平缓反倾红砂岩高陡切坡的稳定性分析

袁从华，吴振君

（中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，武汉 430071）

1 引 言

我国广泛出露的红砂岩主要为三叠系、侏罗系、白垩系，总面积826389 km2，约占全国陆地总面积的 8.61%[1]，受红砂岩陆相断陷盆地或凹陷盆地沉积环境影响，红砂岩普遍都有遇水弱膨胀、软化和崩解特性，层中有软弱夹层[2－8]。高速公路经过此区的切坡可能遇到顺层边坡滑移[9－11]，高陡坡反倾边坡的倾倒滑移等问题。对于缓倾的反倾边坡，稳定性稍好，但对于自然侵蚀的高陡坡段的切坡，由于受构造运动产生的与层面大致直交的节理和卸荷裂隙影响，以及自然坡较大汇水面积时，可能产生的雨水下渗、聚积和软化红砂岩，使其产生顺向陡倾节理和斜切面的组合破坏。在已建成的沪渝国道恩施段就有一段侵蚀较严重的红砂岩反向缓倾边坡稳定性问题，与此相邻的两段相似的自然边坡已产生滑坡[12－13]，文献[13]是在滑坡体上进行的高速公路切坡，在160 m长的路段工程整治费用几千万。因此，对此路段的稳定性影响分析和整治措施较为关键，要做到预先加固防护，严格防止切坡软化导致山体产生的失稳。下面以沪蓉西（沪渝）高速公路湖北段某红砂岩高切坡稳定性分析进行说明。

2 工程概况与场地地质条件

场区地貌单元属于构造剥蚀中山，线路从山腰中上部通过，自然坡角为 43°左右，植被较发育。地质构造比较简单，基岩主要为三叠系巴东组薄一中厚层紫红色泥质粉砂岩，地层总体产状为82°∠16°～18°，岩性软弱，耐水性差，水化强裂，节理裂隙发育，贯通性强。本区年降雨量 1335～1600 mm，且多集中在7月和8月，约占全年雨量的50%，本切坡段无地表水，地下水主要为地表降雨渗流到基岩中的裂隙水。

此段边坡为沪蓉西高速公路最高切方边坡，最大切方高度约为76 m，以1∶0.5和1∶0.75坡比为主，岩层为反向缓倾斜软岩边坡。切方高度大、坡比陡、与坡面平行的纵向节理贯通性强为其主要特点，如图1、2所示。

路基高度位于此山坡的中部偏上，路基下还有100多米的自然山坡，受风化侵蚀、剥蚀作用、自然山坡卸荷高度约为200 m，顺坡向的纵向节理产状为220°∠70°（见图1中的AB段），宽度为1条/m，贯通性强，延伸长度几十米，节理裂隙宽度一般1～10 mm，部分有泥质沉淀物充填，为次生充填物，它是由于雨水下渗充填后清水流出、泥质沉淀的结果。在第4级坡面仍见次生充填泥，间接说明纵向节理在持续强降雨时，渗水可聚达第4级坡内，即节理内可能短时充填30～40 m高的地下水。与坡面横断面接近的横向节理产状为282°∠80°，密度约为0.5条/m，裂隙宽1～3 mm，少见次生泥。

3 潜在问题分析

3.1 结构面及变形

此处山坡自然侵蚀剥蚀的山高差约为200 m，自然平均坡角为 43°，较陡峭，岩层缓倾，且倾向与坡向反向，因此，自然坡较稳定。在构造挤压活动下，与层面大致直交的构造节理一般有两组以上，如在本坡段，就有横纵面组节理，如图1、2所示。在坡体长期侵蚀剥蚀作用下，近200 m山坡就可产生较大的卸荷变形。特别是水平卸荷变形量，如在与坡面同向的纵向节理内，明显可见节理面间距为3～10 mm的裂缝，即与长期侵剥蚀卸荷相关，这种方向的节理与卸荷裂隙基本重叠，在卸荷变形作用下，使原节理贯通长度加大，特别是卸荷裂隙与原生构造节理一致时，既扩大了原生节理的贯通长度，同时也加宽了原生节理的宽度，为地下水下渗提供了通道，因此，也成为高陡边坡一个最主要的潜在滑移面。

