沉积岩风化层边坡稳定性分析方法

■余世元

（福建省交通规划设计院有限公司，福州 350004）

近年来福建省基础设施建设发展逐渐由沿海向内陆山区铺开，随着建筑、交通、水利等行业的发展和基建需求，出现了大量边坡、基坑工程。 而闽中、 闽西山区正是福建省沉积岩发育的集中地区，其工程特性往往较差，在岩土工程勘察、设计时需要综合考虑的因素较火山岩地区更多，故在勘察时应当特别重视现场踏勘， 综合分析其不利因素，提出有针对性的处理建议。

1 工程概况与成果分析

选取闽中三明地区某二级公路边坡为研究对象，坡度约30°，未开挖时状况稳定。 建成后边坡倾向NE55°，高约36 m，长约120 m，拟开挖为4.5 阶边坡。

1.1 区域地质成果分析

根据相应的1∶5 万区域地质图及说明书， 场区内构造复杂，断裂交错，主要断层走向以北东—北北东向为主。 根据工程地质调绘，边坡段落内及附近两侧250 m 内，未见构造迹象。

1.2 踏勘成果分析

场地未见地表水系发育，未见明显的等高线骤变或负地形等古滑坡特征[1]；开挖平纵范围内未见活动性构造、地裂缝、崩滑、采空区、矿藏、岩溶等不良地质现象或不利于边坡工程建设的因素。 临近边坡的基岩处测得层理产状为45°∠25°，层厚约为5～8 m。

1.3 钻探、试验成果分析

在拟开挖边坡高度1/3、2/3 及近坡顶处各布置一个钻孔，详见图1。 根据钻探成果，该边坡坡积层（Qdl）和残积层（Qel）总厚度约为12～16 m，下伏基岩为三叠系下统溪尾组（T1xw）钙质粉砂岩夹泥岩，其强风化层揭露厚度约为8～12 m，且全风化—碎块状强风化层分布界线模糊，岩芯均呈砂土状风化岩夹碎块状风化岩，但总体上呈“上部土稍多、下部碎石稍多”的分布趋势，其中砂土占比约80%；碎块中，粒径20 mm 以上、200 mm 以下者占比约75%。 地下水位稳定埋深均处于中风化层顶面处。

于SP30 的17.0 m、SP31 的20.5 m、SP32 的23.3 m处，发现厚7～15cm 的夹层，该层呈灰白色，颗粒细腻手捻感类似于粉质粘土且搓条后不产生明显裂纹、无摇振反应、粘性较强，与同在天然地下水位以上的邻近强风化地层相比，含水率明显偏高，初判其已接近饱和。 该夹层两侧被方解石颗粒包夹，从性状、强度上均明显不同于其上下地层。 本边坡所取中风化岩样本的饱和抗压强度为15.6 MPa，软化系数η 为0.68，为具有软化性质的较软岩，可知其风化层同样具有水软性质，在饱和后强度亦较差。

综上，本边坡在天然状态下稳定，未见不良地质分布。 根据内、外业成果资料综合分析，边坡风化层较厚，泡水后强度显著下降，并存在一条垂直宽度7～15 cm 并贯穿风化层的软弱夹层，初步分析该夹层产状与区域性层理发育情况基本吻合，产生的原因系原新鲜岩体中的贯穿性方解石脉在各种地质营力作用下，沉积、风化不均所形成，风化后产生的粘土矿物使其相对于周边的强风化岩具有更大的基质吸力[2-3]，进而具有较强的“锁水”作用，因此在天然状态下其已接近饱和。 该软弱夹层倾向与拟开挖边坡临空面倾向接近， 倾角小于拟开挖坡角，故对于本边坡而言，该夹层为顺层软弱结构面[4]，不利于边坡稳定。

2 模型分析与计算

2.1 参数

限于客观因素，无法对强风化层进行现场直接剪切试验， 故对强风化层的参数采用经验值，饱和状态下的参数参照软化系数，为天然状态下的0.68 倍；其余地层采用实测数据，各层主要参数见表1。

表1 主要参数

2.2 无软弱结构面模型

本边坡以土质为主，故采用土质边坡常用的圆弧滑动面作分析， 采用GeoStudio 软件进行正常工况和暴雨工况下岩土体饱和时的二维稳定性分析。计算采用M-P 法，自动搜索最不利滑面。 计算模型见图2。

