软质岩路堑边坡失稳破坏模式及其加固设计研究

杨 龙 谭延嗣 缪文鼎

（贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州 贵阳 550000）

软质岩在西部山区有着广泛分布。软质岩岩体破碎，强度低，节理裂隙发育，遇水易软化，强风化带厚度大。在这种地质条件下，路堑施工开挖后出现的临空面暴露将迅速风化，路堑边坡难以自稳而发生失稳破坏[1-3]。 对于软质岩边坡设计，其设计思路认为适当放缓后边坡可以自稳，再辅以一定防护后可以保证边坡的稳定性[4-5]。

以贵州省境内玉屏至镇远高速公路为例，通过分析沿线软质岩路堑边坡稳定性特征及潜在破坏模式，综合浅析软质岩路堑边坡的加固设计方法。

1 工程概况

项目位于贵州省东部，属亚热带季风性湿润气候，冬无严寒，夏无酷暑。年年降水量1174.1mm，历年平均气温15.7 ～17.1℃。路线穿越玉屏、岑巩、镇远三县，全长87.905km。海拔高程范围在600～1000m 之间。地貌类型主要为侵蚀构造地貌和侵蚀溶蚀地貌。

沿线区域内软质岩地层主要有：（1） 震旦系下统南沱组（Zan） 紫红色粘土岩；（2） 前震旦系清水江组（Ptbnbq）第三段浅灰、灰色变余凝灰岩、变余砂岩与凝灰质板岩、粉砂质板岩、绢云母板岩互层。

2 边坡类型及失稳破坏模式

2.1 边坡类型

根据规范，高度小于30m，且坡面倾向与岩层倾向的夹角小于30°的边坡为顺层普通边坡。高度大于30m，且坡面倾向与岩层倾向的夹角小于30°的边坡为顺层高边坡。高度小于30m，坡面倾向与岩层倾向的夹角大于30°且小于90°的边坡为切层普通边坡。高度大于30m，坡面倾向与岩层倾向的夹角大于30°且小于90°的边坡为切层高边坡。高度小于30m，且坡面倾向与岩层倾向的夹角大于90°且小于180°的边坡为顺层反倾边坡。高度大于30m，且坡面倾向与岩层倾向的夹角大于90°且小于180°的边坡为顺层反倾边坡。

2.2 边坡失稳破坏模式

项目区域内软质岩分布地区的地表覆盖层通常较厚，强风化层厚度大，岩石强度低，岩体结构面非常发育，岩体结构性差，工程性质较差。基于这些工程特点，山区软质岩路堑边坡的破坏模式主要有以下四种类型[6]：

（1） 蠕滑-拉裂型。对于软质岩普通顺层边坡而言，其失稳破坏模式主要为蠕滑-拉裂型失稳破坏。此类破坏形式主要出现在覆盖层厚，且强风化带较厚的边坡中，是软质岩边坡最为主要的潜在破坏模式。其变形破坏主要可划分为三个阶段[1]：①表层蠕滑；②后缘拉裂；③潜在剪切面剪切扰动。剪切变形持续发展，剪切裂隙贯通发生破坏。此类边坡失稳破坏的潜在滑动面主要为圆弧形。

（2） 滑移-压致拉裂型：此种破坏主要出现在深路堑顺层高边坡中，岩层倾角与结构面摩擦角大致相同。边坡开挖深入中风化岩层，边坡岩体沿中风化层内的结构面向临空面产生缓慢的蠕变型滑移。岩体滑移会导致锁固点或错列点周围产生拉应力集中现象，从而在该处产生大致垂直于滑面的拉张裂隙，随着变形的发展，张拉裂隙逐步发展至岩体顶面，与结构面共同组成贯通滑移面。

（3） 滑移-拉裂型：此类边坡破坏模式出现在深路堑顺层高边坡中，当边坡岩体中存在外倾软弱结构面且结构面倾角大于或等于结构面的摩擦角时，路堑开挖将导致岩体沿着软弱结构面向临空面发生滑移破坏。同时，滑体后缘因为下滑力超过岩体的抗拉强度而产生拉裂隙，裂隙发展贯通导致边坡迅速破坏。

