摘要 為了公路保證巖質(zhì)邊坡設(shè)計水平，文章分析了邊坡坡度確定原則和穩(wěn)定性影響因素，探討了赤平投影法、Bishop法、不平衡推力法、數(shù)值分析法等在巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用原理。同時，以某山區(qū)公路三級邊坡為研究對象，分析計算了巖質(zhì)邊坡的安全系數(shù)，研究成果僅供類似公路巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析和加固設(shè)計參考。

關(guān)鍵詞 公路；巖質(zhì)邊坡；坡度；穩(wěn)定性；理正巖土；降雨

中圖分類號 U416.14 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）07-0142-03

0 引言

隨著經(jīng)濟發(fā)展和交通網(wǎng)的不斷完善，公路工程的建設(shè)規(guī)模越來越大，同時產(chǎn)生的各種邊坡失穩(wěn)病害也越來越多。巖質(zhì)邊坡一般是由地殼中的巖石及少量土體組成，其變形機理復(fù)雜，穩(wěn)定性影響因素多，如巖層特性、結(jié)構(gòu)面、地下水、降雨、工程開挖等。在巖質(zhì)邊坡坡度設(shè)計和穩(wěn)定性計算過程中，應(yīng)針對上述因素采取相應(yīng)的防治措施，以確保巖質(zhì)邊坡在建設(shè)和運營期間的安全性。近年來，國內(nèi)外很多學(xué)者利用現(xiàn)場監(jiān)測、室內(nèi)模型、理論計算等方法研究了公路巖質(zhì)邊坡的受力變形規(guī)律。但是，設(shè)計人員在設(shè)計巖質(zhì)邊坡時，對邊坡穩(wěn)定性計算重視程度低，導(dǎo)致邊坡坡度和加固措施不合理[1]。因此，進一步研究公路巖質(zhì)邊坡坡度設(shè)計及穩(wěn)定性具有重要意義。

1 公路巖質(zhì)邊坡坡度設(shè)計

巖石邊坡是在山體中開鑿而成的路基邊坡，其邊坡坡度一般是根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造與巖石特性、地下水條件、邊坡高度及施工方法等確定，其中巖石的種類、風(fēng)化程度、破碎程度及邊坡的高度是巖質(zhì)邊坡坡度的決定性因素。

對于邊坡高度≤30 m、無外傾軟弱結(jié)構(gòu)面的巖質(zhì)邊坡，在確定邊坡坡度之前，需先判定邊坡巖體類型，隨后按《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTG D30—2015）確定邊坡坡度，如表1所示[2]。

對于邊坡高度＞30 m或有外傾軟弱結(jié)構(gòu)面的巖質(zhì)邊坡，邊坡坡率應(yīng)根據(jù)邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果確定。

2 公路巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性影響因素及計算方法

2.1 邊坡穩(wěn)定性影響因素

邊坡穩(wěn)定性通常與地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、巖體特性、巖石風(fēng)化程度、水的作用、地震以及人類工程活動等因素相關(guān)。

2.1.1 巖層特性

不同巖體的物理力學(xué)性質(zhì)存在很大差別，巖體的成因、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、強度、巖石風(fēng)化程度不同，其穩(wěn)定性明顯不同。工程巖體可根據(jù)抗壓強度指標(biāo)劃分為硬質(zhì)巖和軟質(zhì)巖。一般來說，硬質(zhì)巖可形成數(shù)十或幾百米的陡立斜坡，整體穩(wěn)定性較好，而沉積巖和變質(zhì)巖等軟質(zhì)巖，能形成的穩(wěn)定斜坡高度低、坡度緩。但是，公路巖質(zhì)邊坡所處區(qū)域一般是由兩種或兩種以上的巖土體組成，巖層組合形式不同，邊坡破壞形式也不同。

