某高速公路岩质高边坡破坏机理及稳定性分析

宋 健

(广州市市政工程设计研究总院有限公司,广东 广州 510000)

0 引言

我国西南地区高速公路规模庞大,由于独特的地域和地质条件,经常性出现开挖边坡工程,这些高陡边坡具有纵断面长、横断面宽的特点,尤其是结构复杂的岩质边坡在人工开挖、卸荷作用下,边坡形成临空面后应力重分布,岩体在自重和外力作用下沿软弱层发生整体或者局部破坏,严重危及人员安全和工程进度,因此,高陡岩质边坡的开挖稳定性研究是高速公路建设中的一项重大技术难题。

桑伟宁等[1]对高陡岩质边坡的稳定性进行了研究,并提出了潜在滑裂面理论;姚云[2]研究了公路开挖引起的古滑坡复活的成因和破坏机制,并对比了设计加固方案;贾东远等[3]开展了一系列的岩石力学试验,并利用反演分析法得到岩质边坡计算参数;许彬等[4]针对顺层岩质边坡特点,提出了基于数值模拟和微震监测方法的综合评价手段,为边坡的动态施工提供了参考。

以上研究对高陡岩质边坡稳定性具有重要的参考价值。目前鉴于开挖岩质边坡失稳模式的特殊性,本文以西南某高速公路开挖边坡为例,根据其工程地质条件,利用工程地质分析法初步探讨了边坡潜在破坏模式,同时结合极限平衡法、岩体质量分级理论,综合详实的分析了该开挖边坡的稳定性。

1 研究区工程概况

研究区位于四川省攀枝花市,属剥蚀丘陵间谷地地貌,地势起伏较大,山上植被发育,多为树木及杂草丛生,高边坡长约120 m,宽约90 m,最大高差约90 m,边坡倾向279°,坡度25°～70°,高速公路线位以桥梁形式通过,高陡边坡位于线路右侧,原设计方案按1∶1.75刷坡,拱形骨架护坡见图1。

研究区的地层主要为第四系残坡积粗角砾土,粗角砾一般粒径2 mm～20 mm,最大粒径40 mm,约占55%,黏性土充填,透水性较好,层厚约4 m;下伏灰褐色炭质页岩,强风化,岩芯呈砂砾状—碎块状,块径2 cm～5 cm,层厚5 m～20 m,变化较大;灰黑色炭质灰岩,强风化,岩芯呈碎块状,块径2 cm～9 cm,层厚0.7 m～1.9 m;灰褐色炭质页岩,强风化,岩芯呈碎块状,块径2 cm～5 cm,层厚5 m～14 m。受峨眉复背斜的影响,构造较发育,多为小型褶曲(见图2),岩层产状变化较大,节理裂隙发育,表层炭质页岩与炭质灰岩极为破碎。坡脚处有一季节性河流,受降雨补给,地下水类型主要为基岩裂隙水,要受降水入渗补给,动态变化较大。

现场共测得10个调查点,获取29组结构面,经分析,该区域主要发育4组结构面,节理等密度图见图3,4组节理裂隙特征见表1[5-6]。

表1 节理裂隙特征表

2 边坡破坏模式判别

2.1 变形演化特征

根据多期影像对比并结合现场调绘,边坡早在2014年3月份以前就存在前缘坡脚乱掘活动,使边坡前缘形成了高度较大的临空面(见图4(a)),对边坡稳定性产生了影响;2014年3月—2017年11月期间受降雨影响,雨水入渗至表层岩土体中,降低了临空面附近的边坡稳定性,导致边坡发生失稳,滑体堆积在坡脚,部分冲至河道中,形成了滑坡周界陡坎(见图4(b)),呈“圈椅状”,滑坡周界后移约10 m～15 m;2017年11月至今临空面附近发生多次小型溜塌,滑坡周界变化不大[7-9]。

现状老滑坡平面形态呈半月形,滑体厚度一般6 m～12 m,局部可能超过18 m,滑体物质以角砾土及全风化炭质页岩为主;圈椅状后缘陡壁目前高约5 m～10 m,坡度约60°～70°(见图1),滑面发育于粗角砾土、强风化炭质页岩中,滑坡大里程方向侧壁滑面产状307°∠42°。

受河流冲刷坡脚、人工开挖、降雨入渗及风化作用等内外地质应力作用影响,在重力作用下导致临空面附近岩土体不断发生局部坍塌或滑移变形,形成新的临空条件,进而再次发生局部坍塌或滑移变形,依此类推,滑坡后缘不断后退,宏观上表现出从前向后扩展的“牵引后退式”滑动模式[10-11]。

