北方某高速公路右側(cè)挖方邊坡穩(wěn)定性分析

賈 濤

(中鐵投資集團有限公司 北京市 100097)

在我國丘陵、山地區(qū)域進行高速公路建設(shè),為保護基本農(nóng)田需要在臨山地區(qū)修建大量高邊坡。為保證高邊坡的穩(wěn)定性與安全性,需對邊坡穩(wěn)定性進行分析,對于不穩(wěn)定邊坡及時處理,防止地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生[1]。對于巖質(zhì)邊坡而言,巖質(zhì)邊坡的變形與破壞是邊坡發(fā)展演化過程中兩個不同階段,變形屬于量變階段,破壞屬于質(zhì)變階段,二者在邊坡變化過程中相互密切聯(lián)系。

1 工程概況

K8+900～K9+300右側(cè)挖方邊坡為巖質(zhì)邊坡,是北方某省新建高速公路挖方路塹,地理位置位于本溪市明山區(qū)歡喜嶺村東,工點臨近G506,交通便利。該段邊坡最大挖深為34m,挖方最高處的樁號為K9+020.00,為五級邊坡。

2 場地工程地質(zhì)條件

(1)地形地貌

本路段地貌屬侵蝕構(gòu)造中低山地貌,地勢稍有起伏,地形坡度介于10°～25°,地面最大高程224.10m,最小高程177.3m,該段范圍內(nèi)地面最大高差46.80m。

(2)氣象特征

挖方區(qū)為溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū),冬季干冷而夏季濕熱,年平均氣溫為6～8℃,年平均降水量781.8～1200mm,最大日降水量657.9mm(1962年),季節(jié)性凍土標(biāo)準(zhǔn)凍深1.1m,一般10月中旬結(jié)冰,次年3月下旬解凍。

(3)水文特征

該區(qū)地表水系主要是遼河流域的太子河水系。水量受季節(jié)影響變化較大,補給來源主要為大氣降水,地表徑流條件較好。段落內(nèi)未見地表水,鉆探深度范圍內(nèi)未見地下水。

(4)地層巖性

圖1 實測剖面圖

(5)地質(zhì)構(gòu)造

挖方區(qū)所屬大地構(gòu)造單元為太子河新元古代～古生代坳陷。

根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪和鉆探資料,如圖2所示,路段內(nèi)有1條構(gòu)造斷層通過,沿山脊內(nèi)側(cè)延伸,主要分布于K9+026～K9+300右側(cè)。斷層寬約0.5～0.6m,走向近南北向,產(chǎn)狀93°∠78°。斷層外側(cè)巖體厚度4.6m,巖性為石英砂巖。

圖2 構(gòu)造斷層位置示意圖

路段內(nèi)受主要構(gòu)造斷裂影響,發(fā)育多條次生斷裂構(gòu)造,呈羽狀分布。邊坡失穩(wěn)往往是由于斷層錯動切割,巖體應(yīng)力釋放,極有可能造成邊坡失穩(wěn),同時斷層導(dǎo)致內(nèi)部節(jié)理裂隙,形成連續(xù)結(jié)構(gòu)面,對邊坡穩(wěn)定性也會產(chǎn)生不利影響。

3 勘察方法

針對該挖方邊坡,勘探方法主要采用工程地質(zhì)調(diào)繪、鉆探、槽探、原位測試等方法,對鉆孔位置使用華測(RTK91)進行大地坐標(biāo)控制并測量孔口高程,并對各地層采取代表性的巖土樣品進行室內(nèi)試驗。

(1)工程地質(zhì)調(diào)繪

為查明該邊坡的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、不良地質(zhì)及特殊巖土等工程地質(zhì)條件,對該邊坡段落左右200m范圍進行工程地質(zhì)調(diào)繪。

(2)鉆探

完成勘探點5個/進尺60m,鉆探采用XY-150型工程鉆機,泥漿護壁,對鉆孔位置使用華測(RTK91)進行大地坐標(biāo)控制并測量孔口高程,對各地層進行了留樣并采取代表性的巖土樣品進行室內(nèi)試驗,采取代表性樣品10組。

(3)探槽

為了查明斷層和石英砂巖、頁巖的接觸關(guān)系,查明斷層寬度及其延展方向等,在開挖坡面頂部進行挖探,開挖探槽長度4.0m,寬度0.6m,深度0.3～0.4m,探槽走向100°。通過探槽開挖揭露巖性從大樁號到小樁號依次為石英砂巖、斷層破碎帶、粉砂質(zhì)頁巖。追索到與斷面連通的斷層破碎帶,揭露斷層破碎帶厚度0.6m,產(chǎn)狀91°∠86°(傾向∠傾角),充填物成分與斷面出露相同,均為碎石及粘性土,說明整個邊坡均被該斷層貫通,成為控制性軟弱接觸帶。

