顺层岩质边坡分级组合支挡体系研究

魏小佳

(四川志德岩土工程有限责任公司，四川 成都 610094)

0 引言

我国幅员辽阔，全国70%面积均为山区，随着城镇化建设的进行，城市建设逐渐向山区扩张。山区因自然改造形成较多的自然灾害，此外人类工程活动也将产生较多的工程滑坡、边坡等[1]。尤其是四川地区，除成都平原和川西山区以外，大多城市都位于红层地区的丘陵地带，高低起伏的地形严重制约着城市建设的开展。丘陵地区进行工程建设，避免不了较大规模的开挖和回填，从而形成较高的边坡工程。边坡工程治理以“绕避、排水、支挡、减重、反压”等[2-3]措施为指导方针，加固应考虑边坡的顺应性和协调性，充分利用大自然的自稳性去改造非自稳的自然条件，充分发挥围岩的自动调节能力使之处于新的力学平衡稳定状态[4-6]。边坡加固其实质是改变边坡的原有力学平衡条件，减小边坡的下滑力和增大边坡的抗滑力来实现坡体平衡[7]。

川南红层地区，受地质构造影响，岩层倾角较大，开挖后不可避免出现顺层边坡。当前顺层岩质边坡的治理方案有直接加固法和间接加固法。直接加固法主要有常见的挡墙、抗滑桩、锚索等，间接加固法主要有清坡、注浆加固、防排水工程及放缓边坡等。通常在工程的加固设计中会采取两种或多种加固方法以保证边坡正常运营[8-9]。

清坡能很好的减少边坡的下滑力，增大其稳定性，施工快捷，经济性较好。当用地条件受限的情况下，放坡不能完全保证边坡的安全，此种情况下，为满足规划及总平面要求，尽量利用可用地范围，需要采用组合支护形式进行治理。本文以具体工程实例为依托，在有限的条件下，充分利用用地情况，优化支护结构组合形态，力求方案经济可行。

1 工程概况

1.1 地形地貌

本项目位于川南长江沿岸，地貌单元属构造剥蚀丘陵地貌。总面积约2×105m2，其中商业用地1.4×105m2，公共绿地60 000 m2，南临长江，风景秀丽，交通便利。

1.2 自然地理气候

川南东靠长江，西接大小凉山，南接云南，北连川中腹地，素为川南形胜，自古以来，就是川南、滇东北一带重要的物资集散地和交通要冲。

项目所在区属于亚热带湿润季风气候，低丘、河谷地带有南亚热带的气候属性。具有气候温和、热量丰足、雨量充沛、光照适宜、无霜期长、冬暖春早、四季分明的特点。年平均气温18℃左右，年平均降水量1 050 mm～1 618 mm，5月～10月为雨季，降水量占全年的81.7%，主汛期为7月～9月，降雨量更集中，占全年总降雨量的51%。

1.3 地质构造

区域大地构造位置处于扬子准地台的四川台坳南缘，地质构造受川东平行褶皱带的影响，形成由东北向西南延伸的平行小背斜、小向斜，形成不规则的带状、块状。一个是东北起自金坪向西伸到翠屏山的观斗山背斜，一个是东北自志城乡的羔羊村西南到南广镇至弓背田的七星山背斜。两个背斜之间有与之平行、东北起高店乡五村、西南到白沙场的龙头山向斜。观斗山背斜西为与之平行的蟠龙向斜和邓关背斜。场地所处位置为观斗山背斜的南东翼。

总体来说，区内断裂构造和地震活动微弱，历史上从未发生过强烈地震。

2008年汶川8.0级强震，该场区均未遭受破坏性地震危害。从区域地质构造来看，该场地属于相对稳定场地。

1.4 地震效应

根据GB 18306—2015中国地震动参数区划图和GB 50011—2010建筑抗震设计规范(2016年版)有关规定，拟建场地设计基本地震加速度值为0.10g，设计特征周期0.40 s，设计地震分组为第二组，抗震设防烈度为7度，场地类别为Ⅱ类场地。

1.5 水文地质条件

1)地表水。拟建场地无地表水分布。

2)地下水埋藏条件。场地在地貌单元上系剥蚀型浅丘地貌，场地内的地下水主要为赋存于地势低洼地带的上层滞水，少量为赋存于场地内填土层的上层滞水和基岩裂隙水。受季节影响非常明显，旱季地下水贫乏，水文地质条件简单，水量较小，无统一水位。

