開挖巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)機制與防治失敗啟示

陳 莉

（廣東省水利水電第三工程局有限公司，廣東 東莞 523710）

無論是在交通、水利水電、礦山工程，還是生活生產(chǎn)中，開挖邊坡變形失穩(wěn)的案例是舉不勝舉[1～4]，尤其是含有層間軟弱夾層的邊坡，造成了巨大損失[5～7]。為此，大量學(xué)者對此類開挖失穩(wěn)邊坡從不同的角度，采用不同方式進行研究，積累了諸多寶貴經(jīng)驗[8～11]。然而，含軟弱夾層開挖邊坡失穩(wěn)卻難以完全預(yù)測和有效治理[12]。

本文以某場區(qū)開挖失穩(wěn)邊坡為例，提出兩個有意義的思考問題：①邊坡開挖前邊坡進行了詳細(xì)的工程地質(zhì)勘察和大量的巖土試驗，并進行了優(yōu)化的開挖設(shè)計，計算為安全狀態(tài)，為什么發(fā)生失穩(wěn)破壞？②邊坡前緣進行防護措施后，前緣穩(wěn)定的情況下為什么發(fā)生繼續(xù)變形，導(dǎo)致巖層彎曲，地表隆起？

通過對邊坡變形失穩(wěn)過程特征進行分析，探究其形成機理。

1 邊坡概況

1.1 地質(zhì)條件

某場地的挖方巖質(zhì)邊坡，邊坡上覆0.5 m～1.0 m 第四系殘坡積層(Q4el+dl)，下伏強～中風(fēng)化三疊系關(guān)嶺組(T2g3)泥質(zhì)白云巖夾薄層狀泥巖。巖層產(chǎn)狀為0°∠20°，層厚度25 cm～35 cm不等，含有 3 組優(yōu)勢節(jié)理：28°∠75°，198°∠79°，318°∠88°。根據(jù)設(shè)計施工要求，由上及下逐級開挖，坡向為正北，開挖后為順層巖質(zhì)邊坡。

根邊坡巖體顯著特點：在白云巖層面接觸部位存在由于構(gòu)造錯動、雨水下滲泥化作用，薄層的頁巖、泥巖形成而形成狀泥質(zhì)軟弱夾層，厚度為0.5 cm～2.5 cm，呈灰白色或雜色，軟塑狀，滲透性差，但遇水易軟化。

1.2 失穩(wěn)過程及特征

邊坡于2017 年10 月28 日開始進行爆破施工，2017 年12 月10 日形成高度約38.4 m 的邊坡，分為三個臺階四個坡面。在經(jīng)歷連續(xù)降雨后，邊坡于20 日發(fā)現(xiàn)開始發(fā)生變形：首先在坡腳處發(fā)生滑移，坡表出現(xiàn)拉裂縫，走向以近東西為主，以及走向為 305°～320°、25°～35°的拉裂縫，寬度一般小于1 cm。隨著時間的推移，拉裂縫由下及上逐級出現(xiàn)。隨即停止該部分邊坡開挖施工，并在坡腳回填反壓大量碎石進行坡腳反壓防護。根據(jù)現(xiàn)場觀測，邊坡中上部坡體持續(xù)發(fā)生蠕滑變形，拉裂縫進一步發(fā)展，坡腳出現(xiàn)隆起，坡體拉裂縫增深，增寬，最終失穩(wěn)。圖1-A 為失穩(wěn)邊坡全貌，1-B 為后緣拉裂縫，1-C、1-D 為坡體中部拉裂縫，1-E 為邊坡前緣隆起變形。

圖1 開挖失穩(wěn)邊坡

2 滑面分析

2.1 探槽

失穩(wěn)邊坡布設(shè)兩個探槽揭示滑面特征，分別為探槽TC-1位于三級坡面中部，距離坡腳線10.8 m（坡表斜距），深度為4.6 m；TC-2 位于三級邊坡坡腳，深度為2.4 m。

探槽TC-1 底部為青灰色～磚紅色的軟軟弱夾層，厚度1 cm～2 cm，內(nèi)部含巖塊巖屑，巖塊長不大于2 cm，厚度不大于1 cm，常呈不規(guī)則棱角狀，而夾層內(nèi)部存在完整規(guī)則鱗片結(jié)構(gòu)，無剪切擦痕跡象。軟弱夾層表層存在滲水和泥化現(xiàn)象，可見滑動擦痕?；嫖恢脼檐浫鯅A層的上表面與巖層面接觸部位，見圖2。

圖2 夾層滑面

探槽TC-2 揭示，該處為薄層～層狀黃色、土黃色夾雜褐紅色泥質(zhì)白云巖，層厚4 cm～8 cm，由于擠壓彎曲，部分巖體呈塊狀，尤其是在坡腳具有明顯鉸鏈狀拱曲。在探槽底部層面存在擦痕，以判定該層為滑面層。

2.2 滑面確定

含軟弱夾層的邊坡失穩(wěn)滑面通常是沿著軟弱夾層內(nèi)部剪切滑移，或以軟弱夾層與巖層面的接觸部位剪切滑移[13]。

通過室內(nèi)對軟弱夾層的剪切試驗，獲取抗剪切參數(shù)值，并進行現(xiàn)場大型剪切試驗，獲取軟弱夾層與巖層面接觸部位抗剪切參數(shù)值。當(dāng)軟弱夾層的內(nèi)摩擦角φn小于巖層面與軟弱夾層之間的接觸摩擦角φj時，軟弱夾層的抗剪強度才代表結(jié)構(gòu)面的抗剪強度；反之，剪切面產(chǎn)生于軟弱夾層和巖層面之間的接觸部位，見圖3。