4 邊坡工程地質(zhì)條件

路段內(nèi)邊坡總體地形呈近乎直立狀態(tài),上部為陡崖,基巖出露,地面自然標(biāo)高分布在176～300m,坡角大于70°,走向呈南東向延伸,危巖體距離道路中線44～73m。下部為較緩的崩塌堆積體,主要為塊石、碎石,坡度為30°～50°,緊鄰設(shè)計高速公路。

(1)邊坡地層巖性及其結(jié)構(gòu)面特征

邊坡地層巖性從左至右主要為①碎石、②3石英砂巖、②5斷層破碎帶、②3石英砂巖、③3粉砂巖、④3粉砂質(zhì)頁巖、⑤3石英砂巖等,詳見圖3。

圖3 邊坡典型橫斷面示意圖

邊坡外側(cè)②3石英砂巖為中厚層狀～厚層狀,為較硬巖,巖層產(chǎn)狀為20°∠15°,節(jié)理面產(chǎn)狀J1:190°∠85°、J2: 90°∠75°,構(gòu)造裂隙、卸荷裂隙較發(fā)育,結(jié)構(gòu)面發(fā)育間距一般0.5～1.5m。該層石英砂巖體被結(jié)構(gòu)面相互組合切割形成塊狀結(jié)構(gòu),巖體完整程度為較破碎～破碎。

②5斷層破碎帶為邊坡構(gòu)造斷裂面,斷裂面兩側(cè)巖性為石英砂巖,外側(cè)坡面產(chǎn)狀95°∠88°,與外側(cè)自然坡面產(chǎn)狀近乎相同。

邊坡內(nèi)側(cè)的③3粉砂巖、④3粉砂質(zhì)頁巖及⑤3石英砂巖產(chǎn)狀相同,為薄層狀～中厚層狀,層間距0.5～5.0cm,巖層產(chǎn)狀88°∠82°,節(jié)理面產(chǎn)狀J1:165°∠86°、J2:345°∠15°,間距0.1～0.2m,結(jié)構(gòu)面見鐵銹,結(jié)合差,無充填或充填巖屑。其中粉砂巖與粉砂質(zhì)頁巖呈互層狀態(tài),巖石堅硬程度為軟巖。巖體結(jié)構(gòu)類型為層狀～碎裂狀結(jié)構(gòu),巖體完整程度為破碎,風(fēng)化卸荷裂隙發(fā)育[2]。

(2)主要結(jié)構(gòu)面參數(shù)

巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強度指標(biāo)根據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30—2015)表3.7.3-1取值,同時參考《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50218)表3.7.3-1,并結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗值等綜合確定[3],具體見表1。

表1 巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強度指標(biāo)設(shè)計參數(shù)表

(3)挖方邊坡坡面工程地質(zhì)條件分述

該邊坡分成兩段進行評述:K9+026～K9+071段右側(cè)坡面為地形近乎直立的陡崖段、K9+071～K9+110右側(cè)坡面為地形較緩的滑塌段,K9+026～K9+110右側(cè)坡面現(xiàn)場見圖4。

圖4 K9+026～K9+110右側(cè)坡面現(xiàn)場照片

a.K9+026～K9+071段右側(cè)坡面:該段為巖層斷面,高度約為33m,坡面產(chǎn)狀95°∠88°,地勢陡峭,巖性主要為石英砂巖,巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,受斜向貫通斷裂結(jié)構(gòu)面影響。坡面垂向、斜向羽狀斷裂發(fā)育,已貫通或貫通趨勢,裂隙寬5～10cm,無充填,構(gòu)造較復(fù)雜,節(jié)理裂隙雜亂,整體穩(wěn)定性一般(見圖4)。

b.K9+071～K9+110右側(cè)坡面:該段地表為坡積土層覆蓋,巖性為含碎石粘性土,碎石含量約占40%,第四系厚度約為1.5～3.0m,未見巖石露頭,地勢較緩。據(jù)調(diào)查,1948年此處發(fā)生滑坡,形成簸箕狀坡面地形。此處坡面滑坡的成因:隨著巖石裂隙面的發(fā)育,逐漸形成連續(xù)滑動面,在重力作用下,滑動面上部巖體有向外滑動,后緣張拉裂縫逐漸擴大加深。前緣地段存在構(gòu)造斷層,外側(cè)基巖體厚度3～5m,節(jié)理裂隙發(fā)育,在重力及外部應(yīng)力作用下,前緣巖體沿構(gòu)造斷層沖斷,上部山體整體發(fā)生滑移。

