路塹邊坡勘察方法和穩定性評價初探

李咀偉 LI Ju-wei；盧曉玲 LU Xiao-ling；王方州 WANG Fang-zhou

（①山東緯地機械化施工有限公司，臨沂 276000；②山東省第七地質礦產勘查院，臨沂 276000；③中交遠洲交通科技集團有限公司臨沂分公司，臨沂 276000）

0 引言

邊坡滑坡、崩塌是路基失穩破壞較為常見的形式。路基工程形成邊坡分為兩種，一是路塹邊坡，一是路堤邊坡。其中，根據不同地層，路塹開挖會形成各類土質邊坡、巖質邊坡或土巖組合邊坡。

土質邊坡因坡面傾斜，土體在其自身重力和外部施加的荷載作用下，將出現由上而下的移動趨勢。當土體達到抗剪強度，使穩定平衡遭到破壞。

巖質邊坡成坡后，臨空面周圍巖體發生卸荷回彈，引起應力重分布和應力集中等效應，在巖體自重力、水和震動力等因素作用下，可能使邊坡巖體發生形式各異的破壞。

因此，設計人應對路基進行可能發生的失穩進行穩定性分析，保證路基設計滿足安全和經濟性要求。作為路基設計的基礎性依據，地質勘察成果資料的重要性越來越明顯。

1 深路塹勘察的成果要素

①地貌、地形及橫向坡度、斜坡自然穩定情況；②覆蓋層厚度、土質類型、地層結構、含水狀態、膠結與密實程度；③覆蓋層和基巖面的接觸形態及起伏變化；④基巖巖性、各類巖石組合及其風化程度、構成邊坡的巖體結構類型；⑤層理、節理、斷層、夾層、軟弱和破碎帶發育規模、結構面的產狀及其與路基的空間關系；⑥各類巖土的物理力學性質，對邊坡穩定起控制性作用的結構面抗剪切強度；⑦地下水出露的位置、地表水類型和分布、流動特征、流量及對邊坡穩定造成的影響；⑧路塹邊坡的天然和擬開挖后穩定性。

2 成果要素獲取

2.1 地質調繪

結合路塹走向、線形尺寸設計開展工程地質調繪。一般調繪范圍不小于擬形成的邊坡高度的3倍。對于地質構造復雜、巖體完整性差、風化程度高、存在發育的外傾結構面或厚度較大、邊坡上方存在較大匯水區域、地下水發育的邊坡，應根據實地工程地質情況對調繪的范圍進行調整。

根據調繪，重點表達破壞特征和穩定性判別控制要素。

2.1.1 地層結構

包含各層巖土名稱、巖石結構類型和成分、巖石風化程度、巖體破碎程度等。

2.1.2 邊坡巖體結構類型

判別控制要素巖石類型（沉積巖、侵入巖、變質巖、噴出巖、構造帶、破碎帶等）、地層產狀和節理發育情況（包含傾向、傾角、結構面和節理面膠結程度及填充物）、邊坡與層面的方向和夾角。

2.1.3 邊坡穩定特征

根據上述兩條，確定對邊坡穩定的控制要素。

①塊體結構：邊坡穩定性好，易形成陡峭直立邊坡，失穩時多沿結構面崩塌或滑動。巖體結構面及巖石抗剪強度對邊坡穩定性起控制性作用。

②層狀同向結構：滑動面沿巖層層面或軟弱夾層，坡腳破壞后產生順層的下滑，傾角較陡時可形成潰屈破壞。坡角與巖層傾角組合、順坡向發育的軟弱結構面強度對邊坡穩定性起控制性作用。

③層狀反向結構：巖層傾角陡時易發生傾倒松動變形；坡腳有軟弱地層發育時，主要在上部拉裂，局部發生崩塌滑動；共軛節理的組合交線傾向路基時，具備楔體滑動條件。邊坡坡角與巖層傾角組合、巖層厚度、層間結合強弱及反傾結構面發育程度對邊坡穩定性起控制作用。

④層狀斜向結構：層面與節理組成的楔形體易滑塌。邊坡穩定性受層面與坡面走向控制。

⑤層狀平疊結構：坡腳地層軟弱或層間發育軟弱層面時，因孔隙水壓力或開挖卸荷作用，滑移、崩塌、拉裂等變形在臨空面方向產生。

⑥碎裂結構：邊坡自然穩定性較差，穩定坡角由巖塊鑲嵌情況和巖體間的咬合力決定，常發生崩塌和弧形的滑動。

⑦散體結構：邊坡自然穩定性差，穩定坡角由巖體的抗剪強度決定，滑動面為圓弧狀。

2.2 鉆探和測試、試驗

2.2.1 勘探斷面

每段深路塹至少布置1條橫向勘探斷面，應根據現場地形和地質條件布置在具有代表性的位置。

2.2.2 勘探孔

每條勘探橫斷面上布置不宜少于2個的勘探點?？碧娇刹捎梦锾?、鉆探、挖探等綜合性手段?？刂菩糟@孔應深至設計路面線高程以下穩定的地層中3m以上。在地下水發育的路段，勘探孔還應根據排水工程的需要進行布置。

