩，施工过程中边坡岩体发生垮塌，范围为第五边坡坡面至坡顶平台，局部平台破坏剩余0.5m宽，垮塌长度约60m，深度约2m，破坏范围较大[4]。

2 边坡稳定性分析

2.1 边坡岩土体地质特征

根据边坡钻探资料、现场标准贯入试验及野外地质调绘成果成果，边坡的残积土为黄色，稍湿且可塑，局部夹植根，为坡积成因；全风化花岗岩为黄褐色，岩石风化完全，岩芯呈硬土状，遇水软化成砂，手掰易碎，母岩结构可辨；强风化花岗岩为黄褐色, 岩芯碎块状为主，局部半岩半土状，岩质较硬，节理裂隙发育密集，风化不均匀；中风化花岗岩为灰白色，粗粒花岗结构块状构造，岩石裂隙较发育，岩芯呈短柱状，岩石较硬，节长大于10cm的岩芯约占60%，断口铁质浸染；微风化花岗岩为灰白色，粗粒花岗结构，块状构造，岩芯呈柱状，节理裂隙较发育，节长10～46cm的岩芯约占90%，岩质坚硬，敲击声脆。其中现场标准贯入试验参数如表1所示。

表1 标准贯入现场试验统计表

2.2 边坡破坏成因机理分析

该边坡破坏成因可以分为内因、外因两大类，内因是风化花岗岩物理力学性能发生明显变化、构造破碎带、节理裂隙的控制作用以及节理裂隙充填粘土等泥质夹层的润滑作用等；外因则是雨水以及地下水对边坡的作用，人工挖坡的应力释放、放坡较小以及边坡开挖暴露时间过长等因素，其具体表现主要为：

2.2.1 残积土和全-强风化花岗岩物理力学性能变化明显

通过室内土工试验可知，残积土的含水率以及湿密度差异不大，而孔隙比差异较大，随着深度的增加孔隙比逐渐减小；全风化花岗岩层的含水率、湿密度以及孔隙比差异不大；强风化花岗岩层的含水率差异较大，湿密度以及孔隙比则差异不大，但强风化花岗岩层的随着深度增加孔隙比有所加大。

残积土的液限、塑性、凝聚力、内摩擦角以及压缩模量差异不大，塑性指数差异略大，压缩系数差异明显，其中凝聚力以及压缩模量随着深度的增加有所增大，而塑性指数及压缩系数随深度的增加有所减小；全风化花岗岩岩层的液塑限差异不大，但液限较多，最大值达42.6%，而凝聚力、内摩擦角、压缩系数以及压缩模量差异不大。

2.2.2 构造破碎带、节理裂隙的控制作用

边坡花岗岩受地质构造作用影响，节理裂隙极发育，主要节理面延伸至全部坡面，且主节理面可见擦痕和绿泥石化等构造特征。中风化-微风化花岗岩受节理切割后呈中-厚层状结构，浅层岩层层厚约0.3～0.5m，节理裂隙面填充有粘土，深层岩层层厚0.5～1.2m，深层节理裂隙面闭合情况较好。岩土体内发育有几组倾向路基的不利结构面，五级坡面出露105°～112°∠41°～∠44°节理，四级坡面出露岩105°～118°∠36°～∠44°节理，层面多充填泥质。节理倾角与原设计坡率大致相近，顺倾向路基。而且坡面中风化～微风化岩层中发育有2～3组构造破碎带，宽约0.3～0.8m，纵向切割坡面，其中五级坡滑塌体滑面主要以层面105°∠45°为控制滑面，边坡构造特征与岩土体特殊结构分布特征的组合，组成了本滑坡产生多层滑动(潜在滑动)面(带)。

2.2.3 雨水对边坡的作用

区内气候温和，雨量充沛，地表径对坡面坡脚的冲刷较大，而且边坡存在坡残积土、全―强风化花岗岩等较软弱地层，士体湿水易散，极易软化，雨水的下渗以及岩体节理裂隙充水，易使岩体中软弱夹层面抗剪性能下降，减弱边坡岩体的抗滑能力，致使边坡的稳定性降低。