图1 节理和斜切层的组合潜在滑动示意图Fig.1 Combination sliding of joint and slide plane

图2 K178+410～K178+530地质剖面图Fig.2 Geological profile of K178+410-K178+530 section

3.2 岩体软化

红砂岩本身透水性较强，而层间有相对软弱的泥岩层，相对隔水，雨水沿砂岩体下渗到泥岩层时，顺层面渗透，使泥岩聚积地下水，容易使其软化，与层面大致直交的横纵两组节理又使岩体切割成块状，地下水沿节理面下渗使其节理周边岩体产生软化。红砂岩本身又是遇水微膨胀、耐水性差、水化强烈、多次干湿交替容易崩解的岩体，遇水软化后岩块的软化系数多在03～0.7[14]。岩体由于节理裂隙的分割，更易软化，其软化系数比岩块更低，因此，红砂岩体软化后其强度下降明显，在一定坡高条件下，可能产生沿纵向节理发展到一定深度后，在岩体内产生斜切，如图1所示的潜在滑体的BC面，即坡体内部斜切成为潜在滑移面的另一破裂面。

3.3 静水压力作用

本切方段无地表水，地下水主要为地表降雨渗流到基岩的裂隙水。在本区的7月和8月常有大雨或暴雨，并且有持续多天的降雨，降雨沿地表渗流到坡体内部时，顺层面和沿裂隙面下渗，当持续时间长，下渗雨量大时，地下水可在裂隙中聚积，当聚积较大高度时，对坡体形成较大的静水压力作用。据切坡观察，地下水下渗带入的次生黏土沉淀层可达30～40 m深，此即为地下水下渗聚积痕迹。因此，计算地下水在纵向节理内的作用高度时，可考虑短期内有30～40 m高水头的作用力。

3.4 类似岩体自然滑坡警示

距此约400 m有一潜在滑坡[12]，据此约1.5 km有一类似岩层的滑坡体[13]，这些是在没有人工切坡的条件下产生的滑坡，其自然条件中的岩性及结构等基本相同，有所不同的是这两处坡体地表汇水面积更大，为地表水下渗短期产生较大静水压力和软化提供了更大的可能性。这些自然环境的状况警示人们，反向缓倾红砂岩在结构面或卸荷裂隙、地下水软化和地下水静水压力作用下，较大的范围有潜在的滑移，滑体的滑动面深度几十米，滑动量达几百万立方米[13]，对工程造成极大的损害。本文讨论的切坡体更陡，一旦产生整体性失稳，难以有其他的可选线路，因为两端的桥遂、线路已施工，相邻段是深切峡谷或高山，若切坡产生整体推移，将对工程造成极大的困难。因此，在此地段施工，应特别注意减小地下水下渗软化、裂隙水聚积较高的影响，同时开挖后即时对坡体进行适当加固防护尤为重要。

4 坡体变形及稳定性计算分析

4.1 坡体变形模量取值

坡体变形包括自然侵蚀、剥蚀卸荷后的变形，高速公路对现有自然坡切坡卸荷引起的变形和坡体一定范围内软化后引起的坡体变形，卸荷导致岩体质量劣化、强度参数降低、抗变形能力差、稳定性降低[15－17]。为了解坡体变形特征，需要研究该红砂岩的变形模量，为此在该地段选取了有代表性岩块进行红砂岩变形特征试验研究和现场岩体承压板压缩特性研究，岩块三轴试验弹性模量在5～11 GPa范围内，泊松比在0.13～0.33之间[18]。现场承压板压缩特性选择4个点进行试验（开挖暴露两个月后，即有明显软化），由于试点的含泥量不同，其变形模量在132～550 MPa范围内变化，试验曲线如图3所示。

