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(zhì)礦產(chǎn)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)
邊坡滑坡、崩塌是路基失穩(wěn)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(jù)不同地層,路塹開挖會形成各類土質(zhì)邊坡、巖質(zhì)邊坡或土巖組合邊坡。
土質(zhì)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(xiàn)由上而下的移動趨勢。當土體達到抗剪強度,使穩(wěn)定平衡遭到破壞。
巖質(zhì)邊坡成坡后,臨空面周圍巖體發(fā)生卸荷回彈,引起應(yīng)力重分布和應(yīng)力集中等效應(yīng),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(fā)生形式各異的破壞。
因此,設(shè)計人應(yīng)對路基進行可能發(fā)生的失穩(wěn)進行穩(wěn)定性分析,保證路基設(shè)計滿足安全和經(jīng)濟性要求。作為路基設(shè)計的基礎(chǔ)性依據(jù),地質(zhì)勘察成果資料的重要性越來越明顯。
①地貌、地形及橫向坡度、斜坡自然穩(wěn)定情況;②覆蓋層厚度、土質(zhì)類型、地層結(jié)構(gòu)、含水狀態(tài)、膠結(jié)與密實程度;③覆蓋層和基巖面的接觸形態(tài)及起伏變化;④基巖巖性、各類巖石組合及其風化程度、構(gòu)成邊坡的巖體結(jié)構(gòu)類型;⑤層理、節(jié)理、斷層、夾層、軟弱和破碎帶發(fā)育規(guī)模、結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀及其與路基的空間關(guān)系;⑥各類巖土的物理力學(xué)性質(zhì),對邊坡穩(wěn)定起控制性作用的結(jié)構(gòu)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(wěn)定造成的影響;⑧路塹邊坡的天然和擬開挖后穩(wěn)定性。
結(jié)合路塹走向、線形尺寸設(shè)計開展工程地質(zhì)調(diào)繪。一般調(diào)繪范圍不小于擬形成的邊坡高度的3倍。對于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、巖體完整性差、風化程度高、存在發(fā)育的外傾結(jié)構(gòu)面或厚度較大、邊坡上方存在較大匯水區(qū)域、地下水發(fā)育的邊坡,應(yīng)根據(jù)實地工程地質(zhì)情況對調(diào)繪的范圍進行調(diào)整。
根據(jù)調(diào)繪,重點表達破壞特征和穩(wěn)定性判別控制要素。
2.1.1 地層結(jié)構(gòu)
包含各層巖土名稱、巖石結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)類型
判別控制要素巖石類型(沉積巖、侵入巖、變質(zhì)巖、噴出巖、構(gòu)造帶、破碎帶等)、地層產(chǎn)狀和節(jié)理發(fā)育情況(包含傾向、傾角、結(jié)構(gòu)面和節(jié)理面膠結(jié)程度及填充物)、邊坡與層面的方向和夾角。
2.1.3 邊坡穩(wěn)定特征
根據(jù)上述兩條,確定對邊坡穩(wěn)定的控制要素。
①塊體結(jié)構(gòu):邊坡穩(wěn)定性好,易形成陡峭直立邊坡,失穩(wěn)時多沿結(jié)構(gòu)面崩塌或滑動。巖體結(jié)構(gòu)面及巖石抗剪強度對邊坡穩(wěn)定性起控制性作用。
②層狀同向結(jié)構(gòu):滑動面沿巖層層面或軟弱夾層,坡腳破壞后產(chǎn)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(fā)育的軟弱結(jié)構(gòu)面強度對邊坡穩(wěn)定性起控制性作用。
③層狀反向結(jié)構(gòu):巖層傾角陡時易發(fā)生傾倒松動變形;坡腳有軟弱地層發(fā)育時,主要在上部拉裂,局部發(fā)生崩塌滑動;共軛節(jié)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(jié)合強弱及反傾結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度對邊坡穩(wěn)定性起控制作用。
④層狀斜向結(jié)構(gòu):層面與節(jié)理組成的楔形體易滑塌。邊坡穩(wěn)定性受層面與坡面走向控制。
⑤層狀平疊結(jié)構(gòu):坡腳地層軟弱或?qū)娱g發(fā)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(chǎn)生。
⑥碎裂結(jié)構(gòu):邊坡自然穩(wěn)定性較差,穩(wěn)定坡角由巖塊鑲嵌情況和巖體間的咬合力決定,常發(fā)生崩塌和弧形的滑動。
⑦散體結(jié)構(gòu):邊坡自然穩(wěn)定性差,穩(wěn)定坡角由巖體的抗剪強度決定,滑動面為圓弧狀。
