林鵬

（廣西基礎(chǔ)勘察工程有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530023）

0 引言

我國山地面積占國土面積約70%，在工程建設(shè)中不可避免遇到各種不同類型的邊坡。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大量民用與工業(yè)建筑再建設(shè)過程中遇到了數(shù)量眾多的人工邊坡。因此，為了能采取經(jīng)濟(jì)安全有效的支護(hù)措施，準(zhǔn)確的評價(jià)邊坡的穩(wěn)定性尤為重要[1]。

按邊坡組成成分可以分為土質(zhì)邊坡、巖質(zhì)邊坡和巖土組合邊坡。人們對土質(zhì)邊坡和巖質(zhì)邊坡研究較多，對邊坡的認(rèn)識基礎(chǔ)理論也是建立在土力學(xué)和巖石力學(xué)之上的。巖土組合邊坡是一種復(fù)雜特殊的邊坡，上部由土和巖石全風(fēng)化層組成、下部由巖石組成[2]。巖土組合邊坡一般有多種破壞模式，為進(jìn)行合理、準(zhǔn)確的穩(wěn)定性計(jì)算和評價(jià)，首先必須對邊坡的特征、破壞模式、影響因素和破壞機(jī)制進(jìn)行分析[3]。目前國內(nèi)外主要采用剛體極限平衡法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析[4-5]。本文以實(shí)際工程巖土組合邊坡為例，分析邊坡不同工況、不同破壞模式的滑動面的穩(wěn)定性，確定最不利滑動面，并進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)。

1 邊坡工程概況

擬建邊坡工程位于巖溶區(qū)，為建設(shè)觀景臺而開挖山體削坡形成坡高約5～22m的巖土組合邊坡，邊坡走向約175°，向東北方向臨空。坡體主要由含礫黏土層和強(qiáng)風(fēng)化燧石灰?guī)r層石牙組成，初始開挖坡度約45°，未進(jìn)行支護(hù)，天然狀態(tài)下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。該挖方邊坡為土質(zhì)邊坡，10m＜坡高H＜30m，破壞后果嚴(yán)重，邊坡安全等級為二級。測得基巖巖層產(chǎn)狀為323°∠12°。

1.1 地層巖性

邊坡場地位于巖溶區(qū)，地層巖性自上而下依次為第四系人工素填土（Q4ml）、第四系殘積含礫黏土（Q3el），基巖為二疊系下統(tǒng)（P1）的燧石灰?guī)r、碳質(zhì)灰?guī)r層。

（1）素填土（Q4ml）：棕黃、灰黃色，稍濕，松散狀，主要由黏性土夾碎石組成，局部夾塊石，由開挖山體整平場地堆填而成，均勻性和密實(shí)性差，堆填時(shí)間不足一年。碎石含量約15%～30%，主要粒徑0.5～3cm，塊石粒徑20～35cm?；靥顣r(shí)雖經(jīng)初步性碾壓，但土質(zhì)均勻性和密實(shí)性差，尚未完全自重固結(jié)。

（2）含礫黏土（Q3el）：棕黃色、褐黃色和灰黃色，稍濕，硬塑狀，主要成分為黏性土，夾灰?guī)r碎石、礫石約5%～30%，土層切面稍光滑，無搖震反應(yīng)，干強(qiáng)度和韌性中等，碎石粒徑0.5～3.0cm，棱角分明，強(qiáng)至中風(fēng)化。該層液性指數(shù)平均值為IL=0.07；壓縮系數(shù)平均值a1-2=0.18MPa-1，中等壓縮性?，F(xiàn)場經(jīng)桿長校正的標(biāo)貫擊數(shù)平均值N=11.7擊/30cm。

（3）強(qiáng)風(fēng)化燧石灰?guī)r（P1）：灰色、灰黑色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，巖石較堅(jiān)硬，巖體較破碎。主要成分為碳酸鈣，局部夾碳質(zhì)灰?guī)r，巖芯呈碎塊狀，采取率約65%至70%，溶蝕裂隙較發(fā)育，充填泥質(zhì)膠結(jié)或方解石脈，膠結(jié)一般。裂隙結(jié)構(gòu)面發(fā)育無規(guī)律，產(chǎn)狀多樣。送水鉆進(jìn)較快，鉆具跳動，返水正常。點(diǎn)荷載換算強(qiáng)度Ra平均值為15.79MPa，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅳ級。

（4）中風(fēng)化燧石灰?guī)r（P1）：灰色、灰黑色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，厚層狀構(gòu)造，巖石較堅(jiān)硬，巖體較完整。主要成分為碳酸鈣，局部夾碳質(zhì)灰?guī)r，巖芯呈柱狀，少量碎塊狀，采取率約75%～85%，局部發(fā)育溶蝕裂隙，充填方解石脈，膠結(jié)較好。送水鉆進(jìn)較平穩(wěn)，進(jìn)尺較慢，返水正常。單軸抗壓強(qiáng)度值平均值為50.81MPa，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅲ級。