图3 红砂岩不同含泥量的压力-变形试验结果Fig.3 Pressure-deformation curves of red sandstone with different mud contents

切坡体的红砂岩由于岩体含有微裂隙等，变形模量比岩块试验值明显低，而现场承板压缩试验是在切方卸荷和岩体暴露两个月以后经过一定时间软化的结果。对于坡体中原岩变形模量，结合试验研究结果和其他红砂岩变形特性研究成果[14,19]，取值为1.5 GPa，基本为岩块的20%，软化后的变形模量主要依据现场试验的平均值即300 MPa，为原岩体的20%。

4.2 自然卸荷变形

为深入了解边坡岩体自然卸荷变形情况，本文进行了数值模拟分析。

由于山体高差约为200 m，主要为岩体长期冲侵蚀及剥蚀作用的结果，将其视为坡体卸荷，即将坡体恢复成一个与山顶平整的块体，然后将左边冲侵蚀块体切割成现在状态，数值计算中将这一过程模拟为岩体开挖，模型的底面边界为位移全约束，边坡右侧也采用位移全约束。本文的数值计算均采用Rrocscience公司开发的Phase2二维有限元分析软件。以当前自然坡形为初始条件，模拟得到的山体卸荷变形见图4，高速公路切坡卸荷变形见图5。坡脚软化仅分别考虑便道处切坡和路基处的一级坡高的坡脚软化后的变形结果，此时，坡脚软化后的变形模量为300 MPa，未软化处仍为1.5 GPa，软化范围考虑为向坡内10 m，坡脚向上5 m。实际坡脚的积水和坡表的渗水软化范围可能超过此范围，并且充分软化岩体与未软化岩体间有过渡带，为简化分析，才将坡脚分为软化带和未软化带，其变形结果见图6，这3个条件下的坡体变形见表1。

图4 山体的卸荷变形Fig.4 Unloading deformation of the hill

图5 切坡后的变形Fig.5 Deformation after slope cutting

图6 便道坡脚软化后的变形Fig.6 Deformation after softening of slope toe

表1 各条件下的坡体变形Table 1 Slope deformations under different conditions

由图4～6及表1可以看出，自然卸荷的变形以水平变形为主，这种水平变形并不是坡体均匀变形，主要是坡体内纵向节理或卸荷裂隙加宽的变形，切坡处实际的卸荷裂隙宽为3～8 mm，坡体向内20～30 m范围内多组张开的卸荷裂隙宽度与计算得到的卸荷变形量基本相当。当这种卸荷变形裂隙与纵向节理方向基本一致时，使纵向节理从近闭合状态变成有一定宽度的裂隙，同时也将原节理未切穿的部分岩体由于卸荷变形扩张，使其贯通性加大，同时也为地下水下渗提供了更畅通的通道，这也是切坡后卸荷裂隙内有较多的次生泥对这一结果的验证。

切坡卸荷变形量较小，但也部分地增大了坡体的裂隙，有利于坡表一定范围岩体的软化。坡脚软化的变形量大于切方卸荷变形。实际坡体中，地下水沿裂隙、坡表顺层面及坡脚多点软化，实际软化的范围和程度可能更高，软化变形量更大，更不利于坡体稳定。

4.3 稳定性计算分析条件

为了解红砂岩坡体的抗剪强度，对此类红砂岩进行软弱层抗剪强度和岩体抗剪强度试验，岩体抗剪强度共进行了6块50 cm×50 cm×100 cm的剪切试验，有的试样包含节理裂隙。每块进行单点法剪切试验，饱和条件下岩体的抗剪强度φ=33°～37°，c=200～600 kPa，以此作为基本依据，边坡岩体由于包含层面，横纵节理面，因此，对该红砂岩坡体抗剪强度综合取值为试验值的下限值，即 φ=33°，c=200 kPa。通过反分析计算，符合实际边坡条件。

