新柳南高速公路K157+300～K157+500段边坡变形破坏模式研究

张一铭，陈云生

(广西交通设计集团有限公司，广西 南宁 530029)

0 引言

随着我国经济的快速增长，修建高速公路过程中形成的高陡边坡数量逐渐增多，公路两侧边坡安全问题已成为众多学者关注的焦点[1-2]。边坡在开挖或高速公路运行过程中一旦发生失稳，将对过往车辆和人员造成安全隐患[3]。目前，国内外学者采用极限平衡法和有限元法来分析边坡稳定性[4-5]，在此基础上进一步分析边坡破坏模式[6-8]。

本文结合新柳南高速K157+300～K157+500段边坡滑坡，分析了该高速公路边坡的稳定性及破坏模式，同时提出支护方案建议，为相似工程提供参考。

1 工程概况

柳州经合山至南宁高速公路ZK157+300～ZK157+500 段深挖路堑位于上林县巷贤镇苏仁村良塘庄东北侧约300 m 的山坡处，公路采用整体式路基以路堑的方式从山坡中下部穿过，路基设计高程在182.257～188.057 m，挖方长度约为200 m，中线最大挖深约19 m(ZK157+400)，左侧属高大路堑边坡，右侧属低矮路堑边坡。

由于该段岩土体工程地质条件较差，研究区域内降雨量及地下水较丰富，又因泥质粉砂岩属于软岩，遇水后其力学性质易弱化，导致左侧高边坡在开挖过程中，坡顶出现张拉裂缝，坡体出现变形滑坍迹象，如不及时处置，在强降雨等不利因素影响下，将诱发进一步滑坡，威胁高速公路施工人员的安全，同时影响施工进度。

2 地层岩性

根据现场调查及勘察资料揭露，场区内工程地质条件主要为：边坡所属地貌为剥蚀丘陵地貌，地形起伏较大，沟谷多为“U”型，坡体上部主要为第四系残坡积覆盖层，成分为褐、黄褐、灰褐色可-硬塑状残坡积黏土，厚约3～6 m；下伏泥盆系中统黄红色薄层状全风化泥质粉砂岩，厚度为9～10 m，往下为灰黄色薄-中厚层状强风化泥质粉砂岩，岩体裂隙面铁锰质浸染，岩层产状为160°∠60°，节理为193°∠87°、335°∠52°，边坡受断层影响，断层产状为 188°∠58°，边坡岩石裂隙发育，岩体破碎。边坡典型工程地质剖面图如图1所示。

图1 边坡工程地质剖面图

3 滑坡成因及破坏模式分析

3.1 滑坡基本特征

该边坡目前已按设计坡比开挖4级，第1级坡体未开挖到位。边坡开挖两级时，坡顶后方原地面出现张拉裂缝，坡体裂隙水沿坡面渗出，坡面开始出现变形迹象，边坡防护未及时跟进，开挖至第1级边坡时，坡体裂隙水流量增大，上部张拉裂缝逐渐扩大，两侧形成圆弧形滑坡周界，第2、3、4级边坡均出现错台现象，错台幅度约为1～1.5 m，滑坡体出现鼓胀，第1级边坡出现扇形裂缝以及鼓胀裂缝，最终形成牵引式的圆弧形滑动体。

3.2 滑坡成因分析

根据现场调查及地勘报告分析可知，边坡滑坡的主要因素如下：

(1)坡体节理裂隙发育，岩体较破碎，覆盖层、全风化层较厚，在降雨作用下，雨水易沿着节理裂隙通道进入坡体内部，软化岩土体，边坡在开挖形成临空面后在综合作用下稳定性降低。

(2)断层破碎带为裂隙水的主要径流通道，边坡开挖后坡面成为疏水面，加速地下水的排泄，增大地下水的渗透力，从而降低边坡的稳定性。

(3)边坡开挖4级后，坡体产生蠕动变形，加之地下水的作用，降低了岩土体的物理力学参数，坡脚逐渐软化，加之边坡防护未及时跟进，最终导致坡体产生了沿全风化层与强风化界面的牵引式圆弧形滑动。

4 边坡稳定性分析及破坏模式分析

4.1 稳定性分析

根据上述边坡地质情况，采用极限平衡法对该边坡进行稳定性分析，运用Geo-Slope软件对边坡的安全系数进行计算。边坡所在区域为6级地震设防，可不考虑地震影响[9-10]。

4.1.1 计算参数确定

依据边坡实际情况，通过对构成边坡的不同岩体进行室内试验，得出岩体的c值和φ值，边坡岩体力学参数如表1所示。

表1 岩体力学参数表

4.1.2 边坡稳定性判别依据

根据规范[11]，本次计算考虑天然和暴雨两种工况，边坡稳定性准则为：在天然工况下，边坡安全系数Fs>1.30时边坡处于稳定状态，Fs<1.30 时边坡处于欠稳定状态；在暴雨工况下，Fs>1.20时边坡处于稳定状态，Fs<1.20 时边坡处于欠稳定状态。

