地質(zhì)勘察時順層路塹邊坡穩(wěn)定性的初步判定方法

高芳芳，鄧 睿，宋 章，丁文富

(1.四川大學(xué) 錦城學(xué)院，四川 成都 611731；2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

隨著我國山區(qū)鐵路建設(shè)的發(fā)展，很多路基工程不可避免地在層狀巖體中開挖修建。當(dāng)巖層走向、傾向與開挖邊坡走向、傾向接近或大體一致時，稱為順層路塹邊坡，其變形破壞與地層巖性、巖體結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、水文地質(zhì)特征密切相關(guān)[1]。針對順層路塹邊坡的形成機(jī)制、破壞模式、影響因素和穩(wěn)定性分析，許多學(xué)者從不同的角度做了大量研究并取得一定的成果。

目前，鐵路工程對順層路塹邊坡穩(wěn)定性大多根據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行判定，但是判定取值的來源或準(zhǔn)確與否并沒有明確的說法。本文對既有順層邊坡穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行分析，并結(jié)合實際工程和經(jīng)驗，總結(jié)探討鐵路地質(zhì)勘察中順層路塹邊坡穩(wěn)定性初步判定的條件，給出相對明確的參考取值。

1 順層路塹邊坡分類及破壞類型

1.1 順層路塹邊坡分類

根據(jù)邊坡臨空面數(shù)量，可分為單臨空面、雙臨空面順層路塹邊坡。單臨空面多見于地形為一面坡，路塹開挖形成單一臨空面；雙臨空面多見于路塹一端存在天然切割的較深溝槽、陡坎等。

根據(jù)邊坡巖性，可分為軟質(zhì)巖(如頁巖、泥巖、砂巖等)、硬質(zhì)巖(如灰?guī)r、白云巖、石英砂巖等)順層路塹邊坡，以及軟質(zhì)巖和硬質(zhì)巖組合(如灰?guī)r夾頁巖等)形成的路塹邊坡。

根據(jù)巖層傾角大小，可將路塹邊坡分為緩傾(5°～15°)、中傾(15°～35°)、陡傾(35°～60°)路塹邊坡。

根據(jù)巖層厚度，可分為薄層、中厚層、厚層及巨厚層路塹邊坡。

1.2 順層路塹邊坡破壞類型

根據(jù)巖層的傾角及坡腳的關(guān)系，順層巖質(zhì)邊坡典型的變形破壞模式具有一定的規(guī)律[2]，見表1。

表1 順層巖質(zhì)邊坡變形破壞規(guī)律

注:α為巖層傾角，β為坡角。

2 順層路塹邊坡穩(wěn)定性判定探討

順層路塹邊坡一般沿軟弱夾層或?qū)娱g結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑移破壞?，F(xiàn)在地質(zhì)勘察中對順層路塹邊坡穩(wěn)定性判定的方法是：首先邊坡走向與線路夾角滿足一定范圍值，然后再對巖層傾角進(jìn)行判定。

順層路塹邊坡穩(wěn)定性的主要影響因素是巖層結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度，但是卻難以快速簡易地查明。因此如何通過巖性、巖層厚度等因素利用巖層傾角來判定邊坡穩(wěn)定性是地質(zhì)勘察過程中需要解決的問題。

2.1 巖層走向與線路夾角判定

巖層走向與線路夾角的大小是判斷是否發(fā)生順層滑移破壞的重要指標(biāo)之一。目前該夾角取值并沒有明確的規(guī)定，鐵路部門多采用40°或45°，水利和電力部門分別采用30°和40°，而國外則多采用20°作為順向坡的上限值[3]。

結(jié)合渝懷鐵路沿線順層滑坡的發(fā)育特征，文獻(xiàn)[4-5]通過地質(zhì)力學(xué)模型試驗對巖層走向與線路夾角進(jìn)行了模擬研究，得出單臨空面和雙臨空面情況下巖層走向與邊坡走向夾角的上限值(見表2)，但是僅對巖層傾角在20°～35°時進(jìn)行了模擬分析，存在一定的片面性。

表2 巖層走向與邊坡走向夾角

根據(jù)實際工程分析[6-8]，水柏鐵路銀山順層滑坡(雙臨空面)巖層傾角18°～22°，巖層走向與線路的夾角40°～50°；某鐵路雙臨空面順層邊坡發(fā)生滑移，其巖層視傾角14°，巖層走向與線路方向夾角達(dá)到56°；湯屯高速公路AK3+690—AK3+888段雙臨空面邊坡發(fā)生順層破壞，巖層走向與線路的夾角近似平行，巖層傾角達(dá)到40°～50°；渝懷鐵路在巖層走向與線路的夾角大于30°時順層滑坡減少，但是仍有少數(shù)順層滑坡發(fā)育。因此在實際工程中依據(jù)夾角進(jìn)行判定時應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

從力學(xué)原理上講，順層路塹邊坡是否發(fā)生滑動破壞，主要看滑體下滑力T與滑動面上抗滑力T′的關(guān)系，其穩(wěn)定性系數(shù)K為

(1)