该坡的潜在破坏类型主要是沿纵向节理发展到一定深度后，再斜切到坡脚，在这里有两个主要坡脚，一是边坡中部的施工便道（乡道），二是下部的路基坡脚。纵向节理由于是一系列的平行节理，在这里首先考虑延伸坡顶线的一组，其他组通过对比分析计算。安全系数最小的斜切面作为最危险的破裂面。对坡体的稳定性计算考虑两种方案，即一般天然状态和饱水状态两种，饱水主要为纵向节理（卸荷裂隙）内充填30～40 m的静水压力状态。斜切面考虑红砂岩坡体天然状态和坡体软化状态两种条件。

边坡稳定性计算中，仍然采用Phase2软件，在计算模型中，将纵向节理和斜切面模拟为节理单元，节理的破坏准则采用摩尔-库仑准则，斜切面的强度参数为：φ=33°，c=200 kPa，纵向节理强度参数均为 0。稳定性计算方法采用强度折减法，并设置仅对节理的强度参数进行折减。采用 Phase2推荐的节理刚度取值方法，设置纵向节理的法向刚度为100 MPa/m，切向刚度为10 MPa/m，斜切面的法向刚度为1 GPa/m，切向刚度为100 MPa/m。

4.4 稳定性计算结果

当潜在滑移面通过坡顶线的卸荷裂隙时，对施工便道处出口的不同斜切角进行稳定性分析计算，结果见表2。由此可知，在卸荷裂隙充水时，30°的斜切面为安全系数K最低的潜在破裂角。

表2 斜切面不同角度的安全系数Table 2 Safty factor under different slide plane angles

对切坡体，由于施工便道处和高速公路路基处切坡较宽，因此，该两处坡脚的边坡潜在稳定性问题较大，需要计算比较二处切坡脚的稳定性系数。陡坡体被横纵节理和卸荷裂隙切割，坡脚处易渗水，因此还需考虑坡脚岩体软化的计算分析结果，计算分析见图7、8，计算结果见表3。

图7 便道处的稳定性计算条件和结果Fig.7 Computation condition and result of sideway slope

图8 路基处的稳定性计算条件和结果Fig.8 Computation condition and result of subgrade slope

表3 潜在滑面不同状况下的边坡稳定性计算结果Table 3 Slope stability analysis results for potential slip surface under different conditions

对2～6级坡采用800 kN的预应力锚索（杆）加固后的计算分析见图9，计算结果见表3。对于坡顶线不同距离的卸荷裂隙，是指坡顶线的卸荷裂隙作为0，向坡面移动为负数，向坡后移动作为正数。坡顶线不同距离的卸荷裂隙与便道处的斜切面潜在滑体的稳定计算结果见表4。

图9 预应力锚索加固的计算条件和结果Fig.9 Computation condition and result of slope reinforced by prestressed anchorage cables

表4 纵向节理距坡顶不同距离的安全系数Table 4 Safety factors under different distances between vertical joint and crest