2.2.4 人工开挖边坡

人工开挖坡面的产状为倾向115°∠45°(坡率1∶1)，层状的中风化-微风化花岗岩主要节理产状为倾向105°～112°∠40～43°。边坡顺向开挖，受卸荷作用的影响，边坡岩体内会产生大量卸何节理以及裂隙，并且由于卸荷作用使岩体内原生或构造节理张开，在各种节理裂隙作用下，岩体被切割成大块状，边坡岩体稳定性下降，极易造成边坡垮塌。

2.3 边坡破坏模式分析

该边坡变破坏模式主要为构造作用强烈的风化花岗岩岩体垮塌模式，边坡破坏模式主要表现如下。由于岩体内结构面发育，五级坡面出露105°～112°∠41°～∠44°节理，四级坡面出露岩105°～118°∠36°～∠44°节理，而人工开挖坡面的产状为倾向115°∠45°(坡率1∶1)，节理倾角与原设计坡率大致相近，顺倾向路基，边坡大型岩块易沿着结构面产生垮塌，边坡稳定性较差。

2.4 边坡稳定性计算

边坡破坏采用以下公式计算边坡的稳定性系数：

式中FS为稳定系数，α为滑面倾角，φ为抗剪度指标。

本边坡岩体顺层滑坡，属于平面滑动类型，可采用直线破裂面法计算其稳定性系数，计算方法如下。

通过稳定因数可以确定α及φ的关系，该边坡中-微风化花岗岩为无粘性岩层，即c=0。当c=0时，FS=tanφ/tanβ，也即FS=1时，α=β，表明边坡处于极限平衡状态。人工开挖坡面的产状为倾向115°∠45°，中风化-微风化花岗岩产状为倾向105°～112°∠40～43°，中风化-微风化花岗岩的倾角与人工开挖坡面的倾角接近，即β≈φ，表明边坡处于极限平衡状态。

3 边坡防护及处理建议

根据该边坡的岩土体地质特征、破坏机理以及失稳模式，应对该边坡进行必要的防护措施。

(1)土质、类土质坡面采用拱架三维网植草或铺设草皮进行防护，坡顶根据地形的变化情况设置堑顶截水沟，边坡平台设置平台截水沟，坡面设置排水孔。

(2)边坡开挖要及时支撑，恢复其稳定体系，以防止其变形扩大。在开挖过程中，应采取自上而下及分级开挖防护的施工顺序，挡墙施工应采用分段开挖、分段修筑的方式及时对坡脚进行有效加固，防止上边坡岩体产生大面积垮塌。除了采取护浆砌片石嵌补、面墙以及喷砼等方法及时对坡面岩块进行支撑及封闭外，在开挖中后期还可以采用挂网喷混凝土及结合锚杆进行浅层加固。其中锚杆反力抑制件应采用单个混凝土垫墩形式，以适应该坡面起伏不平的地形条件，减小坡面清方数量。

(3)该边坡为顺层开挖而且存在粘土层，边坡岩层的主要节理也为顺层方向，开挖前可采用直线破裂面法以及瑞典条分法对坡体进行稳定性验算，并根据结果采取必要的处理措施。其中当边坡滑动面为圆弧形，滑动面位于残积粘土层以及全风化花岗岩层内，可采用瑞典条分法进行稳定性计算分析。

4 结论

(1)武深高速公路研究段边坡由风化花岗岩组成，残积土体抗剪强度较低，粘性较差；全风化花岗岩液限较高，遇水软化成砂；强风化花岗岩受地质作用影响节理裂隙较为发育，以碎块为主，风化不均；中～弱风化花岗岩节理裂隙发育，岩质较坚硬，呈块状构造。

(2)据岩体结构构造特征、成因机理、破坏模式及稳定性验算分析，在残积土及全、强风化岩体中，除了变形破坏模式为沿着最大剪应力面发生的圆弧形滑动及以残积土与全风化岩体、全风化与强风化岩体面为界面的垮塌，还存在主要节理面与边坡方向形成顺层、破碎带纵向切割坡面的直线破裂面滑动模式。

(3)通过对风化花岗岩边坡的工程地质特征及稳定性分析，可以针对此类边坡的特点进行有效的防治措施，以达到安全及经济有效的目的。