（4） 滑移-弯曲型：此类边坡主要发育在深路堑顺层高边坡中，边坡岩层较薄且倾角较大。此类边坡的坡脚小于岩层倾角，潜在滑动面的峰值摩擦角也小于岩层倾角，边坡岩体已经具备了下滑条件。但是，由于边坡开挖并未切断岩层，滑移面未临空，导致边坡岩体下滑受阻。在边坡岩体的自重压力作用下，边坡坡脚岩层受纵向压应力作用，若边坡岩体自重较大，则边坡坡脚岩层将发生弯曲变形。

3 边坡加固设计探讨

3.1 普通边坡

项目区内的软质岩普通边坡（普通顺层边坡、普通切层边坡、普通反倾边坡），由于其位于软质岩地区，边坡开挖后岩体将迅速劣化，工程性质将急剧降低，边坡极易在施工过程中发生变形破坏。此类边坡主要坡率法放缓边坡，无放坡条件时可采用坡面防护，如：锚杆框架、拱形骨架、窗式护面墙等支护形式。在边坡开挖过程中往往采取逆作法施工，即：边开挖，边施工，自上而下，快速封闭。

但是，由于软质岩强风化带往往较厚，对于路堑边坡而言，往往将强风化带岩体视为土体考虑，将其破坏形式视为圆弧滑动。基于此，软质岩普通边坡若高度超过15m，其沿着潜在滑动面的下滑力大，此类边坡破坏后果较严重，需要特殊防护设计，其主要支护类型有：抗滑桩、桩板墙、锚索框架、抗滑挡墙等。

3.2 顺层高边坡

软质岩顺层高边坡的稳定性是本项目路基施工的关键控制点，也是后期运营过程中交通保畅的主要影响因素。因此，软质岩地区的顺层边坡往往需要特殊设计。其加固设计方式主要有：（1） 抗滑桩。作为最为直接有效的支护方式，抗滑桩可以提供稳定的支护反力，对边坡变形破坏的控制较好，但是其造价较高，工序复杂。（2） 框架锚索：作为边坡岩体的预应力加固方式，锚索框架可以对边坡岩体提供较强的支护力，有利于提高岩体的整体性，是较为可靠的支护形式。但是，锚索框架其预应力损失不可控，锚索有时效性明显、后期运营成本高等缺点。（3） 锚杆框架：作为坡面支护形式，锚杆框架主要应用于边坡顶部的坡面防护，不具有加固抗滑功能，但是对边坡表面的局部破坏控制较好。（4） 其他方式，例如桩板墙、土钉墙、抗滑挡墙等。

对于软质岩高顺层边坡的加固主要是多种方式相结合为主，单一的支护模式往往难以满足稳定性需求。施工过程中的工序控制及质量控制更是此类边坡稳定性保证的关键点。同时，施工过程中应做到动态设计，做到边反馈、边设计。施工完成后应对边坡进行动态监测，做到及时预警。

3.3 切层、反倾高边坡

切层及反倾高边坡是本项目路堑边坡出现最多的类型。对于此类边坡，由于软质岩地区强风化层较厚，边坡高度较大，极易出现边坡上部为强风化层，下部为中风化层。当边坡体中含有两种风化类型岩体时，对于上部强风化层岩体需要按照潜在圆弧滑动面验算下滑力，下部则需按照岩石结构面计算下滑力。因此，对于此类边坡，往往需要对边坡进行分段设计。对于上部强风化带，由于岩性较差，下滑力大，一般采用框架锚索，框架锚杆支护。对于下部中风化带，由于岩性相对较好，可采用锚杆框架、窗式护面墙或拱形骨架等支护形式，必要时为了控制挖方数量，可采用挡土墙、土钉墙等支护方式。

4 结语

以贵州省境内玉镇高速公路工程为例，通过现场调查及地质勘查，将沿线软质岩边坡分为顺层普通边坡、顺层高边坡、切层普通边坡、切层高边坡、反倾普通边坡及反倾高边坡六种类型。浅析了本项目中软质岩路堑边坡的四种潜在变形破坏模型，即：蠕滑-拉裂型、滑移-压致拉裂型、滑移-拉裂型和滑移-弯曲型。根据各类软质岩路堑边坡的潜在变形破坏特征，浅析其合理的加固设计方法，为山区软质岩路堑边坡的加固设计提供一定的理论基础与实践经验。