基于破壞機(jī)理與破壞模式的道路邊坡分類淺析

邊坡在道路（鐵路公路）帶狀工程中占比較高，邊坡工程可靠性對道路工程建設(shè)投資以及后期運(yùn)營安全影響較大。影響邊坡可靠性的因素多，其中邊坡破壞機(jī)理、邊坡破壞模式直接影響邊坡工程設(shè)計的有效性和針對性。準(zhǔn)確判明邊坡破壞機(jī)理、邊坡破壞模式，并有針對性地采取相應(yīng)的加固防護(hù)措施，是道路邊坡勘察設(shè)計的技術(shù)關(guān)鍵。本文在總結(jié)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，基于邊坡破壞機(jī)理與破壞模式，歸納總結(jié)出共5種、13類常見道路邊坡，并對各類邊坡的基本特征、破壞機(jī)理與破壞模式等進(jìn)行探討，希望有益于我國道路邊坡工程的設(shè)計。

基于破壞機(jī)理與破壞模式的道路邊坡分類

邊坡分類的相關(guān)研究較多，但由于分類目的不同，使得分類的原則和標(biāo)準(zhǔn)各異。邊坡的工程地質(zhì)分類，一般是從巖土結(jié)構(gòu)類型和邊坡變形破壞的力學(xué)機(jī)制來劃分的[1-5]。而在工程建設(shè)角度，邊坡的分類，一般是從邊坡的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定狀態(tài)來分類分級[6-10]。

道路工程建設(shè)中，需要在準(zhǔn)確判明邊坡破壞模式的基礎(chǔ)上，選擇相應(yīng)的方法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析，并對邊坡有針對性的進(jìn)行加固防護(hù)。但道路工程的邊坡具有數(shù)量多、地質(zhì)條件復(fù)雜、地質(zhì)資料匱乏等特點，需要從邊坡破壞機(jī)理與破壞模式入手，結(jié)合邊坡巖土特征、破壞關(guān)鍵因素等進(jìn)行探討，以方便從事道路邊坡勘察設(shè)計的工程師在工程實踐中快速識別并判斷邊坡破壞模式。為此，我們總結(jié)出道路邊坡為5種、13類（圖1）。

圖1 基于破壞機(jī)理與破壞模式的道路邊坡分類

道路邊坡基本特征及破壞機(jī)理與破壞模式

土質(zhì)邊坡

土質(zhì)邊坡，是一種常見的道路邊坡類型。土質(zhì)邊坡的黏性土成分多時，通常稱為黏性土邊坡，砂性土成分較多則稱為砂性土邊坡。土質(zhì)邊坡通常會出現(xiàn)因邊坡坡度較陡而發(fā)生坍塌、失穩(wěn)，或因坡面受雨水沖蝕形成沖溝引起沖溝溯源侵蝕而造成局部邊坡坍塌或失穩(wěn)，也會出現(xiàn)因為邊坡潛水作用引起邊坡坍塌或失穩(wěn)的情況發(fā)生。均質(zhì)的黏性土邊坡多出現(xiàn)圓弧破裂失穩(wěn)；均質(zhì)的砂性土邊坡則可能出現(xiàn)圓弧破裂失穩(wěn)，或是直線破裂破壞。因此，土質(zhì)邊坡從破壞機(jī)理和破壞模式角度來看，大致可以分為兩類：均質(zhì)砂性土邊坡和均質(zhì)黏性土邊坡。（圖2）

土質(zhì)邊坡還有一種類型，其物質(zhì)組成為碎（塊）石及土，其中碎（塊）石含量較高，具有一定級配，其結(jié)構(gòu)較為緊密，通常稱為碎（塊）土邊坡。碎（塊）土邊坡通常容易出現(xiàn)因邊坡坡度較陡而發(fā)生坍塌、失穩(wěn)，邊坡多出現(xiàn)局部折線坍塌，或直線破裂失穩(wěn)。（圖3）

軟質(zhì)巖，通常是指巖石飽和抗壓強(qiáng)度小于30MPa的巖體。影響軟質(zhì)邊坡穩(wěn)定的因素，除巖石強(qiáng)度外，還有巖層結(jié)構(gòu)面、破碎程度、風(fēng)化程度等。其中，是否具有不利于邊坡穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)面對邊坡穩(wěn)定影響較大。因此，軟質(zhì)巖邊坡，從破壞機(jī)理和破壞模式角度區(qū)分，可分為一般軟質(zhì)巖邊坡和順層軟質(zhì)巖邊坡。