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(yīng)根據(jù)現(xiàn)場地形和地質(zhì)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。勘探可采用物探、鉆探、挖探等綜合性手段??刂菩糟@孔應(yīng)深至設(shè)計路面線高程以下穩(wěn)定的地層中3m以上。在地下水發(fā)育的路段,勘探孔還應(yīng)根據(jù)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(yīng)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(yīng)根據(jù)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(nèi)摩擦角測定,粉土和粘性土還應(yīng)測定塑限和液限。
2.2.4 地下水
有地下水發(fā)育時,應(yīng)記錄其初見水位和穩(wěn)定水位數(shù)據(jù),并取樣進行水質(zhì)分析試驗。
在分析邊坡穩(wěn)定性之前,應(yīng)依照工程地質(zhì)條件判斷邊坡可能發(fā)生的破壞形式、破壞方向、影響范圍等。在對邊坡可能發(fā)生的破壞方式進行判斷時,應(yīng)同時考慮受巖土體自身強度和結(jié)構(gòu)面控制的因素。
邊坡穩(wěn)定性計算可采用剛體極限平衡法。對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的巖質(zhì)邊坡,可結(jié)合實體比例投影法和極射赤平投影法;對于破壞機制復(fù)雜的邊坡,可采用數(shù)值極限分析法。
在對沿結(jié)構(gòu)面滑動的穩(wěn)定性進行計算時,根據(jù)結(jié)構(gòu)面形態(tài)采用平面或折線形滑面。在對土質(zhì)、極軟巖、破碎或極破碎巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性計算時,可采用圓弧形滑面。
采用剛體極限平衡法計算邊坡抗滑穩(wěn)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(yīng)的穩(wěn)定性系數(shù)計算公示。
某國道改擴建項目線路東段經(jīng)過低山丘陵區(qū),挖方路段較多。其中,K24+460路塹開挖沿267°方位穿越山體。根據(jù)現(xiàn)狀地面高程和設(shè)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(xiàn)狀平面圖
圖2 K24+460設(shè)計縱斷圖
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(fā)育,未見地表水體和地下水露頭。
4.2.2 地層巖性
根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪資料,挖方區(qū)地層在勘探深度范圍內(nèi)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(chǎn)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(jù)線路試驗結(jié)果,選用邊坡計算相關(guān)參數(shù)見表2。
表2 邊坡計算相關(guān)參數(shù)
4.2.3 地表水和地下水
調(diào)查區(qū)地表水不發(fā)育,雨季或強降雨季節(jié)坡面會有暫時性匯流。
鉆探期間,路塹擬開挖深度內(nèi)未揭露地下水,但根據(jù)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(jié)理裂隙密集帶為導(dǎo)水運移的通道向區(qū)內(nèi)最低侵蝕基準面排泄,經(jīng)深循環(huán)后排出地表。
4.3.1 上部土質(zhì)(全-強風化巖)邊坡
巖體特征:散體狀、碎裂狀巖體;不受外傾結(jié)構(gòu)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(fā)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(jié)構(gòu)或散體狀巖體中最不利滑動面滑移,坡腳隆起。
破壞面形態(tài):圓弧。
4.3.2 下部巖質(zhì)邊坡
巖體特征:受結(jié)構(gòu)面切割控制的巖體。
變形破壞機制:剪切-滑移。結(jié)構(gòu)面臨空,交線傾向路基,楔體沿相交的兩結(jié)構(gòu)面向下剪切-滑移。
破壞特征:兩個或三個結(jié)構(gòu)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(tài):兩個傾向相反,交線傾向路基的結(jié)構(gòu)面組合。
4.4.1 全-強風化巖邊坡穩(wěn)定性定量分析