2.1.2 結(jié)構(gòu)面

巖體的穩(wěn)定性主要受結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)控制。結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)與結(jié)構(gòu)面的成因、物質(zhì)組成、連通性、平整度、發(fā)育程度以及與臨空面的組合關(guān)系等幾方面因素相關(guān)。結(jié)構(gòu)面是巖體中的重要組成部分，包括層狀結(jié)構(gòu)面和非層狀結(jié)構(gòu)面，兩者對邊坡穩(wěn)定性的影響機理不同。層狀結(jié)構(gòu)面是指地質(zhì)構(gòu)造中垂直于地表面呈層狀排列的斷裂面或?qū)用?，會改變巖體內(nèi)部的受力狀態(tài)，在不同巖層之間形成剪切面，并提供了排水通道，大幅提升了邊坡破壞的可能性；非層狀結(jié)構(gòu)面是指地質(zhì)構(gòu)造中不呈層狀排列的節(jié)理或裂隙。相對于層狀結(jié)構(gòu)面，非層狀結(jié)構(gòu)面對邊坡穩(wěn)定性的影響較小。但在工程設(shè)計中，仍需注意非層狀結(jié)構(gòu)面對巖體抗剪強度的影響，采取合理的處置措施。

2.1.3 水

大量工程實例證實，大多數(shù)邊坡病害都與水（地下水、降雨等）有關(guān)。在降雨季節(jié)，滑坡事故一般較多，說明水是影響邊坡穩(wěn)定性影響的重要因素。水對巖質(zhì)邊坡的影響主要有兩方面：一方面，雨水滲入邊坡巖體內(nèi)部，使其含水量和重度增加或地下水與邊坡巖體中的礦物成分發(fā)生各種物理力學(xué)反應(yīng)，破壞巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使巖石內(nèi)的聯(lián)結(jié)變?nèi)?，強度降低，本質(zhì)上都是抗滑力減小和下滑力增大，對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響；另一方面，水在邊坡巖體內(nèi)滲流產(chǎn)生動水壓力，從而增大邊坡下滑力。由于水對邊坡的影響是多方面的，因此在防治邊坡時首先應(yīng)做好邊坡水的處理。

2.1.4 工程開挖

巖質(zhì)邊坡在開挖之前，其內(nèi)部應(yīng)力處于平衡狀態(tài)，邊坡具有一定的自穩(wěn)能力。但是，邊坡開挖后形成臨空面，沿結(jié)構(gòu)面的最小主應(yīng)力和最大主應(yīng)力減小，邊坡巖體開始出現(xiàn)“應(yīng)力松弛”現(xiàn)象，從而導(dǎo)致巖體節(jié)理裂隙繼續(xù)擴展，降低邊坡穩(wěn)定性。如果邊坡位于古滑坡地段，尤其要重視其開挖方法和開挖順序，否則可能導(dǎo)致古滑坡復(fù)活。

2.2 邊坡穩(wěn)定性分析方法

邊坡穩(wěn)定性評價應(yīng)采用定性分析及定量分析相結(jié)合的原則，巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析方法應(yīng)結(jié)合邊坡類型、可能的破壞形式等因素選擇。定性分析常用方法有赤平投影分析法、工程類比法等。定量分析常用方法有極限平衡法、數(shù)值分析法等。常用巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析方法的原理闡述如下[3]。

2.2.1 赤平投影法

赤平投影法是目前巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性定性分析時最常用的方法。赤平投影法是以球體作為投影工具，先把物體的點、線、面等幾何要素投影于圓球面上，再以南極或北極為發(fā)射點將球面上的物體幾何要素投影于赤道平面上，如圖1所示。把物體三維空間的幾何要素（面、線）投影到平面上來研究，在分析巖體穩(wěn)定性時，赤平投影圖能清晰反映巖層結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀及其空間組合關(guān)系、臨空面、邊坡面、工程作用力、巖體阻力及抗力、巖體變形滑移方向等。

巖質(zhì)邊坡的滑動形式有平面滑動和楔形體滑動兩種，其中平面滑動的受力情況、結(jié)構(gòu)面的空間分布等較簡單，楔形體滑動則要復(fù)雜很多。該文只對2組軟弱結(jié)構(gòu)面切割巖體形成楔形滑體的情況進行分析，共三種工況[4]：

