關(guān)于巖質(zhì)邊坡計(jì)算中的參數(shù)選用探討

阮鐵鋒

（中國聯(lián)合工程有限公司，浙江 杭州 310052）

0 引言

路基邊坡設(shè)計(jì)是路基設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)工作，山體開挖邊坡防護(hù)更是邊坡設(shè)計(jì)中較為棘手的內(nèi)容之一，很多工程設(shè)計(jì)師會發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題：有些設(shè)計(jì)的邊坡與山體原來的自然坡度相同或比較接近，為何計(jì)算的時(shí)候卻發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定系數(shù)會不滿足呢？本文從這個(gè)問題出發(fā)，主要針對挖方邊坡設(shè)計(jì)中的整體滑移穩(wěn)定——圓弧形滑移的參數(shù)取值角度來進(jìn)行探討。討論的邊坡為山體挖方邊坡，山體由同一類巖組成，巖層分層連續(xù)、清晰，地質(zhì)災(zāi)害等特殊情況不作探討。

1 現(xiàn)行規(guī)范解讀

目前市政、建筑行業(yè)內(nèi)關(guān)于邊坡設(shè)計(jì)可以參照的規(guī)范，主要是兩本，一是《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2015），二是《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330—2013）。對于圓弧滑動的計(jì)算，兩本規(guī)范都對適用范圍進(jìn)行了明確。

《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2015）3.7.5 條：規(guī)模較大的破裂結(jié)構(gòu)巖質(zhì)邊坡和土質(zhì)邊坡宜采用簡化Bishop 法計(jì)算，備注中還將強(qiáng)風(fēng)化巖和極軟巖可劃入破裂巖；《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB5 0330—2013）5.2.3 條：計(jì)算土質(zhì)邊坡、極軟巖邊坡、破碎或極破碎巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性時(shí)，可采用圓弧形滑面。兩本規(guī)范均從巖石的堅(jiān)硬程度、風(fēng)化程度和完整程度三方面對適用范圍進(jìn)行了歸納，相比較而言，路基規(guī)范相對涵蓋的范圍要廣一些，將所有強(qiáng)風(fēng)化巖都列進(jìn)了，道路設(shè)計(jì)工程師們在實(shí)際工作中，也往往會按此規(guī)范執(zhí)行，將強(qiáng)風(fēng)化層納入圓弧滑動計(jì)算的范圍。

2 巖層分析

根據(jù)巖體分級標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，巖石分定性和定量兩個(gè)層面，從堅(jiān)硬、風(fēng)化、完整程度三個(gè)方面來進(jìn)行分類。平時(shí)設(shè)計(jì)中接觸到的地質(zhì)勘察報(bào)告，多從定性層面、風(fēng)化程度來闡述，因?yàn)閹r石堅(jiān)硬和完整性，更多依賴于專業(yè)的檢測設(shè)備或室內(nèi)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而風(fēng)化程度判定，可以在現(xiàn)場通過顏色、錘擊、物理力學(xué)特征、結(jié)構(gòu)破碎情況等來確定。日常地勘報(bào)告中對于巖層風(fēng)化程度的判定，大都是定性的。當(dāng)然，也有相對精準(zhǔn)的定量判定，規(guī)范對巖石風(fēng)化程度定量劃分見表1。

表1 巖石風(fēng)化程度定量劃分表

由表1 可知，各類風(fēng)化層的定義是有區(qū)間的，層與層之間其實(shí)是連續(xù)的，而同一類型的巖層其性能也可能差異極大。地勘報(bào)告所揭示的全風(fēng)化巖層、強(qiáng)風(fēng)化巖層，其實(shí)應(yīng)該是介于相鄰兩層之間的連續(xù)層，而非單一均質(zhì)層。

綜上，對于一些地質(zhì)情況相對簡單的自然山體，全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化自上而下規(guī)律性分布，如果不加分析直接采用地勘報(bào)告的巖石參數(shù)，就會人為地制造出性質(zhì)迥異的巖層交界面，出現(xiàn)巖層參數(shù)的跳躍式變化，如圖1 所示，圖中巖層采用了某山體開挖項(xiàng)目凝灰?guī)r的相關(guān)參數(shù)。

圖1 巖層C 值分布圖（縱軸為C值，橫軸為埋深）

圖1 中巖層的黏聚力c 如此設(shè)置顯然不合理，更是不嚴(yán)謹(jǐn)，特別是埋深較大的強(qiáng)風(fēng)化層與中風(fēng)化層之間。按此參數(shù)進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算，會導(dǎo)致結(jié)果偏安全，這也是很多邊坡開挖之后，會長期穩(wěn)定不變，但是根據(jù)計(jì)算卻可能出現(xiàn)穩(wěn)定性不足的緣故。