依據(jù)擬建場地的巖土詳勘報(bào)告，考慮雨季（飽水）工況及周邊已成功實(shí)施邊坡防護(hù)案例的勘察、設(shè)計(jì)、施工等資料，綜合考慮，本次設(shè)計(jì)計(jì)算各巖土層力學(xué)參數(shù)取值見表1。

表1 各巖土層力學(xué)參數(shù)值

1.2 水文地質(zhì)急地震

場地地勢較高，周圍無地表水分布?？辈炱陂g在場地內(nèi)未發(fā)現(xiàn)地下水體，預(yù)計(jì)強(qiáng)降雨期間可能在素填土層中存在上層滯水。場地下伏基巖可能存在基巖裂隙水，但埋深較大，邊坡范圍內(nèi)未揭露。

依據(jù)相關(guān)規(guī)范，場地的抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g，地震分組為第一組，特征周期值為0.35S。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 邊坡的破壞模式

巖土組合邊坡的性質(zhì)較復(fù)雜，其破壞模式與邊坡特征、巖土特性和結(jié)構(gòu)面性質(zhì)有關(guān)，其發(fā)生破壞時(shí)土層和巖層有時(shí)是相互獨(dú)立的有時(shí)又是相互關(guān)聯(lián)的。巖土組合邊坡的幾種破壞類型有：上部土體內(nèi)發(fā)生圓弧滑動破壞、土體沿巖土體接觸面滑動破壞或邊坡沿基巖內(nèi)軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生破壞[6]。

本邊坡坡體主要為含礫黏土層和風(fēng)化燧石灰?guī)r，含礫黏土層天然狀態(tài)下強(qiáng)度較高，穩(wěn)定性較好，自穩(wěn)性較好，但遇水易軟化。風(fēng)化燧石灰?guī)r強(qiáng)度高，但風(fēng)化燧石灰?guī)r分布不連續(xù)，且頂部的強(qiáng)風(fēng)化燧石灰?guī)r，節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙結(jié)構(gòu)面結(jié)合較差，充填巖屑夾泥。邊坡開挖后，坡面巖土應(yīng)力釋放，坡腳位置應(yīng)力集中，易形成貫通的軟弱結(jié)構(gòu)面。致使坡體穩(wěn)定性降低。

2.2 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

對破壞機(jī)制復(fù)雜的邊坡，難以采用傳統(tǒng)的方法計(jì)算，目前國內(nèi)外已廣泛采用數(shù)值極限分析方法進(jìn)行計(jì)算。對于圓弧滑動面采用簡化Bishop法進(jìn)行計(jì)算，折線滑動面采用傳遞系數(shù)隱式法[7]。其計(jì)算過程相對簡單，適于手算和計(jì)算[8]。本邊坡工程綜合考慮邊坡場地及周邊環(huán)境等因素，先確定滑動面的位置和形狀，再用軟件進(jìn)行計(jì)算。實(shí)際的滑動面將取決于結(jié)構(gòu)面的分布、組合關(guān)系及其所具有的剪切強(qiáng)度。實(shí)踐證明，均質(zhì)土坡的破壞面都接近于圓弧形，巖體中存在軟弱結(jié)構(gòu)面時(shí)，邊坡巖體長沿某個(gè)軟弱結(jié)構(gòu)面或幾個(gè)軟弱結(jié)構(gòu)面的組合滑動，因此，根據(jù)具體情況假定的滑動面與實(shí)際情況是很接近的。然后確定極限抗滑力和滑動力，并計(jì)算其穩(wěn)定性系數(shù)。

2.3 理正巖土計(jì)算模型

在已有勘察資料，根據(jù)現(xiàn)場開挖情況，進(jìn)行現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查、測繪，在圖紙上準(zhǔn)確描繪出石牙位置和巖土交界面，充分了解巖土層和結(jié)構(gòu)面特性。根據(jù)坡體不同巖土層，準(zhǔn)確劃分支護(hù)剖面段。選取最不利和具代表性的剖面進(jìn)行建模。

擬建邊坡工程初步按3級放坡，臺階寬2.0m，坡比為1:1.25。坡外荷載按照坡頂均布超載10kPa進(jìn)行計(jì)算。設(shè)置6道預(yù)應(yīng)力錨索，間距3.0m×3.0m，傾角向下20°，成孔直徑180mm，錨索長15.0~20.0m。采用理正巖土軟件進(jìn)行計(jì)算，自動搜索最危險(xiǎn)滑裂面，不考慮地震作用。分別計(jì)算天然工況和飽和工況邊坡穩(wěn)定性。由于場地地勢較高，無地下水分布，飽和工況計(jì)算時(shí)采用總應(yīng)力法，采用飽和抗剪強(qiáng)度。邊坡計(jì)算模型簡圖見圖1。

圖1 邊坡計(jì)算模型

對于巖土組合的邊坡，充分模擬其各種破壞模式，分別驗(yàn)算了土體內(nèi)部發(fā)生破壞的圓弧滑動、巖土分界面（折線）、圓弧面+巖體結(jié)構(gòu)面（圓弧+折線）的穩(wěn)定安全系數(shù)，每種滑動面又分別驗(yàn)算其不同工況的穩(wěn)定安全系數(shù)。其計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 邊坡各工況安全系數(shù)匯總