4.5 稳定性计算结果分析

对于卸荷裂隙充水30～40 m条件的坡体，便道处斜切角30°时（即图7显示的斜切面），K值最小（见表2），即为潜在危险性最大滑裂面。由表3可以看出，卸荷裂隙无充填裂隙水时，坡体稳定性数K值都较高，开挖前后便道处K值高于路基，即局部 K值高于整体 K值，当卸荷裂隙充水条件达30～40 m时，开挖后便道处K值低于路基处，即便道处坡脚潜在稳定性问题更大。在不加固时，基本满足稳定性要求。当仅考虑坡脚一级坡体软化时，边坡稳定性系数K值会迅速下降，若内摩擦角值不变黏聚力c值部分下降时，坡体K值将达不到工程稳定性要求。事实上，由于红砂岩有软化崩解等特性，且节理较发育，卸荷裂隙与节理大体一致时又扩宽裂隙，并使裂隙贯通性提高，红砂岩体本身透水性较强，加之有泥岩软弱夹层，地下水下渗较易并在软弱夹层附近汇集，容易软化，特别是c值变化明显，因此，在表3中仅列出c值软化的计算分析结果。而实际坡体不仅c值软化下降，φ值也有所下降，且软化范围不限于坡脚一级坡，因而实际软化的结果可能更甚于表3的计算分析结果。因此，施工中即时加固防护对红砂岩坡体尤为重要。很多红砂岩边坡开挖一段时间内，未加固坡体基本稳定，但在雨季暴露一段时间后，坡面可能出现裂缝或明显的失稳变形，此时再进行加固防护，由于坡体变形、强度下降，加固强度可提高很多但还难以达到预期效果，形成事倍功半之效，而每开挖一级坡后即时加固防护，再开挖下一级时，能有效防止坡体变形、软化，基本保持坡体初始强度，达到事半功倍之效。

由表3卸荷裂隙有无水压和斜切面强度变化的K值比较可以看出，有无水压和c值变化时K值相差极大，切坡完成并裸露一段时间后，红砂岩坡体由于软化崩解特性，正好会向这两个不利的方向发展，由稳定坡体发展变化到失稳坡体。平缓反倾高陡坡体由于有同坡向的纵向节理，卸荷变形使纵向节理裂隙宽度扩大，加大其贯通性，地表水下渗为这类坡体的稳定性提供了极大隐患，因此，开挖坡体，即时加固防护和排水措施显得尤为重要。

当卸荷裂隙经过距坡顶线不同距离时，潜在滑面在开挖后有水压条件下的稳定系数K见表4，由表可以看出，卸荷裂隙经过坡顶线附近时，K值最小，向坡内，还略有减小，但变化不大，向坡后变化时，K值逐渐增大，由于预应力锚索（杆）加固长度30 m，在坡顶线后一定距离，加固后K值提高较大，坡顶线内潜在滑体加固后的K值高于坡顶线以及坡顶线外，因此，坡顶线附近是开挖后潜在滑面K值最小的地段。加固防护要超过坡顶线外一定范围，减少或避免坡顶线卸荷裂隙地下水聚积。

5 结 论

（1）平缓反倾红砂岩在构造活动中产生两组以上大致与层面正交的节理，冲侵蚀形成的高中山体的卸荷裂隙与纵向节理大致同向，这种卸荷变形可达几十甚至几百毫米，多表现为节理处的变形，它使节理裂隙加宽，贯通性提高，为陡坡山体提供了潜在滑动破裂面。高速公路切坡以及地下水下渗软化，使变形进一步增加，使平缓红砂岩高陡边坡存在较大的工程隐患。

（2）平缓红砂岩地下水沿横纵节理、卸荷裂隙及岩体多方面下渗，红砂岩本身又为易软化、崩解、微膨胀岩体，因此，红砂岩抗剪强度是随地下水作用软化而逐渐变化减小的。纵向卸荷裂隙的一定宽度和贯通度又为地下水在持续强降雨下的聚积提供条件，高切坡重力作用可能导致切穿一定宽度的岩体，使坡体构成同坡向卸荷裂面加斜切面组合的潜在滑移面。

（3）卸荷裂隙的地下水聚积和坡脚软化对平缓红砂岩高陡坡稳定起控制作用，在无水填充的一般状态时，不加固也稳定的坡体，当卸荷裂隙在强降雨聚积一定的裂隙水压时，稳定性系数可以从很稳定状态变到极限平衡状态，甚至失稳状态。因此，切坡即时加固防护尤为重要，既防止由于切坡变形引起坡体强度下降，又避免坡体变形造成的工期和工程损失，达到事半功倍之效。

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