图2 GeoStudio 计算模型图

2.3 有软弱结构面模型

将剖面图中各钻孔夹层连线的中段作为绘图倾角β，即β=24°；绘图比例系数k=1；剖面与区域性层理倾向夹角ω=7°； 区域性层理倾角作为真倾角α=25°，代入式（1）后计算结果相差微小。

说明前述章节对 “不利结构面系顺层理发育”的空间分布情况初步分析是正确的， 这也与沉积岩地区的工程经验相吻合。

因软弱结构面过薄， 采用GeoStudio 软件模拟存在建模困难，而二维剖面上软弱结构面形成的连线近似呈折线型，因此宜采用传递系数法[5]计算本边坡软弱结构面上的稳定性系数，分块方式见图3，计算所采用公式及相关参数见式（2）、表2。

表2 折线型传递系数法参数

图3 分块示意图

2.4 模型计算成果评价

根据表3 的计算成果， 在正常工况下，2 种模型的计算结果均显示为“稳定状态”；在暴雨工况下，按无软弱结构面模型计算结果显示仍为“稳定状态”，而按有软弱结构面模型计算结果则显示为“欠稳定状态”。 这说明软弱结构面对本边坡的稳定性起到了控制性作用，在进行开挖后的稳定性计算、支护设计计算时其影响不能忽略。

表3 边坡稳定性系数计算成果

3 边坡稳定性分析

经过踏勘、钻探等资料分析后，判定开挖前的天然坡体是稳定的，但风化层中存在一条与区域性层理产状接近的贯穿性软弱结构面，其对于边坡系一不利结构面。 一方面，在天然坡体进行开挖后，原埋藏状态的不利结构面露出在开挖临空面上； 另一方面，原覆盖层渗透系数相对较小并有植被保护，降雨入渗量小，而开挖后，强风化层呈直接暴露状态，渗透系数较高， 暴雨或长时间降雨后岩土体重度上升，下滑力增大，与此同时c、φ 等力学指标降低，抗滑力减小， 对边坡稳定性产生不利影响， 当遇到暴雨、长时间降雨的情况，边坡岩土体达到完全饱和的状态时， 理论上边坡将因软弱结构面的控制性作用而处于“欠稳定”状态。

综上，本边坡开挖后若未及时进行排水、支护，在暴雨、长时间降雨工况下，受软弱结构面控制等多因素的共同影响而发生滑动的可能性很大，且该滑动发生在软弱结构面上的可能性大于一般的圆弧滑动面。

4 结论与建议

（1）本边坡先运用了踏勘、钻探、试验手段，获得了岩土体空间分布情况、岩土体基本指标并指出了软弱结构面可能对边坡稳定性存在控制性作用；继而运用数模手段，分别建立了无软弱结构面和有软弱结构面2 种模型并计算了在正常工况和暴雨工况下的边坡稳定性系数； 最终通过计算结果得知，在暴雨工况下，发生以软弱结构面为滑面的折线型滑动可能性大于一般的圆弧滑动，因此在边坡支护防护设计时应重点关注软弱结构面。 推而广之，在对地质条件复杂的沉积岩地区的边坡进行勘察设计时，应尤其注重地质调绘和对岩芯的分析以便及时发现可能对边坡稳定性造成不利影响的因素，同样地，设计过程中也应注意诸如软弱结构面、顺倾层理对边坡稳定性的影响，针对性地选择适宜的计算分析方法。

（2）建议本边坡开挖时每8～10 m 设置一台阶，坡顶、坡底设置截、排水沟，坡面设置排水孔。 放坡应采用满足安全要求的坡率和支护防护形式。 强风化层坡率1∶0.75～1∶1.00， 第一阶建议采用重力式石挡墙、以上建议采用预应力锚索框架支护；坡积层、残积层坡率1∶1.00～1∶1.25， 建议采用拱形骨架植草防护。 开挖范围以外天然边坡植被应注意保护，防止水土流失。

（3）若采用预应力锚杆（索），锚杆（索）角度设置时应满足规范对锚杆（索）自身的倾角要求，自由段长度不应小于5.0 m，且应超过软弱结构面1.5 m。

（4）应坚持先勘察后设计的理念，勘察过程中应将实地踏勘与钻探资料相结合，对岩土设计的建议应具有针对性，避免不必要的施工期变更或因其导致的事故。