沉積巖風(fēng)化層邊坡穩(wěn)定性分析方法

■余世元

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，福州 350004）

近年來福建省基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展逐漸由沿海向內(nèi)陸山區(qū)鋪開，隨著建筑、交通、水利等行業(yè)的發(fā)展和基建需求，出現(xiàn)了大量邊坡、基坑工程。 而閩中、 閩西山區(qū)正是福建省沉積巖發(fā)育的集中地區(qū)，其工程特性往往較差，在巖土工程勘察、設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮的因素較火山巖地區(qū)更多，故在勘察時(shí)應(yīng)當(dāng)特別重視現(xiàn)場踏勘， 綜合分析其不利因素，提出有針對性的處理建議。

1 工程概況與成果分析

選取閩中三明地區(qū)某二級公路邊坡為研究對象，坡度約30°，未開挖時(shí)狀況穩(wěn)定。 建成后邊坡傾向NE55°，高約36 m，長約120 m，擬開挖為4.5 階邊坡。

1.1 區(qū)域地質(zhì)成果分析

根據(jù)相應(yīng)的1∶5 萬區(qū)域地質(zhì)圖及說明書， 場區(qū)內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜，斷裂交錯，主要斷層走向以北東—北北東向?yàn)橹鳌?根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪，邊坡段落內(nèi)及附近兩側(cè)250 m 內(nèi)，未見構(gòu)造跡象。

1.2 踏勘成果分析

場地未見地表水系發(fā)育，未見明顯的等高線驟變或負(fù)地形等古滑坡特征[1]；開挖平縱范圍內(nèi)未見活動性構(gòu)造、地裂縫、崩滑、采空區(qū)、礦藏、巖溶等不良地質(zhì)現(xiàn)象或不利于邊坡工程建設(shè)的因素。 臨近邊坡的基巖處測得層理產(chǎn)狀為45°∠25°，層厚約為5～8 m。

1.3 鉆探、試驗(yàn)成果分析

在擬開挖邊坡高度1/3、2/3 及近坡頂處各布置一個(gè)鉆孔，詳見圖1。 根據(jù)鉆探成果，該邊坡坡積層（Qdl）和殘積層（Qel）總厚度約為12～16 m，下伏基巖為三疊系下統(tǒng)溪尾組（T1xw）鈣質(zhì)粉砂巖夾泥巖，其強(qiáng)風(fēng)化層揭露厚度約為8～12 m，且全風(fēng)化—碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化層分布界線模糊，巖芯均呈砂土狀風(fēng)化巖夾碎塊狀風(fēng)化巖，但總體上呈“上部土稍多、下部碎石稍多”的分布趨勢，其中砂土占比約80%；碎塊中，粒徑20 mm 以上、200 mm 以下者占比約75%。 地下水位穩(wěn)定埋深均處于中風(fēng)化層頂面處。

于SP30 的17.0 m、SP31 的20.5 m、SP32 的23.3 m處，發(fā)現(xiàn)厚7～15cm 的夾層，該層呈灰白色，顆粒細(xì)膩手捻感類似于粉質(zhì)粘土且搓條后不產(chǎn)生明顯裂紋、無搖振反應(yīng)、粘性較強(qiáng)，與同在天然地下水位以上的鄰近強(qiáng)風(fēng)化地層相比，含水率明顯偏高，初判其已接近飽和。 該夾層兩側(cè)被方解石顆粒包夾，從性狀、強(qiáng)度上均明顯不同于其上下地層。 本邊坡所取中風(fēng)化巖樣本的飽和抗壓強(qiáng)度為15.6 MPa，軟化系數(shù)η 為0.68，為具有軟化性質(zhì)的較軟巖，可知其風(fēng)化層同樣具有水軟性質(zhì)，在飽和后強(qiáng)度亦較差。