5 邊坡穩(wěn)定性分析

對該段邊坡總體而言,K9+026～K9+071右側(cè)為巖層斷面,邊坡穩(wěn)定性相對較差,現(xiàn)通過分析該段巖體邊坡的變形與破壞來評價整體邊坡的穩(wěn)定性。

(1)滑動原因分析

K9+071～K9+110右側(cè)坡面滑坡是由于滑坡剪出口位置為立面基巖體,寬度3～5m,立面巖體后部為斷層破碎帶,由于邊坡的變形與破壞,巖體發(fā)生傾倒、墜落。隨著巖體主動土壓力增大,立面巖體無法阻擋巖體下滑,在重力作用下,滑動面上部巖體有向外滑動趨勢,后緣張拉裂縫逐漸擴大加深,形成連續(xù)滑動面,上部整體發(fā)生滑移,形成滑坡。

(2)赤平投影分析

對K9+071～K9+110段的石英砂質(zhì)邊坡進行赤平投影分析,判定巖體穩(wěn)定性:

a.滑動方向:沿交線C方向滑動。

b.穩(wěn)定類型:穩(wěn)定。

赤平投影分析,邊坡開挖后,坡面基本穩(wěn)定,詳見圖5。

圖5 石英砂巖赤平投影圖

(3)邊坡穩(wěn)定性計算

對該段邊坡采用理正巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析軟件進行穩(wěn)定性計算,計算簡圖見圖6。

圖6 K9+071～K9+110右側(cè)坡面滑坡穩(wěn)定性計算簡圖

該計算方法采用極限平衡法原理,根據(jù)實際地形及地質(zhì)情況,計算模型里將坡面分成了4段,并考慮了5種巖體,分別為碎石、石英砂巖、粉砂巖與粉砂質(zhì)頁巖互層、粉砂質(zhì)頁巖、粉砂巖夾粉砂質(zhì)頁巖。

K9+071～K9+110右側(cè)坡面:該段邊坡穩(wěn)定性主要由結(jié)構(gòu)面控制,巖體內(nèi)考慮了兩組結(jié)構(gòu)面,結(jié)構(gòu)面1位于石英砂巖內(nèi),內(nèi)摩擦角取27°,黏聚力取91kPa;結(jié)構(gòu)面2為石英砂巖與粉砂巖夾粉砂質(zhì)頁巖之間的斷層破碎帶,內(nèi)摩擦角取20°,黏聚力取7kPa。算得安全系數(shù)為1.493,屬穩(wěn)定邊坡[4]。

對于K9+026～K9+071右側(cè)邊坡,該處為巖層斷面,該斷面處具有與K9+071～K9+110右側(cè)滑坡相似的地質(zhì)條件,邊坡也具有形成滑坡可能性。根據(jù)計算可知,當(dāng)邊坡挖通斷層時,邊坡破壞模式如圖7,此時安全系數(shù)僅為0.983,為不穩(wěn)定邊坡[4]。因此應(yīng)盡量保證斷層外側(cè)石英砂巖巖體厚度,當(dāng)斷層外側(cè)石英砂巖巖體厚度大于5m時,對于斷層內(nèi)側(cè)軟弱互層巖體滑動具有明顯的抵抗作用,此時計算模型便轉(zhuǎn)化為K9+071～K9+110段邊坡計算模型,安全系數(shù)大于1.3,基本穩(wěn)定[4]。

圖7 K9+026～K9+071右側(cè)邊坡坡面滑坡穩(wěn)定性計算簡圖

6 結(jié)論與建議

(1)調(diào)查路段內(nèi)右側(cè)山體,山體頂部局部存在危巖體,自然狀態(tài)下較穩(wěn)定,考慮地震、暴雨沖刷等影響,K9+130～K9+300路段存在不穩(wěn)定巖體。

(2)通過定性分析計算,K9+026～K9+071右側(cè)的斷層外側(cè)石英砂巖巖體厚度小于5m時,斷層內(nèi)側(cè)軟弱互層巖體易發(fā)生圓弧滑動或直線型滑動。

(3)對道路右側(cè)K9+026～K9+160段,應(yīng)采用擋墻、削坡、噴錨等工程措施,確保邊坡安全。在高速公路運營期,對邊坡進行動態(tài)監(jiān)測,掌握其動態(tài)變化特征。