圖3 剪切面位置圖（A.內(nèi)部剪切面；B.上部剪切面）

滿足上式（1），剪切面位于軟弱夾層內(nèi)部；當(dāng)夾層和巖層層面之間不滿足上式（1），其滑面為上部巖體下層面與夾層接觸部位。通過對軟弱夾層現(xiàn)場取樣進行軟弱夾層室內(nèi)剪切試驗，獲取剪切面通過軟弱夾層內(nèi)部的抗剪參數(shù)；同時，通過大型剪切試驗，獲取軟弱夾層表面與巖層面接觸部位的抗剪參數(shù)。試驗結(jié)果見表1。由表1 可知，ψn＞ψj，滑面位置為軟弱夾層的上表面與巖層面接觸部位，而并非軟弱夾層內(nèi)部剪切形成。試驗結(jié)論與探槽揭示的滑面位置一致。

表1 軟弱夾層試驗成果

2.3 穩(wěn)定性計算

根據(jù)坡體結(jié)構(gòu)特征，邊坡穩(wěn)定性計算公式為：

式中：K 為穩(wěn)定性系數(shù)；φ 為內(nèi)摩擦角；l0為失穩(wěn)坡體滑面的長度；C 為黏聚力；G 為坡體重力。

將表1 中的試驗參數(shù)帶入式（2），可求的邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為：

因此，由式（3）可以看出邊坡開挖前采用室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)，即邊坡滑面沿軟弱夾層內(nèi)部進行剪切破壞是存在認(rèn)識和計算失誤的。應(yīng)該按照滑面位于夾層與上不巖層接觸面計算，即邊坡穩(wěn)定性系數(shù)K＜1，邊坡開挖后發(fā)生失穩(wěn)。

3 邊坡漸進失穩(wěn)演化分析

3.1 失穩(wěn)坡體運動特征

邊坡失穩(wěn)運動過程可分為兩個階段：后退式漸進牽引失穩(wěn)破壞和前進式蠕變下滑運動。首先，塊體①在重力作用下沿著層間軟弱夾層向下剪切滑移，在坡體上形成拉裂縫；塊體②前部失去塊體①的支擋作用，在重力作用下沿軟弱夾層向下剪切滑移，形成坡體拉裂縫。坡體由下而上，逐級發(fā)生牽引式失穩(wěn)，直至塊體⑧發(fā)生向下滑移變形。其次，在邊坡前緣回填碎石反壓，防止邊坡繼續(xù)下滑失穩(wěn)。根據(jù)現(xiàn)場勘查結(jié)果顯示，回填碎石反壓后一段時間后，塊體①、②停止下滑，基本處于穩(wěn)定性狀態(tài)，但上部邊坡體③～⑧持續(xù)沿著軟弱夾層蠕滑變形，并且擠壓前緣塊體①、②，但由于無滑移空間，最終使得塊體②發(fā)生巖層向上彎曲，坡體表面產(chǎn)生隆起。整個失穩(wěn)過程見圖4。

圖4 邊坡失穩(wěn)過程示意圖

3.2 邊坡失穩(wěn)機制

通過以上分析，邊坡失穩(wěn)機制概括為：邊坡巖體結(jié)構(gòu)條件為基礎(chǔ)；開挖施工、降雨下滲為促進條件；軟弱夾層及層面物理力學(xué)性質(zhì)軟化為反應(yīng)；蠕滑變形、漸進破壞為過程；極限平衡破壞，邊坡變形失穩(wěn)為結(jié)果。邊坡失穩(wěn)機制示意圖見圖5。

圖5 邊坡失穩(wěn)機制

3.3 防治失敗啟示

邊坡變形初期，正確判斷該邊坡為后退式漸進變形失穩(wěn)，卻忽略了中上部坡體的蠕滑變形。為阻止其進一步破壞再前緣進行坡腳反壓，有效地阻止前緣部分繼續(xù)下滑。然而，坡體的中上部的層間夾層已經(jīng)軟化，再重力作用下繼續(xù)發(fā)生蠕滑變形，對前緣坡體產(chǎn)生下滑推力。前緣坡體受到坡腳反壓以及中上部坡體下滑推力作用下發(fā)生彎曲隆起，邊坡變形失穩(wěn)。針對此類邊坡變形失穩(wěn)不僅要有效防治已經(jīng)失穩(wěn)部分，更為重要的是要分析邊坡進一步演化特征，尤其是層間軟弱夾層的蠕變性質(zhì)。

4 結(jié)論

1）滑面位置式在軟弱夾層力學(xué)性狀最弱部位。形成滑面的部位主要是夾層上表層與巖層面接觸部位，而并非軟弱夾層內(nèi)部?；嫖恢酶淖兗催吰碌姆€(wěn)定性評價的地質(zhì)- 力學(xué)模型隨之改變，滑面的差異對邊坡穩(wěn)定性影響較大。

2）失穩(wěn)坡體運動特征為兩個階段：前進式漸進牽引失穩(wěn)破壞和推移式下滑運動。邊坡開挖后，降雨等作用下層間軟弱夾層軟化，首先由坡腳發(fā)生后退式漸進失穩(wěn)，而進行坡腳反壓后，中上部坡體繼續(xù)發(fā)生蠕滑變形，致使坡腳巖層在上部坡體的推力作用下局部發(fā)生隆起，形成鉸鏈?zhǔn)綇澢冃巍?/p>

3）在針對該類邊坡進行設(shè)計、支護時，要進行正確的穩(wěn)定性計算，滑面確定尤其是關(guān)鍵，同時要判定可能是的失穩(wěn)演化機制，且不能忽略層間軟弱夾層蠕變性質(zhì)。