綜上，本邊坡在天然狀態(tài)下穩(wěn)定，未見不良地質(zhì)分布。 根據(jù)內(nèi)、外業(yè)成果資料綜合分析，邊坡風(fēng)化層較厚，泡水后強(qiáng)度顯著下降，并存在一條垂直寬度7～15 cm 并貫穿風(fēng)化層的軟弱夾層，初步分析該夾層產(chǎn)狀與區(qū)域性層理發(fā)育情況基本吻合，產(chǎn)生的原因系原新鮮巖體中的貫穿性方解石脈在各種地質(zhì)營力作用下，沉積、風(fēng)化不均所形成，風(fēng)化后產(chǎn)生的粘土礦物使其相對于周邊的強(qiáng)風(fēng)化巖具有更大的基質(zhì)吸力[2-3]，進(jìn)而具有較強(qiáng)的“鎖水”作用，因此在天然狀態(tài)下其已接近飽和。 該軟弱夾層傾向與擬開挖邊坡臨空面傾向接近， 傾角小于擬開挖坡角，故對于本邊坡而言，該夾層為順層軟弱結(jié)構(gòu)面[4]，不利于邊坡穩(wěn)定。

2 模型分析與計(jì)算

2.1 參數(shù)

限于客觀因素，無法對強(qiáng)風(fēng)化層進(jìn)行現(xiàn)場直接剪切試驗(yàn)， 故對強(qiáng)風(fēng)化層的參數(shù)采用經(jīng)驗(yàn)值，飽和狀態(tài)下的參數(shù)參照軟化系數(shù)，為天然狀態(tài)下的0.68 倍；其余地層采用實(shí)測數(shù)據(jù)，各層主要參數(shù)見表1。

表1 主要參數(shù)

2.2 無軟弱結(jié)構(gòu)面模型

本邊坡以土質(zhì)為主，故采用土質(zhì)邊坡常用的圓弧滑動面作分析， 采用GeoStudio 軟件進(jìn)行正常工況和暴雨工況下巖土體飽和時(shí)的二維穩(wěn)定性分析。計(jì)算采用M-P 法，自動搜索最不利滑面。 計(jì)算模型見圖2。

圖2 GeoStudio 計(jì)算模型圖

2.3 有軟弱結(jié)構(gòu)面模型

將剖面圖中各鉆孔夾層連線的中段作為繪圖傾角β，即β=24°；繪圖比例系數(shù)k=1；剖面與區(qū)域性層理傾向夾角ω=7°； 區(qū)域性層理傾角作為真傾角α=25°，代入式（1）后計(jì)算結(jié)果相差微小。

說明前述章節(jié)對 “不利結(jié)構(gòu)面系順層理發(fā)育”的空間分布情況初步分析是正確的， 這也與沉積巖地區(qū)的工程經(jīng)驗(yàn)相吻合。

因軟弱結(jié)構(gòu)面過薄， 采用GeoStudio 軟件模擬存在建模困難，而二維剖面上軟弱結(jié)構(gòu)面形成的連線近似呈折線型，因此宜采用傳遞系數(shù)法[5]計(jì)算本邊坡軟弱結(jié)構(gòu)面上的穩(wěn)定性系數(shù)，分塊方式見圖3，計(jì)算所采用公式及相關(guān)參數(shù)見式（2）、表2。

表2 折線型傳遞系數(shù)法參數(shù)

圖3 分塊示意圖

2.4 模型計(jì)算成果評價(jià)

根據(jù)表3 的計(jì)算成果， 在正常工況下，2 種模型的計(jì)算結(jié)果均顯示為“穩(wěn)定狀態(tài)”；在暴雨工況下，按無軟弱結(jié)構(gòu)面模型計(jì)算結(jié)果顯示仍為“穩(wěn)定狀態(tài)”，而按有軟弱結(jié)構(gòu)面模型計(jì)算結(jié)果則顯示為“欠穩(wěn)定狀態(tài)”。 這說明軟弱結(jié)構(gòu)面對本邊坡的穩(wěn)定性起到了控制性作用，在進(jìn)行開挖后的穩(wěn)定性計(jì)算、支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)其影響不能忽略。