3)地下水腐蚀性评价。场地地下水对混凝土结构具微腐蚀性，对钢筋混凝土结构中钢筋具微腐蚀性。

2 边坡基本特征

2.1 边坡概况

拟建治理边坡分布于地块西侧，整体成南北向展布，坡向正东，开挖后将形成长约320.0 m，高度约2.0 m～40.0 m的岩质边坡。原始地形整体坡度20°～35°，局部可达40°，在边坡范围内，基岩埋深较浅，覆盖层厚度约7.0 m～10.0 m，主要为素填土、粉质黏土及含碎石粉质黏土，基岩为砂质泥岩和泥岩互层。

岩层倾向130°，倾角约40°～60°，岩层倾向与坡向小角度相交，为顺层边坡。开挖后，岩土体沿层面滑移-拉裂，顺层整体滑动，直接威胁坡脚建筑物安全，因此需对该边坡及时进行治理。边坡典型剖面图见图1。

2.2 边坡岩土工程地质特征

①-1杂填土：杂色，松散，稍湿。主要以回填的风化泥岩夹碎石、砖块、近期拆迁遗留的建筑垃圾及原建筑基础和地坪残迹为主。

①-2素填土：褐灰、灰黄色，稍湿，稍密，多为风化泥岩为主，局部以黏性土为主，含少量卵石。

②-1粉质黏土：黄褐色、灰黄色、褐灰色，可塑，局部呈硬塑状，稍有光泽反应，无摇振反应，干强度中等，韧性中等，主要由黏粒组成，含少量粉粒，手搓捻略有砂感。

②-2粉质黏土：褐灰色，软塑，稍有光泽反应，无摇振反应，干强度低，韧性低，主要由黏粒组成，含少量粉粒，手搓捻略有砂感。

③含碎石粉质黏土：褐黄、褐灰色，松散～稍密，由风化岩层堆积而成，成分以粉质黏土、泥岩、砂质泥岩为主，一般粒径2 cm～8 cm，个别夹块石、卵石，最大粒径达15 cm。

3)侏罗纪中统上沙溪庙组(J2s)。

基岩以中风化砂岩、砂质泥岩为主，局部偶夹强风化层，岩层产状130°～140°∠40°～∠60°。

④-1强风化砂质泥岩：灰色、暗紫色，粉砂质、泥质结构，中厚层状构造。主要由石英、长石及岩屑组成，裂隙发育，裂隙充填方解石脉，岩芯多呈碎块状，岩质较软。

④-2中风化砂质泥岩：红褐色～紫红色，粉砂质、泥质结构，薄层～中厚层构造，节理裂隙不发育，岩芯多呈长柱状，少量短柱状，锤击易断。岩体较完整，天然单轴抗压强度标准值frc=9.39 MPa，为较软岩，岩体基本质量等级为Ⅴ级。

⑤-1全风化泥岩：紫红色，泥质结构，主要由黏土矿物组成，局部夹钙质结核，裂隙发育，岩芯多呈土状。

⑤-2强风化泥岩：紫红色，泥质结构，主要由黏土矿物组成，局部夹钙质结核，裂隙发育，岩芯多呈碎块状，岩质软。

⑤-3中等风化泥岩：紫红色，泥质结构，主要由黏土矿物组成，局部夹钙质结核，岩芯多呈短柱状、柱状，岩体较完整，天然单轴抗压强度标准值frc=4.77 MPa，为极软岩，岩体基本质量等级为Ⅴ级。

⑥中风化砂岩：细粒～中粒结构，泥质胶结，巨厚层状构造，风化裂隙较发育，岩芯多呈长柱状，少量短柱状，岩质较硬，锤击声脆，饱和单轴抗压强度标准值frc=28.80 MPa，岩石为较软岩，岩体基本质量等级为Ⅳ级。

2.3 岩土工程特性指标

2.3.1 各岩土层的工程特性指标

根据钻探情况，综合各项测试，各岩土层的工程特性指标值见表1。

2.3.2 结构面性状

岩体主要由侏罗纪中统上沙溪庙组薄～中厚层状砂岩夹薄～巨厚层泥岩组成，岩体较完整，发育有两组节理裂隙：

节理①：60°∠81°，节理②：312°∠80°，岩层层面：135°∠55°。

斜坡整体为顺层岩质斜坡，两组节理将岩体切割成不规则大块块体。岩层层面起伏较粗糙，手搓有砂感，张开度1 mm～3 mm，层面泥质浸染，但无明显夹泥现象，为硬质结构面，整体结合性差[10]。