（1）結(jié)構(gòu)面投影交點位于開挖邊坡和天然邊坡的另一側(cè)，結(jié)構(gòu)面組合交線傾向坡內(nèi)，此時邊坡穩(wěn)定性最好。

（2）結(jié)構(gòu)面投影交點位于開挖邊坡和天然邊坡的同側(cè)，但在開挖面以外，該種組合形式下邊坡較穩(wěn)定。

（3）結(jié)構(gòu)面投影交點位于開挖邊坡和天然邊坡之間，且結(jié)構(gòu)面組合交線傾向坡外，說明結(jié)構(gòu)面傾角比開挖邊坡面的傾角緩，比天然邊坡面傾角陡，邊坡穩(wěn)定性最差。

2.2.2 簡化Bishop法

簡化Bishop法是極限平衡法的一種。它將滑坡體視為剛性體，按某一尺寸將其劃分為若干個條塊，并利用靜力平衡法計算每個條塊的傾覆力矩和抗傾覆力矩，見公式（1）：

（1）

式中，bi——第i個條塊的寬度（m）；ci——分別為第i個條塊的黏聚力；φi第i個條塊的摩擦角（°）；Wi——第i個條塊的重力（kN）；Qi—第i個條塊的豎向作用力（kN）；αi—第i個條塊的滑面傾角（°）；mαi—計算系數(shù)，無量綱。

2.2.3 不平衡推力法

不平衡推力法又稱傳遞系數(shù)法，其假定滑坡體各條塊間的推力方向與上一條塊的滑動面平行，只考慮各條塊的靜力平衡，不考慮力矩平衡。不平衡推力法使用范圍廣，可計算各種形狀滑動面的滑坡推力，同時計算結(jié)果對滑動面形狀也較敏感，當(dāng)相鄰滑面與水平線的夾角變化幅度較大時，得到的安全系數(shù)偏大，會導(dǎo)致選擇的邊坡加固方案較激進。不平衡推力法計算邊坡安全系數(shù)可用式（2）：

（2）

式中，Ei——第i個條塊的剩余下滑力（kN）；WQi——第i個條塊的豎向作用力（kN）；li——第i個條塊的底面長度（m）；FS—邊坡安全系數(shù)；Ei?1——第i?1個條塊傳遞至第i個條塊的作用力（kN）；ψi?1——推力傳遞系數(shù)，無量綱。

2.2.4 數(shù)值分析法

對于變形復(fù)雜的巖質(zhì)邊坡，比如邊坡剝落破壞、邊坡多種破壞模式組合等，可采用數(shù)值分析法對設(shè)計方案進行優(yōu)化。目前，公路邊坡常用的數(shù)值分析法包括有限元法（Midas Gts、Abuqus、Ansys等）、離散元法（Udec、PFC等）、有限差分法（Flac2D、Flac3D等）。各種數(shù)值分析方法都能考慮邊坡巖體內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，避免了極限平衡法中一些不合理的假定，并可以在短時間的計算出多種工況下邊坡的安全系數(shù)，很大程度上提高了邊坡穩(wěn)定性分析效率[5]。

3 公路巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析與計算

3.1 工程概況

某山區(qū)公路K5+280～K5+400挖方段，自然斜坡坡度約22～33°，形成路塹邊坡高度為22 m，路塹邊坡坡向為185°。坡體主要由第四系坡殘積層粉質(zhì)黏土，下伏基巖為泥質(zhì)砂巖，巖層產(chǎn)狀270°∠5°，層面可見泥質(zhì)填充，結(jié)合一般，主要發(fā)育2組節(jié)理，產(chǎn)狀分別為110°∠82°、33°∠83°，節(jié)理面呈微張—密閉狀，未見填充物。