表3 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算成果

3 邊坡穩(wěn)定性分析

經(jīng)過踏勘、鉆探等資料分析后，判定開挖前的天然坡體是穩(wěn)定的，但風(fēng)化層中存在一條與區(qū)域性層理產(chǎn)狀接近的貫穿性軟弱結(jié)構(gòu)面，其對于邊坡系一不利結(jié)構(gòu)面。 一方面，在天然坡體進(jìn)行開挖后，原埋藏狀態(tài)的不利結(jié)構(gòu)面露出在開挖臨空面上； 另一方面，原覆蓋層滲透系數(shù)相對較小并有植被保護(hù)，降雨入滲量小，而開挖后，強(qiáng)風(fēng)化層呈直接暴露狀態(tài)，滲透系數(shù)較高， 暴雨或長時(shí)間降雨后巖土體重度上升，下滑力增大，與此同時(shí)c、φ 等力學(xué)指標(biāo)降低，抗滑力減小， 對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響， 當(dāng)遇到暴雨、長時(shí)間降雨的情況，邊坡巖土體達(dá)到完全飽和的狀態(tài)時(shí)， 理論上邊坡將因軟弱結(jié)構(gòu)面的控制性作用而處于“欠穩(wěn)定”狀態(tài)。

綜上，本邊坡開挖后若未及時(shí)進(jìn)行排水、支護(hù)，在暴雨、長時(shí)間降雨工況下，受軟弱結(jié)構(gòu)面控制等多因素的共同影響而發(fā)生滑動的可能性很大，且該滑動發(fā)生在軟弱結(jié)構(gòu)面上的可能性大于一般的圓弧滑動面。

4 結(jié)論與建議

（1）本邊坡先運(yùn)用了踏勘、鉆探、試驗(yàn)手段，獲得了巖土體空間分布情況、巖土體基本指標(biāo)并指出了軟弱結(jié)構(gòu)面可能對邊坡穩(wěn)定性存在控制性作用；繼而運(yùn)用數(shù)模手段，分別建立了無軟弱結(jié)構(gòu)面和有軟弱結(jié)構(gòu)面2 種模型并計(jì)算了在正常工況和暴雨工況下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)； 最終通過計(jì)算結(jié)果得知，在暴雨工況下，發(fā)生以軟弱結(jié)構(gòu)面為滑面的折線型滑動可能性大于一般的圓弧滑動，因此在邊坡支護(hù)防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注軟弱結(jié)構(gòu)面。 推而廣之，在對地質(zhì)條件復(fù)雜的沉積巖地區(qū)的邊坡進(jìn)行勘察設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)尤其注重地質(zhì)調(diào)繪和對巖芯的分析以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能對邊坡穩(wěn)定性造成不利影響的因素，同樣地，設(shè)計(jì)過程中也應(yīng)注意諸如軟弱結(jié)構(gòu)面、順傾層理對邊坡穩(wěn)定性的影響，針對性地選擇適宜的計(jì)算分析方法。

（2）建議本邊坡開挖時(shí)每8～10 m 設(shè)置一臺階，坡頂、坡底設(shè)置截、排水溝，坡面設(shè)置排水孔。 放坡應(yīng)采用滿足安全要求的坡率和支護(hù)防護(hù)形式。 強(qiáng)風(fēng)化層坡率1∶0.75～1∶1.00， 第一階建議采用重力式石擋墻、以上建議采用預(yù)應(yīng)力錨索框架支護(hù)；坡積層、殘積層坡率1∶1.00～1∶1.25， 建議采用拱形骨架植草防護(hù)。 開挖范圍以外天然邊坡植被應(yīng)注意保護(hù)，防止水土流失。

（3）若采用預(yù)應(yīng)力錨桿（索），錨桿（索）角度設(shè)置時(shí)應(yīng)滿足規(guī)范對錨桿（索）自身的傾角要求，自由段長度不應(yīng)小于5.0 m，且應(yīng)超過軟弱結(jié)構(gòu)面1.5 m。

（4）應(yīng)堅(jiān)持先勘察后設(shè)計(jì)的理念，勘察過程中應(yīng)將實(shí)地踏勘與鉆探資料相結(jié)合，對巖土設(shè)計(jì)的建議應(yīng)具有針對性，避免不必要的施工期變更或因其導(dǎo)致的事故。