一般軟質(zhì)巖邊坡，其邊坡穩(wěn)定性主要受巖石強(qiáng)度以及巖層破碎程度、風(fēng)化程度等因素的影響，它的破壞模式包括直線破裂破壞、圓弧破裂破壞以及折線破裂破壞——破裂面的后緣與邊坡巖體豎向節(jié)理結(jié)構(gòu)面聯(lián)通，形成折線形式的破裂面。（圖4）

順層軟質(zhì)巖邊坡，除受巖石強(qiáng)度及巖層破碎程度、風(fēng)化程度等因素的影響外，還會受到巖層不利結(jié)構(gòu)面的控制。其破壞模式，包括直線破裂破壞、圓弧破裂破壞以及折線破裂破壞，其中巖層不利結(jié)構(gòu)面是潛在破裂面。（圖5）

硬質(zhì)巖邊坡

影響硬質(zhì)巖邊坡穩(wěn)定性的因素主要有巖層破碎程度、巖層結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度以及結(jié)構(gòu)面與邊坡的相互關(guān)系等。巖層破碎程度，可以按照巖層被切割后的塊體大小進(jìn)行劃分，如碎石狀、塊石狀，對于比較完整的巖質(zhì)巖層，其穩(wěn)定性則主要受控于不利的結(jié)構(gòu)面（層理面、節(jié)理面以及卸荷裂隙）。其破壞模式主要是直線破裂或折線破裂（破裂面的后緣與邊坡巖體豎向節(jié)理結(jié)構(gòu)面聯(lián)通，形成折線形式的破裂面）。（圖6）

當(dāng)存在順向的不利的結(jié)構(gòu)面時，如軟弱夾層或貫通的泥化層面，則存在沿結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生崩塌、滑動的可能。其破壞模式主要是沿結(jié)構(gòu)面的直線破裂或折線破裂。（圖7）

結(jié)構(gòu)面陡傾或反傾，則可能存在巖層崩塌、傾倒、落石等破壞的可能性。（圖8）

復(fù)合邊坡

所謂復(fù)合邊坡，一類是“土+石”邊坡，即上部為土層，下部為巖層的邊坡。這類邊坡也是常見的道路邊坡類型，特別是在山區(qū)道路中較為常見。從土層與巖層的接觸面形態(tài)看，可分為緩傾巖面和陡傾巖面。緩傾巖面二元結(jié)構(gòu)邊坡，指土層與巖層的接觸面傾角緩于20度，從工程角度可以忽略巖面傾角的不利影響，其破壞模式主要有：土層部分邊坡因邊坡坡率過陡，或因地表水沖蝕或地下水潛蝕而引起邊坡坍塌或失穩(wěn)，下部巖層坍塌引起上部土層邊坡失穩(wěn)等。當(dāng)巖面傾角較陡時，陡傾層面二元結(jié)構(gòu)邊坡可能存在上部土層沿土石接觸面的滑動破壞。（圖9）

還有一類邊坡，是軟硬互層巖石邊坡，典型代表為川東紅層砂泥巖互層邊坡。軟硬互層巖石邊坡多為沉積巖，其層面多為近水平狀。在這類邊坡中，軟質(zhì)巖石受風(fēng)化等自然營力作用，產(chǎn)生剝落、坍塌等破壞，其上部的硬質(zhì)巖石，因喪失支撐而出現(xiàn)巖體開裂，繼而會使局部脫離母巖的巖體產(chǎn)生傾倒、坍塌。此外，硬質(zhì)巖石邊坡也會因為巖石強(qiáng)度、不利結(jié)構(gòu)面、裂隙水壓力、地震作用等產(chǎn)生坍塌、滑移等破壞。（圖10）