式中：c為層間結(jié)構(gòu)面黏聚力；L為滑動面長度；G為滑體重力；φ為層間結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角。

(2)

圖1 線路走向與巖層走向夾角變化示意

選取c=20 kPa，φ=25°，L=30 m，α=40～80°，G=50 000 kN/m 進(jìn)行穩(wěn)定性計算，得出不同傾角時夾角ω與穩(wěn)定性系數(shù)的關(guān)系見圖2。可知：隨著ω值的增加，K值逐漸增大；但隨著α值增大，K值逐漸降低。當(dāng)ω值達(dá)到80°時邊坡仍會失穩(wěn)，從而并不存在一個夾角上限值能使邊坡保持在穩(wěn)定狀態(tài)。所以線路走向與巖層走向夾角僅用于考慮路塹邊坡開挖后來自線路側(cè)面的失穩(wěn)破壞。當(dāng)正對邊坡開挖時(即ω=90°)亦須進(jìn)行相應(yīng)防護(hù)，如隧道進(jìn)出口開挖須對仰坡順層加強(qiáng)支擋防護(hù)。

圖2 不同傾角時夾角ω與穩(wěn)定性系數(shù)K的關(guān)系

因此，結(jié)合實際工程及順層路塹邊坡是來自線路側(cè)面的破壞，單臨空面邊坡走向與巖層走向夾角以45°為判定上限值是合理的，雙臨空面邊坡則建議按60°考慮。

2.2 內(nèi)摩擦角判定

巖層層面或軟弱夾層的黏聚力和內(nèi)摩擦角是影響順層路塹邊坡穩(wěn)定性的重要因素，順層邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)由其組合形式?jīng)Q定。隨著強(qiáng)度參數(shù)增加，穩(wěn)定性系數(shù)近于線性增加。但是在勘察設(shè)計過程中，順層邊坡層面強(qiáng)度參數(shù)的取值往往具有較大爭議。

由于順層巖質(zhì)邊坡的抗剪強(qiáng)度參數(shù)難以簡便獲得。李安洪等[9]提出了當(dāng)巖層傾角小于層間綜合內(nèi)摩擦角時，按一般路塹設(shè)計，在鐵路地質(zhì)勘察中一般根據(jù)工程經(jīng)驗進(jìn)行取值。這就把復(fù)雜的巖層強(qiáng)度參數(shù)與巖層傾角(視傾角)建立了關(guān)系，通過對巖層傾角的測量即可對順層路塹邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行初步判定[10-12]。

2.2.1 綜合內(nèi)摩擦角探討

邊坡巖體綜合內(nèi)摩擦角與邊坡類型、高度、坡形、坡率等因素有關(guān)，一般高度越大其值越小。同一個值用于高度很大的邊坡可能十分危險，而用于高度很小的邊坡又可能十分保守。綜合內(nèi)摩擦角φ′為

φ′=arctan[tanφ+2c/(γhcosθ)]

(3)

式中：h為邊坡高度；θ為巖體破裂角，取值45°+φ/2。

依據(jù)GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》中表4.3.1結(jié)構(gòu)面(層面)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行計算，邊坡高度取最大值30 m，并考慮內(nèi)摩擦角折減系數(shù)，得出相應(yīng)條件下不同完整程度巖體的綜合內(nèi)摩擦角，見表3。

表3 不同結(jié)構(gòu)面綜合內(nèi)摩擦角

由表3可知，軟弱結(jié)構(gòu)面綜合內(nèi)摩擦角小于15.5°，硬性結(jié)構(gòu)面綜合內(nèi)摩擦角大于25.4°。即對軟質(zhì)巖或含軟弱夾層的路塹邊坡而言，當(dāng)巖層傾角大于14.3°時，則滿足判定條件；對硬質(zhì)巖而言，綜合內(nèi)摩擦角的取值范圍較大，可根據(jù)實際情況取值后與層面傾角進(jìn)行比較判斷。

實際工程中常見的巖層路塹邊坡軟質(zhì)巖多為砂巖、泥巖、頁巖，硬質(zhì)巖多為灰?guī)r，泥頁巖、炭質(zhì)頁巖、泥化夾層多形成軟弱夾層?，F(xiàn)以較破碎頁巖及灰?guī)r為典型巖性，根據(jù)其自然及飽和狀態(tài)下層面強(qiáng)度參數(shù)[13]計算綜合內(nèi)摩擦角，結(jié)果見表4。

表4 典型巖性層面綜合內(nèi)摩擦角計算結(jié)果

由表4可知，按降雨條件考慮，灰?guī)r層面綜合內(nèi)摩擦角為26.8°，灰?guī)r與頁巖接觸面綜合內(nèi)摩擦角為21.2°，頁巖(無膠結(jié))層面之間的綜合內(nèi)摩擦角為22.9°，軟弱夾層面綜合內(nèi)摩擦角按經(jīng)驗取值10°～12°。當(dāng)對應(yīng)層面傾角大于該值時則滿足判定條件。