2.2.3 取樣和試驗

巖樣的采取應具有代表性，并對其進行密度、單軸飽和抗壓強度等試驗。土樣應根據實際地層情況，分層取樣，并對土試樣進行顆粒分析、天然含水率、密度、粘聚力和內摩擦角測定，粉土和粘性土還應測定塑限和液限。

2.2.4 地下水

有地下水發育時，應記錄其初見水位和穩定水位數據，并取樣進行水質分析試驗。

3 分析方法

3.1 類型判斷

在分析邊坡穩定性之前，應依照工程地質條件判斷邊坡可能發生的破壞形式、破壞方向、影響范圍等。在對邊坡可能發生的破壞方式進行判斷時，應同時考慮受巖土體自身強度和結構面控制的因素。

3.2 方法原則

邊坡穩定性計算可采用剛體極限平衡法。對結構復雜的巖質邊坡，可結合實體比例投影法和極射赤平投影法；對于破壞機制復雜的邊坡，可采用數值極限分析法。

3.3 建模原則

在對沿結構面滑動的穩定性進行計算時，根據結構面形態采用平面或折線形滑面。在對土質、極軟巖、破碎或極破碎巖質邊坡的穩定性計算時，可采用圓弧形滑面。

3.4 結論指標

采用剛體極限平衡法計算邊坡抗滑穩定性時，可分別采用圓弧形滑面、平面滑動面、折線形滑面相對應的穩定性系數計算公示。

4 實例分析

4.1 項目概況

某國道改擴建項目線路東段經過低山丘陵區，挖方路段較多。其中，K24+460路塹開挖沿267°方位穿越山體。根據現狀地面高程和設計路面線計算，最大開挖深度約17.5米，見圖1、圖2。

圖1 K24+460線路與地形現狀平面圖

圖2 K24+460設計縱斷圖

4.2 地質情況

4.2.1 地形特征

挖方路段地貌為低山剝蝕地貌，自然坡度約16.7°，地面標高介于96.3～121.3m之間，相對高差25m，地形起伏較大。地表植被發育，未見地表水體和地下水露頭。

4.2.2 地層巖性

根據工程地質調繪資料，挖方區地層在勘探深度范圍內主要為強風化~中風化晚元古代晉寧期侵入巖（ηγ23）花崗片麻巖地層，地層產狀80°∠70°~80°。

受地形條件制約，該工點共布置1個勘探剖面、鉆探孔3個（見圖1，孔號983、984、985），鉆探揭示地層如表1所示。

表1 鉆探地層情況表

根據線路試驗結果，選用邊坡計算相關參數見表2。

表2 邊坡計算相關參數

4.2.3 地表水和地下水

調查區地表水不發育，雨季或強降雨季節坡面會有暫時性匯流。

鉆探期間，路塹擬開挖深度內未揭露地下水，但根據巖石風化特征，地下水會在強降雨時接受大氣降水和上部孔隙水的補給，通過斷裂破碎帶、節理裂隙密集帶為導水運移的通道向區內最低侵蝕基準面排泄，經深循環后排出地表。

4.3 邊坡穩定特征

4.3.1 上部土質（全-強風化巖）邊坡

巖體特征：散體狀、碎裂狀巖體；不受外傾結構面控制。

變形破壞機制：滑動圓弧形。剪切-滑移。坡面臨空，邊坡過高，巖體發生剪切破壞，滑裂面上的抗滑力小于下滑力。

破壞特征：沿極軟巖、強風化巖、碎裂結構或散體狀巖體中最不利滑動面滑移，坡腳隆起。

破壞面形態：圓弧。

4.3.2 下部巖質邊坡

巖體特征：受結構面切割控制的巖體。

變形破壞機制：剪切-滑移。結構面臨空，交線傾向路基，楔體沿相交的兩結構面向下剪切-滑移。

破壞特征：兩個或三個結構面組合而成的楔形體，沿兩個滑動面交線方向滑動。

破壞面形態：兩個傾向相反，交線傾向路基的結構面組合。

4.4 邊坡穩定性分析

4.4.1 全-強風化巖邊坡穩定性定量分析

根據地質調繪、鉆探、試驗等手段獲取的地層數據和巖土參數，對邊坡上部約8m高地層（全風化花崗片麻巖、散體狀強風化花崗片麻巖、碎塊狀強風化花崗片麻巖）按照圓弧滑動模型建模，以開挖坡度1:1進行驗算見表3。