2.2 破坏机理分析

边坡上覆薄层残坡积粗角砾土,下伏强风化炭质页岩、炭质灰岩,岩层较厚,岩性软弱,受构造影响岩体极为破碎,风化严重,自然坡角30°左右,自然状态下基本稳定。由于前缘坡脚乱掘活动及相关工程活动,形成了高差20 m～30 m、坡度70°～90°的临空面,破坏了自然边坡的应力平衡,导致应力重分布,在坡脚附近产生应力集中;且区域内多年平均降水量1 768.9 mm,最大年际降水量高达2 673.6 mm,降雨入渗导致地下水位抬高,静水压力增加产生动水压力,增大下滑力,增加了岩土体容重,弱化了岩土体强度,显著降低了安全系数。在长期降雨入渗、地下水活动、风化等作用下,最终受降雨、人工开挖等因素触发,浅层强风化岩体内部某个面上的剪应力达到它的抗剪强度,稳定平衡受到破坏,在临空面剪出从而导致工程边坡发生滑塌,危及公路行车安全。

3 岩体质量分级评价

对于岩质边坡而言,合理的岩体质量分级可以客观反映出边坡岩体本身特性,亦是边坡稳定性分析的基础所在。本文采用常规的CSMR岩体质量分级体系对边坡岩体进行质量分级,步骤如下:

第一步,提取该高边坡的岩石强度、岩石质量指标、节理、裂隙水特性参数,查表得到RMR分级结果为30-33;第二步,结合边坡及所处地质环境条件,引入坡高修正系数ζ及结构面条件系数λ,修正RMR分级,可得质量分级与稳定性评价,结果见表2。

表2 边坡CSMR分级评分表

由CSMR得分可见:高边坡在自然状态下岩体级别均为Ⅲ级,处于基本稳定状态,破坏概率0.4;受不明原因乱掘后形成陡峭的临空面,开挖状态下岩体级别均为Ⅳ级,处于不稳定状态,破坏概率0.6。

4 基于极限平衡法的边坡稳定性分析

当前,对边坡的稳定性定量分析常采用极限平衡法,基本原理为刚塑性理论分析,要求满足力和力矩的平衡、M-C准则。这其中,Morgenstern-Price方法同时考虑了力平衡和矩平衡的变形协调问题,计算精度高、适应工况广泛,因此本文采用Morgenstern-Price法建立极限状态方程进行滑动破坏分析[12]。

4.1 地质剖面选择

选择具有代表性的剖面为分析对象,地层从上至下依次为:粗角砾土(Qel+dl),层厚0 m～4 m;滑坡堆积体(Qel+dl),主要以角砾土及全风化炭质页岩为主,层厚0 m～9 m;寒武系下统荷塘组(1h)强风化炭质页岩,层厚6 m～20 m;寒武系下统荷塘组(1h)强风化炭质灰岩,层厚0.5 m～1 m;寒武系下统荷塘组(1h)强风化炭质页岩,层厚5 m～14 m;寒武系下统荷塘组(1h)弱风化炭质页岩,剖面简图如图5所示。

4.2 基础参数选择

该地区地震基本烈度为6度,据《建筑边坡工程技术规范》不考虑地震作用的影响,故本次边坡稳定性分析采用天然工况、暴雨工况进行计算。岩土体计算参数主要依据室内试验,参考GB/T 50218—2014工程岩体分级标准并结合现场实际情况综合分析获得的,建议值见表3。结合前文分析,本工程宏观上主要呈现由前向后扩展的“牵引后退式”滑动模式,取值时重点考虑岩土接触面和炭质页岩(W3)的冗余度,故应重点关注上部松散堆积物及陡坎的整体稳定性[13-16]。

表3 岩土体物理力学参数

4.3 稳定性分析

经过分析计算,岩质高边坡在天然工况、暴雨工况下造成的潜在滑面(M-P法)如图6所示,天然工况下稳定系数为1.10,暴雨工况下稳定系数为1.04,小于1.2,均不满足安全储备。从破裂面看滑坡后缘后退,宏观上表现出从前向后扩展的“牵引后退式”滑动模式,与前文分析一致。

5 防护设计讨论

道路边坡设计的本质是用耐久性好、实用性强、安全性高的防护措施保证边坡的稳定性,满足长久运营安全,边坡支护施工便捷,且能承受各类荷载。

由此,综合前文可知,该边坡属“牵引后退式”滑动模式,需采用“清方+加固+防水”设计理念,建议:1)清除老滑体范围内松动岩土体。2)坡脚位置采用埋入式抗滑桩、重力式挡土墙等加固措施,应采用暴雨工况进行设计;坡面采用锚杆格梁等方式防护;坡顶做防排水措施。3)河道附近坡面做好防冲刷防护。

6 结论

1)高边坡在外力作用下,临空面附近岩土体不断发生局部坍塌或滑移变形,滑坡后缘不断后退,宏观上表现出从前向后扩展的“牵引后退式”滑动模式。

2)由CSMR得分可见:高边坡在自然状态下岩体级别均为Ⅲ级,处于基本稳定状态,破坏概率0.4;受工程开挖形成陡峭的临空面,开挖状态下岩体级别均为Ⅳ级,处于不稳定状态,破坏概率0.6。

3)运用极限平衡法对破坏模式进行判定,计算可得边坡在天然工况下稳定系数为1.10,暴雨工况下稳定系数为1.04,均不满足安全储备。