該邊坡巖體從上到下的組成成分如下：①粉質(zhì)黏土，可塑狀，碎石含量約10%～15%，土層厚度約3 m，天然狀態(tài)的容重20.1 kN/m3、黏聚力24 kPa、內(nèi)摩擦角12°；飽和狀態(tài)的容重20.5 kN/m3、黏聚力22 kPa、內(nèi)摩擦角11°；②強風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，巖層產(chǎn)狀近水平，節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖體破碎，天然狀態(tài)的容重21.4 kN/m3、黏聚力20 kPa、內(nèi)摩擦角24°，飽和狀態(tài)的容重22.0 kN/m3、黏聚力18 kPa、內(nèi)摩擦角22°；③中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，巖層產(chǎn)狀近水平，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較完整，天然狀態(tài)的容重23.0 kN/m3、黏聚力50 kPa、內(nèi)摩擦角28°，飽和狀態(tài)的容重23.5 kN/m3、黏聚力45 kPa、內(nèi)摩擦角26°。

設(shè)計采用臺階式放坡，設(shè)計邊坡平臺寬度2 m，一級邊坡高8 m，坡率為1∶0.75；二級邊坡高8 m，坡率為1∶0.75；三級邊坡高6 m，坡率為1∶1.0，未設(shè)計邊坡防護措施。施工開挖至設(shè)計高程后，受降雨影響，K5+280～K5+340段的路塹邊坡以坡腳為剪出口發(fā)生整體滑動，滑動方向近垂直于道路，后緣形成深約1.5 m的裂縫，塹坡坡面發(fā)育多條橫向裂縫，一級邊坡坡體被擠壓變形明顯。

3.2 邊坡穩(wěn)定性分析與評價

3.2.1 建立邊坡計算模型

根據(jù)邊坡地質(zhì)條件及坡體地層情況，坡體主要以強風(fēng)化泥質(zhì)砂巖為主，可視為類均質(zhì)邊坡，建立邊坡穩(wěn)定性分析的地質(zhì)模型，如圖2所示。施工期間，部分路段邊坡已發(fā)生變形，通過邊坡的變形特征確定已有滑動面。該次采用簡化Bishop法自動搜索未變形路段邊坡的潛在滑動面，分析邊坡的整體穩(wěn)定性；采用不平衡推力法，分析已變形路段邊坡沿滑裂面的穩(wěn)定性。

3.2.2 邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果

結(jié)合工程特征以及建立的地質(zhì)模型，采用理正巖土軟件，分別采用簡化Bishop法以及不平衡推力法分析開挖邊坡在自然狀態(tài)下和降雨飽和狀態(tài)下搜索滑面與指定滑面的安全系數(shù)，用于評價邊坡的穩(wěn)定性，計算結(jié)果如下。

從計算結(jié)果可知，該段邊坡開挖后在天然狀態(tài)下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，在降雨飽和條件下處于不穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)加強相應(yīng)的支護措施。

3.3 邊坡支擋及防護建議

根據(jù)穩(wěn)定性分析結(jié)果，該段路塹邊坡穩(wěn)定性系數(shù)不滿足規(guī)范要求，局部路段邊坡已發(fā)生變形。因此，該文建議適當(dāng)放緩邊坡坡率，第一、二級邊坡采用錨桿框架進行支護，第三級邊坡采用拱形骨架植草防護，錨桿長度依據(jù)巖土條件和滑裂面深度并通過計算確定[6]。

4 結(jié)論

該文主要研究了公路巖質(zhì)邊坡坡率選擇、穩(wěn)定性影響因素和分析方法，并依托某山區(qū)公路項目，分析計算了巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性，得出以下結(jié)論：①巖質(zhì)邊坡坡度應(yīng)根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造與巖石特性、地下水條件，邊坡高度、施工方法等確定，必要時需進行穩(wěn)定性驗算。②巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性受地形地貌、巖層特性、結(jié)構(gòu)面、水、工程開挖等因素影響，且多種因素是相互作用的。③公路巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析常用的有赤平投影法、簡化Bishop法、不平衡推力法、數(shù)值分析法等。④巖質(zhì)邊坡的坡率設(shè)置、工程防護是一個系統(tǒng)性工程，邊坡坡率的設(shè)置欠合理，可能造成邊坡高度和防護工程規(guī)模增加、處治難度增大。

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