長大邊坡

圖2 均質(zhì)砂性土邊坡和均質(zhì)黏性土邊坡破壞模式示意圖

圖3 碎（塊）石土邊坡破壞模式示意圖

圖4 一般軟質(zhì)巖邊坡和順層軟質(zhì)巖邊坡破壞模式示意圖

圖5 順層軟質(zhì)巖邊坡沿巖層不利結(jié)構(gòu)面破壞模式示意圖

圖6 碎塊狀硬質(zhì)巖邊坡破壞模式示意圖

圖7 順層硬質(zhì)巖邊坡破壞模式示意圖

圖8 陡傾（反傾）硬質(zhì)巖邊坡破壞模式示意圖

長大邊坡，指邊坡的坡長較長、坡高較高，工程設(shè)計一般采用階梯型邊坡形式，并將其分為多級。長大邊坡，其破壞機(jī)理破壞模式與一般邊坡不同，主要表現(xiàn)在：長大邊坡存在分級失穩(wěn)、漸次失穩(wěn)現(xiàn)象；既存在單級邊坡破壞或失穩(wěn)，也存在多級邊坡整體破壞失穩(wěn)的可能。影響長大邊坡穩(wěn)定性的因素，主要有邊坡巖土體性質(zhì)和邊坡形式等。長大邊坡可分為長大土質(zhì)邊坡和長大硬質(zhì)巖石邊坡，軟質(zhì)巖石邊坡歸為土質(zhì)邊坡。長大土質(zhì)邊坡，可能出現(xiàn)某級邊坡圓弧破壞或多級邊坡整體圓弧破壞；長大硬質(zhì)巖石邊坡，可能出現(xiàn)某級邊坡局部直線或折線破壞，或多級邊坡折線或直線破壞。（圖11）

道路邊坡分類的作用及其應(yīng)用

（1）道路屬于帶狀工程，道路邊坡具有工點多、地質(zhì)復(fù)雜多樣、勘察工作量大等特點，如何高效率完成道路邊坡勘察是道路邊坡勘察工作最現(xiàn)實的問題。道路邊坡勘察的關(guān)鍵是收集能夠滿足工程設(shè)計的資料，包括收集道路邊坡穩(wěn)定性判別的資料?；诒疚牡牡缆愤吰路诸?，可方便勘察人員“按圖索驥”，有針對性收集相關(guān)資料，可顯著提高生產(chǎn)效率。

（2）道路邊坡設(shè)計需要根據(jù)邊坡所處的環(huán)境以及地質(zhì)情況，識別邊坡穩(wěn)定的影響因素以及潛在破壞模式，并針對可能出現(xiàn)的破壞模式進(jìn)行計算分析，以及設(shè)計必要的加固防護(hù)工程。邊坡防護(hù)工程設(shè)計，主要針對邊坡破壞機(jī)理和影響邊坡穩(wěn)定的因素，來消除不利于邊坡穩(wěn)定的因素，增強(qiáng)有利于邊坡穩(wěn)定的因素，從而提高邊坡穩(wěn)定的安全性和可靠性?；诒疚牡牡缆愤吰路诸?，可方便設(shè)計人員“按圖索驥”，提高設(shè)計的針對性，避免設(shè)計盲目性，保證工程設(shè)計質(zhì)量。

（3）影響道路邊坡穩(wěn)定的因素是復(fù)雜的，對于道路邊坡破壞機(jī)理、破壞模式的研究探索，具有理論和現(xiàn)實意義。本文基于道路邊坡破壞機(jī)理、破壞模式的道路邊坡分類，除可直接用于指導(dǎo)道路邊坡勘察設(shè)計人員進(jìn)行設(shè)計外，對于道路及相關(guān)領(lǐng)域邊坡研究的設(shè)計、施工管理人員，也具有借鑒參考意義。

結(jié)語

邊坡工程可靠性對道路工程建設(shè)投資以及后期運(yùn)營安全的影響較大，道路邊坡設(shè)計的關(guān)鍵是準(zhǔn)確判明邊坡破壞機(jī)理、邊坡破壞模式，并有針對性地采取相應(yīng)的加固防護(hù)措施。本文在總結(jié)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，提出了基于邊坡破壞機(jī)理與破壞模式的5種、13類道路邊坡分類，并給出了各類邊坡的基本特征、破壞機(jī)理與破壞模式，可供道路邊坡工程勘察設(shè)計項目參考借鑒。

圖9 緩傾巖面二元結(jié)構(gòu)邊坡和陡傾層面二元結(jié)構(gòu)邊坡破壞模式示意圖

圖10 軟硬互層巖石邊坡破壞模式示意圖

圖11 長大土質(zhì)邊坡和長大硬質(zhì)巖石邊坡破壞模式示意圖