2.2.2 實例分析

渝懷鐵路DK224+960—DK225+220順層路塹邊坡，巖性大部分為厚層灰?guī)r，重慶端為頁巖，巖層產(chǎn)狀為N51°E/30.5°NW。據(jù)表3分析，結(jié)合程度差的灰?guī)r硬性結(jié)構(gòu)面綜合內(nèi)摩擦角小于27.2°，頁巖軟弱結(jié)構(gòu)面綜合內(nèi)摩擦角小于15.5°，均小于巖層傾角，應(yīng)當(dāng)判斷為順層路塹邊坡；據(jù)表4分析，灰?guī)r層面綜合內(nèi)摩擦角26.8°，灰?guī)r與頁巖，頁巖與頁巖之間的綜合內(nèi)摩擦角均小于巖層傾角，應(yīng)當(dāng)判斷為順層路塹邊坡。2個表判定的結(jié)論一致，且與實際情況符合。

水柏鐵路銀山順層滑坡巖性為砂巖、泥灰?guī)r夾泥巖，傾角18°～22°，受構(gòu)造影響巖體較破碎，綜合內(nèi)摩擦角查表3為14.3°，小于巖層傾角，應(yīng)判定為順層邊坡，與實際情況符合。

2.3 巖層傾角范圍判定

通過上述綜合內(nèi)摩擦角的分析，得知了不同巖性巖層傾角的判定下限值，但是發(fā)生順層路塹邊坡破壞的巖層傾角范圍是多少還不明確。傾角小于15°的順層高邊坡一般可以自穩(wěn)[14]，當(dāng)傾角達(dá)到85°時巖質(zhì)邊坡破壞模式由滑移-潰屈轉(zhuǎn)變?yōu)閮A倒破壞[15-16]。根據(jù)國內(nèi)81處順層巖質(zhì)滑坡實例統(tǒng)計分析[17]，巖層傾角為10°～25°時比25°～35°時順層滑坡發(fā)生的數(shù)量多，即巖層傾角在10°～25°時更易發(fā)生順層破壞。

對實際工程中順層巖質(zhì)邊坡的傾角與穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得出安全系數(shù)與傾角的關(guān)系。根據(jù)鐵路工程對穩(wěn)定性安全系數(shù)的要求(一般為1.15)，可對實際工程中發(fā)生順層破壞的巖層傾角范圍進(jìn)行反推計算，結(jié)果見表5。

由表5可知，發(fā)生順層破壞的最小巖層傾角為21°，受層面或軟弱夾層力學(xué)性質(zhì)差異的影響，傾角的范圍變化較大，上限角度難以分析歸類。結(jié)合現(xiàn)有研究成果及實際工程，可綜合考慮順層路塹邊坡巖層傾角為10°～85°；根據(jù)綜合內(nèi)摩擦角探討結(jié)果，可認(rèn)為一般情況下發(fā)生順層的巖層傾角為14°～85°，當(dāng)含有軟弱夾層(泥化)時傾角范圍擴(kuò)大到10°～85°。

表5 巖層傾角反算結(jié)果

2.4 巖層厚度判定

一般而言薄層巖層承受外力作用的能力較差，易發(fā)生開裂或剪斷破壞。根據(jù)分析計算可知，巖層厚度對穩(wěn)定性安全系數(shù)影響較小，其一般具有隨巖層厚度增大而增加的趨勢，但是增加量很小[18-20]。例如對一巖層傾角10°～50°、巖層厚度1～5 m的路塹邊坡進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)巖層厚度對邊坡穩(wěn)定性有一定影響，但并不是很敏感[21]。

這表明了順層路塹邊坡的穩(wěn)定性受巖層厚度的影響較小，同時也說明了巖體的物理參數(shù)對順層巖質(zhì)邊坡并未起到控制作用。因此在地質(zhì)勘察過程中，巖層厚度可不作考慮。

3 結(jié)論

1)巖層走向與線路夾角是首要判定條件，單臨空面夾角小于45°、雙臨空面夾角小于60°時，則須進(jìn)一步判斷。

2)巖層剪切試驗實施難度大，結(jié)構(gòu)面傾角大于其綜合內(nèi)摩擦角是判定邊坡穩(wěn)定性的條件之一(邊坡高度不大于30 m)。

3)不同結(jié)構(gòu)面及典型巖性層面綜合內(nèi)摩擦角取值如表3、表4所示，實際判定可根據(jù)具體情況對應(yīng)選取。

4)路塹邊坡巖層傾角判定范圍為10°～85°，大于85°時破壞模式轉(zhuǎn)變?yōu)閮A倒破壞。

5)巖層厚度對順層路塹邊坡穩(wěn)定性影響較小，勘察中可不作為判定條件。

6)順層路塹邊坡穩(wěn)定性影響因素較多，使用巖層走向與線路夾角、綜合內(nèi)摩擦角、巖層傾角對其進(jìn)行初步判定后，須經(jīng)設(shè)計檢算確定支擋防護(hù)措施。