上述計(jì)算結(jié)果表明，此邊坡采用錨索+格構(gòu)支護(hù)措施后，在天然工況和飽和工況下均處于穩(wěn)定狀態(tài)。兩種工況下，邊坡安全系數(shù)相差較大，為保證飽和工況下邊坡安全，需大大增加支護(hù)工作量。因此在實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)邊坡特征、巖土層特性、地下水分布等因素，選取合適的巖土參數(shù)進(jìn)行邊坡設(shè)計(jì)，兼顧安全性和經(jīng)濟(jì)性，避免浪費(fèi)。當(dāng)巖土組合邊坡的巖土特性、邊坡特征不同時(shí)，其最危險(xiǎn)的滑動面并不一定是單一的土體內(nèi)部的圓弧滑動面或簡單的巖土體分界面，也有可能為圓弧面+巖體結(jié)構(gòu)面的折線滑動面。

3 邊坡支護(hù)措施

本邊坡工程按永久邊坡考慮，設(shè)計(jì)使用年限為50年，采用動態(tài)設(shè)計(jì)法進(jìn)行設(shè)計(jì)。本邊坡位于巖溶區(qū)，巖面起伏大，巖土交界面犬牙交錯(cuò)，地質(zhì)情況復(fù)雜，尤其是結(jié)構(gòu)面特征變化大，邊坡支護(hù)施工過程中，多次因開挖揭露新情況而對設(shè)計(jì)方案的錨索和格構(gòu)梁進(jìn)行調(diào)整。

在穩(wěn)定性計(jì)算的基礎(chǔ)上，根據(jù)邊坡特征、使用及景觀綠化要求、施工工藝、經(jīng)濟(jì)性等因素綜合考慮，采用錨索+格構(gòu)支護(hù)方式進(jìn)行支護(hù)。在邊坡設(shè)置坡頂截水溝、平臺排水溝、邊溝、急流槽、泄水孔和坡腳排水溝等。預(yù)應(yīng)力錨索采用“二次高壓注漿”法（第一次注漿壓力0.8MPa，第二次注漿壓力2.0MPa），注漿液采用純水泥漿，水灰比0.50～0.60，水泥采用P.O 42.5普硅水泥，固結(jié)體28d強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值不低于30MPa。預(yù)應(yīng)力錨索采用φ15.2mm鋼絞線制作，自由段刷兩遍防銹漆。采用C30混凝土的格構(gòu)梁，水平和豎向間距均為3.0m，截面尺寸400mm×400mm，楔形張拉臺座與格梁一起澆筑。格梁橫向每隔12m設(shè)一道伸縮縫，縫寬2cm。邊坡施工順序?yàn)椋捍钤O(shè)腳手架→施工坡頂截水溝，做好防水措施→按設(shè)計(jì)坡比修坡，清除松散土體→放點(diǎn)標(biāo)示錨索、格構(gòu)梁位置→分層施工錨索和格構(gòu)梁，達(dá)到齡期后張拉鎖定→網(wǎng)格土方回填壓實(shí)并植草。詳細(xì)邊坡支護(hù)剖面如圖2所示。

圖2 邊坡支護(hù)剖面

4 結(jié)論及應(yīng)注意的問題

（1）通過實(shí)際邊坡工程案例計(jì)算分析，采用本文提出的分析方法和支護(hù)措施，取得良好支護(hù)的效果，兼顧了安全性和經(jīng)濟(jì)性，對今后同類型的巖土邊坡工程支護(hù)具有重要的參考價(jià)值。

（2）剛體極限平衡法，利用條分法，計(jì)算方便簡單，適用于研究多變的水壓力及不連續(xù)的巖體和土體，但其不能反映巖土體內(nèi)部真實(shí)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，所求穩(wěn)定性參數(shù)是滑動面上的平均值，帶有一定的假定性。

（3）當(dāng)考慮飽和工況時(shí)，邊坡在天然工況和飽和工況下的穩(wěn)定性安全系數(shù)相差較大，實(shí)際工程中應(yīng)充分考慮巖體特性、地形地貌和地下水分布條件等因素，選取合理巖土參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行邊坡設(shè)計(jì)，以免影響邊坡安全或造成浪費(fèi)。

（4）當(dāng)巖土組合邊坡特征、巖土特性和結(jié)構(gòu)面不同時(shí)，其最不利的滑動面并不一定是單一的土體內(nèi)部的圓弧滑動面或簡單的巖土體分界面，也有可能為圓弧面+巖體結(jié)構(gòu)面的折線滑動面。

（5）邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)堅(jiān)持動態(tài)化設(shè)計(jì)，邊坡勘察鉆孔間距大，且?guī)r溶區(qū)巖面起伏大，地質(zhì)情況復(fù)雜，尤其是結(jié)構(gòu)面特征變化大，開挖揭露新情況時(shí)，及時(shí)反饋給設(shè)計(jì)人員計(jì)算復(fù)核修改。