根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪、鉆探、試驗等手段獲取的地層數(shù)據(jù)和巖土參數(shù),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(zhì)邊坡穩(wěn)定性定性分析
根據(jù)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(zhì)邊坡采用赤平投影法定性分析如下。
①節(jié)理統(tǒng)計。
現(xiàn)場地質(zhì)人員對線位范圍內(nèi)某典型露頭點1m2范圍的節(jié)理面進行了統(tǒng)計,以0.4m以上的節(jié)理面為統(tǒng)計節(jié)理面,共統(tǒng)計節(jié)理面產(chǎn)狀9組,見表4。
表4 節(jié)理統(tǒng)計表
經(jīng)整理后繪制極點密度圖和玫瑰圖如圖3、圖4。
圖3 節(jié)理面極點密度圖
圖4 節(jié)理面玫瑰節(jié)理圖
由圖3和圖4可知現(xiàn)場巖體主要有4個統(tǒng)計學(xué)節(jié)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(wěn)定性分析。
1)挖方路段處于低山剝蝕區(qū),區(qū)內(nèi)無深大斷裂及全新活動性斷裂通過,地表未發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì),地形坡度起伏較大。
該區(qū)段路線前進方向267°,開挖深度范圍內(nèi)巖土體主要為晚元古代花崗片麻巖地層,邊坡在自然狀態(tài)下是穩(wěn)定的。但邊坡開挖后,兩側(cè)邊坡應(yīng)力平衡被破壞,在雨水、節(jié)理裂隙、自重力等多重影響作用下,易產(chǎn)生淺層滑塌或崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象。
2)由于基巖受后期構(gòu)造及風化作用影響,節(jié)理裂隙較發(fā)育,經(jīng)工程地質(zhì)調(diào)繪測量,地層產(chǎn)狀80°∠70°~80°,主要發(fā) 育4組 節(jié) 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(cè)邊坡的穩(wěn)定性驗算
原始條件(參數(shù)選用見表5)。
表5 計算參數(shù)表
判定巖體穩(wěn)定性(如圖6所示):
圖6 J1、J2與右側(cè)邊坡赤平投影圖
a)滑動方向:沿交線C方向滑動。
b)穩(wěn)定類型:穩(wěn)定的。
4)J1、J2于左側(cè)邊坡的穩(wěn)定性驗算
判定巖體穩(wěn)定性(如圖7所示):
圖7 J1、J2與左側(cè)邊坡赤平投影圖
a)滑動方向:沿交線C方向滑動。
b)穩(wěn)定類型:最穩(wěn)定的。
5)J3、J4于右側(cè)邊坡的穩(wěn)定性驗算
判定巖體穩(wěn)定性(如圖8所示):
圖8 J3、J4與右側(cè)邊坡赤平投影圖
a)滑動方向:沿一條傾向線方向滑動。
b)穩(wěn)定類型:穩(wěn)定的。
6)J3、J4于左側(cè)邊坡的穩(wěn)定性驗算
判定巖體穩(wěn)定性(如圖9所示):
圖9 J3、J4與左側(cè)邊坡赤平投影圖
a)滑動方向:沿一條傾向線方向滑動。
b)穩(wěn)定類型:最穩(wěn)定的。
7)主產(chǎn)狀于右側(cè)邊坡的穩(wěn)定性判斷
判定巖體穩(wěn)定性(圖略):
a)滑動方向:沿一條傾向線方向滑動。
b)穩(wěn)定類型:最穩(wěn)定的。
8)主產(chǎn)狀于左側(cè)邊坡的穩(wěn)定性驗算
判定巖體穩(wěn)定性(圖略):
a)滑動方向:沿一條傾向線方向滑動。
b)穩(wěn)定類型:較穩(wěn)定的。
根據(jù)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(wěn)定性系數(shù)1.64,滿足安全等級為一級的永久邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fst=1.35的規(guī)范要求。
根據(jù)下部較破碎中風化巖體驗算,J1、J2、J3、J4對于兩側(cè)邊坡穩(wěn)定有利;主產(chǎn)狀于右側(cè)邊坡穩(wěn)定有利,于左側(cè)邊坡較穩(wěn)定。應(yīng)加強左側(cè)邊坡的防護、排水等措施。
①路塹邊坡勘探應(yīng)采用地質(zhì)調(diào)繪、勘探、巖土試驗等多種手段進行。
②在分析邊坡穩(wěn)定性之前,應(yīng)依照工程地質(zhì)條件判斷邊坡可能發(fā)生的破壞形式、破壞方向、影響范圍等。在對邊坡可能發(fā)生的破壞方式進行判斷時,應(yīng)同時考慮受巖土體自身強度和結(jié)構(gòu)面控制的因素。
③在對沿結(jié)構(gòu)面滑動的穩(wěn)定性進行計算時,根據(jù)結(jié)構(gòu)面形態(tài)采用平面或折線形滑面。在對土質(zhì)、極軟巖、破碎或極破碎巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性計算時,可采用圓弧形滑面。