3 相關(guān)建議

除卻地質(zhì)變化復(fù)雜的山體，單一巖性的山體內(nèi)部巖層實(shí)際分布情況，因?yàn)轱L(fēng)化影響受深度會逐漸減少，巖層變化必然是連續(xù)的，各層參數(shù)的變化必然也是連續(xù)的。因此巖層參數(shù)的選用，要在分析地勘資料后，進(jìn)行適當(dāng)修正，建議修正如下：

（1）全風(fēng)化巖層一般厚度不大，可按照均質(zhì)土計(jì)算；

（2）強(qiáng)風(fēng)化巖層，層頂參數(shù)取強(qiáng)風(fēng)化層的地勘參數(shù)，層底參數(shù)取中風(fēng)化巖層參數(shù)，層間參數(shù)連續(xù)分布，內(nèi)插計(jì)算。每個(gè)分層的取值選取該層的最小值。圖1 所示的參數(shù)分布結(jié)果就是每層不分層的情況。

4 計(jì)算實(shí)例

某山體邊坡開挖，邊坡高度為18 m，自然山體坡率約為1∶1。經(jīng)勘察資料顯示，山體自上而下分3層，1 層為全風(fēng)化凝灰?guī)r，褐黃色，黃灰色等，巖芯呈土狀或砂土狀，中密或者可塑至硬可塑，礦物成份全部變化，結(jié)構(gòu)、構(gòu)造不清晰，局部分布，厚度約3.0 m。2 層為強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r，褐黃色，黃灰色等，礦物成份大部已變化，結(jié)構(gòu)、構(gòu)造不甚清晰，裂隙發(fā)育，巖芯呈碎塊狀或短柱狀，可折斷，錘擊易碎，錘擊聲悶，分布廣泛，厚度約11.0 m。3 層中風(fēng)化凝灰?guī)r：青灰色，深灰色，灰黑色等，礦物成份基本未變化，凝灰質(zhì)結(jié)構(gòu)，致密塊狀構(gòu)造，裂隙較發(fā)育，巖芯呈碎塊狀、短柱狀，裂隙面上見風(fēng)化次生礦物，錘擊聲脆，重?fù)舫蓧K狀，巖石單軸極限抗壓強(qiáng)度9.3～121.3 MPa，全場分布，揭露最大厚度6.0 m，未揭穿。各巖層詳細(xì)參數(shù)見表2。

表2 地勘巖層參數(shù)表

設(shè)計(jì)邊坡挖作臺階狀，參考《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2015）相關(guān)規(guī)定，按照6 m 分臺，共分3臺，最底下一級邊坡開挖坡度為1∶0.75，上面兩級都設(shè)置為為1∶1，每臺馬道寬2 m，為便于計(jì)算，巖層假設(shè)都水平走向。根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2015）與《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330—2013）規(guī)定，此邊坡全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r巖石結(jié)構(gòu)基本破碎，整體滑移穩(wěn)定計(jì)算采用簡化Bishop法，中風(fēng)化巖層構(gòu)造相對完整，也采用簡化Bishop 法。

計(jì)算分三種模式進(jìn)行比較，模式一按照慣用的整層計(jì)算，模式二將強(qiáng)風(fēng)化層分成2層，模式三將強(qiáng)風(fēng)化層分為3 層。各自計(jì)算后的滑移面如圖2所示。

圖2 滑移面計(jì)算示意圖

圖2（a）為不分層計(jì)算的滑移面，安全系數(shù)為1.25，滑弧面穿透整個(gè)強(qiáng)風(fēng)化層；圖2（b）為強(qiáng)風(fēng)化層分2層計(jì)算后的滑移面，安全系數(shù)1.72，可見滑移面明顯減小，安全系數(shù)也提高；圖2（c）為強(qiáng)風(fēng)化層分3 層計(jì)算后的滑移面，安全系數(shù)1.66，可見滑移面進(jìn)一步減小，安全系數(shù)也滿足要求。

5 結(jié)語

路塹邊坡在道路設(shè)計(jì)中極為常見，設(shè)計(jì)中除遇到特殊情況，如傾向與邊坡基本一致、傾角小與邊坡角，或者有巖層破碎帶這樣的情況，需要在設(shè)計(jì)中額外進(jìn)行加強(qiáng)之外，其他巖質(zhì)邊坡的支護(hù)設(shè)計(jì)，往往會因?yàn)閰?shù)不加分析地選用而偏于保守。特別是針對強(qiáng)風(fēng)化層參數(shù)的選用，該層上部一般有足夠埋深，下部連接中風(fēng)化層，巖性上下之間相差會特別大，因此，在設(shè)計(jì)中有必須要進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化。并提出如下建議：

（1）在邊坡勘察階段，要求勘察單位加強(qiáng)對強(qiáng)風(fēng)化巖層的勘探工作，最好在勘察報(bào)告中對強(qiáng)風(fēng)化層進(jìn)行細(xì)化分層并提供不同參數(shù)；

（2）采用動態(tài)設(shè)計(jì)方式，施工階段根據(jù)坡面開挖情況，實(shí)地勘察后進(jìn)行適當(dāng)修正，以節(jié)約工程造價(jià)。