结构面抗剪强度指标标准值如表2所示。层面状态如图2所示。

表1 岩土工程特性指标汇总表

表2 结构面抗剪强度指标标准值

2.4 边坡稳定性分析

边坡开挖坡向90°，坡向与层面倾向夹角约45°，视倾角45°，属顺层边坡，且坡角大于层面倾角，边坡不稳定。开挖坡向与节理②倾向夹角约138°，属斜坡向节理，边坡稳定性较好；开挖坡向与节理①倾向夹角约30°，属顺坡向节理，边坡不稳定；但节理延伸度较短，边坡破坏模式主要以顺层滑动破坏为主。局部坡顶存在约7.0 m～10.0 m覆盖层，存在次级圆弧滑动破坏，因此边坡治理既要保证整体顺层滑动稳定，也要保证覆盖层的圆弧滑动稳定。

边坡节理赤平投影图见图3。

3 边坡支护方案设计

3.1 重难点分析

本边坡为顺向岩质边坡，整体稳定性较差，岩体容易沿层面发生顺向滑移，威胁坡脚建筑物安全；此外，切坡后应力重新分布，易产生新的次生裂隙，进而造成边坡失稳。

本工程主要难点如下：

1)边坡最大支护高度约40.0 m，且为顺层岩质边坡，坡脚即为待建重要建筑物，安全等级较高，支护难度较大。

2)由于用地红线限制，放坡空间仅约30.0 m，放坡坡度受限，不能通过放缓坡来减少顺层滑动力，因此只能通过较强的支护措施来抵抗顺层滑动力，无疑给支护设计带来了较大的挑战。

3)地层变化较大：本边坡虽为顺层岩质边坡，但在中段坡顶存在7.0 m～10.0 m厚的粉质黏土层，存在次级滑动，且土层锚索受力性能较差，因此次级滑动稳定也是本支护工程的重点。坡顶覆盖层开挖情况见图4。

4)本工程切坡高度较大，开挖卸荷导致应力释放，卸荷后将加剧岩体裂隙发育，从而形成渗水通道，对边坡稳定造成较大影响。

3.2 治理方案选型

根据景观要求，为便于后期景观打造，各级马道宽度不小于2.5 m。由于坡顶存在7.0 m～10.0 m厚粉质黏土层，存在次级圆弧滑动，鉴于土层锚索受力性能较差，且后期预应力损失严重，因此顶部土层采取坡率法进行支护，坡比1∶1.0，坡表格构+锚杆防护。

上部土体放坡后，下部约25 m～30 m顺层整体滑动区段，平面可利用空间仅15 m左右，因此放坡条件极为受限，不同分级高度剩余下滑力对比情况如表3所示。

表3 剩余下滑力对比

基于以上情况，设计采用方案一进行，一方面下滑力低约10%，另一方面可最大限度利用锚索的拉力，来抵抗强大的剩余下滑力。根据锚索锚固段应力分布特性，锚固段长度控制在8 m～10 m，单根锚索轴力约500 kN～600 kN；通过验算，设计关键参数如下：

1)覆盖层：1∶1.0分级放坡，分级高度8.0 m，坡表锚杆+格构护坡，间距2.0 m(竖向)×3.0 m(水平)。

2)岩质部分：1∶0.5分级放坡，分级高度8.0 m，锚索+格构支护，间距2.0 m(竖向)×3.0 m(水平)，单根锚索长度15 m～20 m，轴力560 kN；为便于施工，抗滑桩采用机械成孔灌注桩，直径1.5 m，间距3.0 m(见图5，图6)。

坡脚通过布设较强的抗滑桩，能很好的预防坡脚剪应力集中导致的溃屈破坏。

3.3 监测效果分析

项目从开挖到竣工后两年，均进行了边坡位移和锚索轴力等监测。选取了坡顶7个典型位移监测点进行分析，可见边坡开挖后最大累计变形约14.7 mm，小于规范要求的1/500或20 mm的限制要求。最大位移主要在开挖阶段的6个月内，该阶段累计位移约12 mm，最大变形速率约0.8 mm/d～1.0 mm/d，小于规范允许的最大变形速率2 mm/d～3 mm/d的要求。运营阶段累计变形量约2 mm，变形已趋于稳定(见图7)。

整个边坡从开挖到运营变形速率和累计变形量均严格控制在规范允许变形范围内，很好的保证了边坡及建筑物的安全，该组合支护体系具有较好的安全性。

4 结语

本项目以实例工程为依托，为满足景观需求，在有限用地条件下，为满足景观需求，通过调整支护方案的组合形态，同时考虑锚索预应力损失及耐久性，通过对比，采用了放坡+格构锚索(锚杆)+抗滑桩的组合支挡体系，并通过调整抗滑桩和锚索下滑力分配，实现最优组合。

边坡从开挖到运营，最大累计变形约14.7 mm，最大变形速率约0.8 mm/d～1.0 mm/d，各项监测数据均控制在规范允许范围内，有效的保证了边坡及建筑物安全，赢得了良好的经济效益和社会效益，该组合支护体系为顺层边坡治理提供了借鉴。