高陡顺层边坡不稳定临界长度计算研究
时间：2023-06-20 18:05:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
周方玉
（中交三公局第一工程有限公司 北京 100012）
1.1 地质概况
本项目巴马—凭祥公路巴马至田东段工程，主线深路堑以碎屑岩（砂岩）边坡为主，共有深路堑23处边坡。坡面走向与岩层走向相近，边坡开挖角度大于岩层倾角（顺层坡），本地区属剥蚀低山丘陵地貌，地形起伏较大，自然坡度约20°。这个边坡表面有一层第四系的粉质黏土，其中含一定碎石，厚度0.4～0.7m，表层以下的基岩组成部分主要是三叠系的中统系地层，岩层岩性为褐色泥砂岩，层状产状构造，强～中风化为主，岩块硬、脆，岩体破碎，强风化层厚约5～10m，岩层产状为55°/NW∠45°。此类边坡易发生沿层面的顺层滑动。实际现象可以说明，对于顺层岩质边坡，其坡度大概率大于层状岩体边坡，滑坡的滑动并不是都沿某一层直接发生滑动破坏，而是主要滑动会沿某一层或某一分层，之后会沿岩层中的某些断裂节理拉出，并由下向上逐渐受拉断裂。此外，当边坡开挖时的边坡脚不再因为开挖导致扰动时，边坡的不稳定性也会反映为相对稳定，也就不能继续向上发展。［1］那么，岩层究竟会滑到哪个位置就不再滑动达到平衡，即失稳的临界长度有多长，有待确认。在工程中实际设计时，人们往往凭经验选取一个长度数字来进行计算下滑力以及支挡结构设计，这会产生很大的资源浪费或者安全隐患。
1.2 工程问题
本工程公路含边坡段YK8+110～YK8+380段是碎屑岩边坡滑坡，为了方便后续合理治理施工，要求分析高陡边坡动态强度折减法的可行性，合理推算边坡滑坡临界位移。
本文结合巴马—凭祥公路边坡工程论证设计，并根据一般顺层边坡的结构数据特征，对其失稳的临界范围长度进行了合理推算，用于确定进一步开挖的道路设计标高，最终揭露第三层泥化夹层时的最大失稳破坏临界长度，为后续的评价稳定性和剩余下滑力推算提供理论指导。
2.1 临界长度意义
对于顺层岩质边坡的理论分析，现如今已形成比较完善的分析评价理论体系。目前常用的主要包括自然历史分析法、工程地质分类法、数学图解法、极限平衡分析法、数值模拟分析法和模型试验法。然而，实际现象显示，顺层边坡不一定沿整个滑动破坏面滑动，也不一定沿节理岩体的某一或某一层滑动面滑动。一直以来，自底向上的滑动破坏是逐渐发生的，当边坡不再开挖或边坡不再扰动时，滑动到一定范围内的不稳定性就不再向上发展。滑移失稳的范围可以用临界失稳长度来表示。仅限临界长度范围，才具备采用理论公式计算边坡的稳定性和剩余下滑推力的前提。然而，在工程实践中，确定失稳临界长度的方法还不成熟，无法准确地知道这个具体数值并常常采用工程经验。这也意味着推算出这个临界长度的具体计算公式将大大提高精确度，降低工程成本，确保支护安全经济可靠。
2.2 临界长度公式推算
开挖时将边坡坡度与岩层方向大致相同的边坡定义为顺倾边坡或者顺层边坡，相对而言其余称为逆坡或顺倾向边坡。在工程实践中，走向与岩层倾角小于20°的边坡通常被认为是顺层边坡［2］。在开挖天然的顺层高陡边坡时，设计要求坡角的设计值应该与岩层倾角大致相同。虽然在自然坡度相对较缓的边坡上开挖路堑时，岩层可以进行切割，但岩体的抗剪强度不能满足维持稳定的要求。岩层的倾角和岩层抗剪强度决定岩层的最终稳定性，当开挖高边坡和自然边坡时，岩层倾角对边坡整体稳定性起到主要影响作用。
工程现象表明，顺层边坡的坡度往往大于层间边坡的坡度，并非都是沿某一层发生滑动破坏，而主要是发生沿某一层进行滑动；
沿层状岩体中的某些不连续节理破坏，滑动破坏方向主要是由下向上逐渐发展。边坡滑移后会沿滑面持续下滑一定范围之后坡体重新达到稳定状态，该边坡滑移范围即为坡体不稳定临界长度。本文结合巴马—凭祥公路巴马至田东段工程设计讨论了不稳定性的临界长度确定方法。
实际计算时设边坡走向与岩体走向角度相同，这时定义边坡三维立体问题为二维平面问题，方便求解。再假设这个平面岩层倾角α，边坡开挖的边坡角β，开挖边坡坡上方的天然边坡和需要开挖边坡上下的β序列号分别为1，2，3，···，n。各层面的容重γi，如果第i层的斜坡长度假定露出长度为L，则第i层的岩层面厚度可以用以下公式表达：
设第i层底层岩体面摩擦系数是fi。黏聚力定义为ci坡体中岩层发展走向与岩层实际走向一致的垂直密集节理，整个边坡岩体的设为容重γ和岩体抗拉强度σc取其各层厚度的加权平均值，即：