4.1.3 边坡计算结果

边坡安全系数计算结果如表2所示，计算剖面图如图2、图3所示。

表2 边坡安全系数表

图2 第1～4级边坡稳定计算结果图

图3 整体边坡稳定计算结果图

4.1.3 计算结果分析

由表2可知，整体边坡及第1～4级边坡的安全系数均小于规范规定值，处在欠稳定状态，因此该边坡需采取针对性的加固措施，确保过往车辆及施工过程中的安全。

4.2 破坏机制分析

在未开挖状态下，边坡的前缘安全储备大，同时边坡坡面覆盖了一定厚度的黏土层及植被，降雨入渗深度有限，坡体内部的碎石土层及软弱结构面受雨水软化程度较弱，未开挖的边坡处于蠕变稳定阶段，如下页图4(a)所示。

边坡开挖后，软弱接触面与边坡坡面的距离减小，同时受风化崩解等因素影响，边坡前缘下部(第1～4级边坡)滑动面力学参数降低，使得该区域内原来的抗滑力降低；同时开挖边坡后上覆岩体内应力将重新分布，另受风化作用影响，一定范围内的岩体节理裂隙扩展，但在开挖阶段初期，节理裂隙的发育程度有限，少量的地表水将沿着扩展的节理裂隙进入滑动面，造成潜在软弱接触面局部软化，如下页图4(b)所示。又因断层破碎带为裂隙水的主要径流通道，边坡开挖后下部坡面成为疏水面，加速地下水的径流，增大地下水的渗透力。

下部开挖区域的坡体节理裂隙进一步发育后，大量的地表水沿着节理裂隙通道进入坡体内部，导致岩体软化及软弱接触面强度减弱，而边坡上部离开挖位置较远，开挖卸荷应力重分布作用影响程度较小，坡体的主要变形发生在边坡下部开挖处。下部坡体在经历大气引力作用后，岩体崩解程度加深，导致局部蠕变，节理裂隙增多及宽度增加，形成后缘裂缝渗流通道，坡面雨水入渗量增多，入渗的水产生附加推力F，同时下部坡体又因受地下水作用，岩体力学性能加速损伤，在反复作用下，坡体变形量加大，进入加速蠕变阶段，如图4(c)所示。

随着渗流通道的加宽，雨水大量进入坡体内，使软弱结构面软化，滑移面的抗剪强度趋于临界值，当超过临界值时，下部坡体将沿着软弱结构面发生整体滑动，如果不采取加固措施，后缘裂缝将成为新的临空面，导致上部边坡也发生变形如图4(d)所示。

(a)未开挖边坡

(b)开挖初期

(c)加速蠕变阶段

(d)牵引式破坏

从整体破坏模式来看，该边坡属于牵引式破坏，由于最下面一级台阶边坡的滑动破坏后，在时间累积作用下，滑坡范围逐渐向上级台阶延伸。

5 支护措施建议

基于前文分析得到边坡的破坏过程，即开挖卸荷→降雨入渗→坡脚变形→整体软化→加速变形→整体滑动，针对边坡的破坏形式，本文提出以下几点支护建议：

(1) 该边坡岩体中分布软弱夹层，在此区域修建高速公路时应对地质情况进行详细分析，弄清潜在危险软弱夹层(滑动面)所处空间位置，以便在边坡支护设计时选择合理的开挖顺序及支护方案，开挖边坡时需减少对边坡表面覆盖植被的破坏。

(2)考虑经济效益，边坡中上部分岩土体厚度加大，为了减少上部边坡提供的下滑力，可以采用削坡减载的方式。削坡时的坡度及台阶边坡参数需根据安全系数来调整，需将软弱接触面上部岩土体清除，并在坡脚处设置支挡结构，如抗滑桩或挡墙，既能增大边坡的抗滑能力，也能防止坡脚的岩石风化，避免边坡沿更深部的软弱层破坏失稳。

(3)对开挖出来的坡面及时进行封闭，防止雨水入渗边坡坡面使岩土风化崩解，同时在开挖坡面施工短锚杆(索)对其进行锚固，以增加边坡的抗滑力。

6 结语

本文在对边坡岩体进行试验获取力学参数的基础上，结合边坡稳定性分析，对该边坡的破坏机制进行深入研究，得出以下结论：

(1)采用极限平衡法，运用Geo-Slope软件对新柳南高速K157+300～K157+500段边坡稳定性进行分析，边坡整体及下部第1～4级边坡的安全系数均小于规范规定值，处于欠稳定性状态。

(2)从破坏模式来看，新柳南高速K157+300～K157+500段边坡属于牵引式破坏，即边坡的破坏由坡脚处坡体软化引起，导致上部边坡失稳。

(3)针对边坡破坏模式，提出支护建议，坡脚修建支挡结构以增加边坡整体抗滑力，在边坡上部采取减载兼顾坡面封闭的方式，来减少上部边坡的重量，降低下滑力，同时防止雨水入渗坡体内部软化岩体。