表3 圓弧滑動法驗算過程表

4.4.2 巖質邊坡穩定性定性分析

根據鉆探地層資料，路塹邊坡下部9.5m為較完整中風化花崗片麻巖，按巖質邊坡采用赤平投影法定性分析如下。

①節理統計。

現場地質人員對線位范圍內某典型露頭點1m2范圍的節理面進行了統計，以0.4m以上的節理面為統計節理面，共統計節理面產狀9組，見表4。

表4 節理統計表

經整理后繪制極點密度圖和玫瑰圖如圖3、圖4。

圖3 節理面極點密度圖

圖4 節理面玫瑰節理圖

由圖3和圖4可知現場巖體主要有4個統計學節理面。分別為，J1:135°∠90°，3條/m2，微張；J2:312.5°∠87.5°，2條/m2，閉合；J3:21°∠71°，2條/m2，閉合；J4:59°∠46.5°，2條/m2，閉合。

②邊坡穩定性分析。

1）挖方路段處于低山剝蝕區，區內無深大斷裂及全新活動性斷裂通過，地表未發現不良地質，地形坡度起伏較大。

該區段路線前進方向267°，開挖深度范圍內巖土體主要為晚元古代花崗片麻巖地層，邊坡在自然狀態下是穩定的。但邊坡開挖后，兩側邊坡應力平衡被破壞，在雨水、節理裂隙、自重力等多重影響作用下，易產生淺層滑塌或崩塌等不良地質現象。

2）由于基巖受后期構造及風化作用影響，節理裂隙較發育，經工程地質調繪測量，地層產狀80°∠70°~80°，主要發 育4組 節 理，J1:135°∠91°、J2:312.5°∠87.5°、J3:21°∠71°、J4:59°∠46.5°。繪制邊坡赤平投影圖如圖5所示。

圖5 邊坡赤平投影圖

3）J1、J2于右側邊坡的穩定性驗算

原始條件（參數選用見表5）。

表5 計算參數表

判定巖體穩定性（如圖6所示）：

圖6 J1、J2與右側邊坡赤平投影圖

a）滑動方向：沿交線C方向滑動。

b）穩定類型：穩定的。

4）J1、J2于左側邊坡的穩定性驗算

判定巖體穩定性（如圖7所示）：

圖7 J1、J2與左側邊坡赤平投影圖

a）滑動方向：沿交線C方向滑動。

b）穩定類型：最穩定的。

5）J3、J4于右側邊坡的穩定性驗算

判定巖體穩定性（如圖8所示）：

圖8 J3、J4與右側邊坡赤平投影圖

a）滑動方向：沿一條傾向線方向滑動。

b）穩定類型：穩定的。

6）J3、J4于左側邊坡的穩定性驗算

判定巖體穩定性（如圖9所示）：

圖9 J3、J4與左側邊坡赤平投影圖

a）滑動方向：沿一條傾向線方向滑動。

b）穩定類型：最穩定的。

7）主產狀于右側邊坡的穩定性判斷

判定巖體穩定性（圖略）：

a）滑動方向：沿一條傾向線方向滑動。

b）穩定類型：最穩定的。

8）主產狀于左側邊坡的穩定性驗算

判定巖體穩定性（圖略）：

a）滑動方向：沿一條傾向線方向滑動。

b）穩定類型：較穩定的。

4.5 結論

根據上部散體狀、碎裂狀風化巖層驗算，開挖坡度1:1情況下，邊坡穩定性系數1.64，滿足安全等級為一級的永久邊坡穩定安全系數Fst=1.35的規范要求。

根據下部較破碎中風化巖體驗算，J1、J2、J3、J4對于兩側邊坡穩定有利；主產狀于右側邊坡穩定有利，于左側邊坡較穩定。應加強左側邊坡的防護、排水等措施。

5 總結

①路塹邊坡勘探應采用地質調繪、勘探、巖土試驗等多種手段進行。

②在分析邊坡穩定性之前，應依照工程地質條件判斷邊坡可能發生的破壞形式、破壞方向、影響范圍等。在對邊坡可能發生的破壞方式進行判斷時，應同時考慮受巖土體自身強度和結構面控制的因素。

③在對沿結構面滑動的穩定性進行計算時，根據結構面形態采用平面或折線形滑面。在對土質、極軟巖、破碎或極破碎巖質邊坡的穩定性計算時，可采用圓弧形滑面。