组织调查已有的开挖失稳边坡滑动算例［3］发现一个结论：顺层边坡失稳大部分都是从原有自然边坡表层的坡缘开始沿层面发展滑动，并逐步向自然边坡上面过渡。统计发现，边坡失稳破坏有很多形式和过程都是取决于岩层的倾角、岩层面结构强度参数、岩体的抗拉强度值等。
对于自然边坡角小于岩层倾角的时候，其失稳形式包括两种情况［4］。
第一种是从开挖坡面破坏，如图1所示简图。
第二种是从自然坡面破坏，如图2所示断面示意图。
图2 自然边坡面拉裂破坏
（1）开挖边坡段的岩层可能失稳位置处于本岩质边坡开挖边坡段。
图1 开挖面拉裂破坏
（2）自然边坡段岩层失稳长度。
自然边坡段，后缘拉裂面BC的拉力F和块体的自重分别为：
通过计算可得到此层边坡岩层的不稳定临界长度为以下方程式的解：
其中，可以求得边坡段自然边坡下滑长度，如式（10）所示求解：
开挖时的边坡临界长度以公式（11）表示：
式（12）、式（13）表示自然边坡段和开挖边坡段岩层厚度：
根据以上公式，采用计算器或编程软件通过迭代法可求得各个工况下的边坡滑移临界长度。
3.1 巴马—凭祥公路巴马至田东段工程算例
该段边坡位于巴马—凭祥公路巴马至田东段工程，是个岩层发展走向和边坡实际走向夹角是6°的顺层路堑边坡［6］。这个岩质边坡岩层倾角设为α＝36°岩层性状为黄色砂岩，构造是薄-中厚层状，其中强～中风化为主，岩块性状硬、脆、岩体破碎。由于岩层走向和实际边坡走向的夹角相对较小，可以近似使用计算模型［7］。路堑开挖切断岩层数n=4，开挖段坡角β测得80°，具体参数由表1可得。
表1 边坡不稳定岩层临界长度
根据式（2）至式（19），可以用迭代的方式逐步计算得到的该边坡的平均容重γ = 27.6kN·m-3，li= 1.76m，hi=1.35m，αf= 0.072m-1，f0i= 0.22，αc=1.0kPa·m-3，ασ= 0.52kPa·m-1。最终求得边坡不稳定临界长度为7.13m。
3.2 巴马—凭祥公路典型顺层路堑边坡岩层不稳定临界长度分析
该顺层边坡位于巴马至凭祥高速公路DK395+000 ～ DK396+400 段。岩石走向N11°E 倾斜SE，平均倾角α=38°岩层中存在一组发育的节理岩层近垂直节理，岩层平均压实密度为26.8kN/m3，岩层与走向线由于夹角小于5°。和β＝ 89°边上的自然岩层坡度测得是37°。进行计算时根据当地岩石形成的基本参数。在计算边坡的下滑推力时，应根据表2所列长度范围确定支护或锚固结构。
表2 各岩层失稳长度
该顺层边坡位于巴马—凭祥公路巴马至田东段工程，岩层的走向NE11°平均边坡倾角α＝37°岩层中取其中发育一组的走向和实际边坡走向大致相同的相对近似垂直节理岩层的走向和公路线路走向夹角小于5°。岩层的平均容重26.7kN／m3，路堑边坡的高度24.65m，边坡坡度β＝89°坡缘之上的自然斜坡的坡度β1=α= 37°。
根据式上面公式可以计算得到的平均容重γ =27.6kN·m-3，li= 1.32m，hi=1.02m，αf= 0.068m-1，f0i=0.18，αc= 1.0kPa·m-3，ασ= 0.48kPa·m-1。最终求得边坡不稳定临界长度为11.05m。
3.3 算例对比分析
边坡第一边坡滑坡和第二个边坡的滑动的变形特征与开挖后的变形特征基本一致，但变形范围略小于公式。分析认为，反压主要与回填时间、滑坡变形不足有关。所以说，对于已有滑坡发生后应该及时进行反压回填、清理滑坡残留部分，防止二次伤害产生。综上所述，公式推算结果是可靠的，因此可以确 定第三阶段的边坡稳定性较差，边坡失稳范围长厚比在设计阶段可按考虑塑性区的长厚比进行确定，即按长厚比4.3进行边坡稳定性分析和剩余下滑推力计算，并进而指导支挡工程设计。
通过本文的计算分析发现，对于层状为顺层岩质高陡边坡，进行开挖时边坡倾角大于层状岩质高陡边坡的倾角，
（1）在进行计算边坡临界破坏长度时，所推导公式所得计算结果偏大，分析发现这与边坡内部预应力有关。本文所采用的计算方法可以对边坡的稳定性进行分析，较为准确地推导出临界长度，确定下一步的下滑力计算，最终可以在边坡的危险地区设计支护结构或锚固结构。
（2）对于分析层状软岩边坡的变形破坏过程，首先对边坡变形破坏的历史和现状进行了分析，然后对其变形破坏特征进行了预测。此外，临界长度计算公式克服了用实验简单确定不稳定范围的不足，可以得到具体数据。
本文提出的分析方法为评价高陡顺层岩质边坡开挖支护提供了理论依据，弥补了单纯通过经验确定不稳定岩体范围的不足，对高陡边坡工程具有较好的实际工程意义。
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