一类岩质顺层滑坡反演分析及其工程应用

陈芳平 彭小勇 苏晓亮

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550081)

工程中对于岩层倾向与边坡剖面夹角小于30°的挖方边坡定义为顺层岩质边坡[1]。对于地形横坡较陡、岩性层面结合差、层间抗剪强度低的顺层高边坡，因其临空后下滑力大，工程中难以支挡防护，防护处置工程造价高，滑移后滑坡规模大，社会影响大等特点，在工程中应尽量避免。对于无法避免的顺层边坡，工程处置时应有充分的计算资料支撑，确保防护方案安全可靠，且防护工程经济、合理。计算中边坡的岩土参数对边坡的计算分析至关重要，方案的合理性与参数的选取密切相关，工程中确定层间参数的措施有现场原位试验、室内试验及工程经验参数等。李安洪等[2]对顺层岩质边坡工程进行了系统性的阐述，确定了坡体破坏模式、坡体失稳范围与开挖高度及岩层倾角的关系、潜在滑移面的确定方法及抗剪强度参数的确定等。

对于受条件限制无法获取岩土抗剪强度、顺层边坡已经滑移失稳的边坡，反算法能为边坡稳定性分析提供相对较准确的抗剪强度，对顺层滑坡的快速处治提供可靠的计算依据。

本文结合工程实例，通过对顺层滑坡的反算分析，计算出岩层软弱层面的抗剪强度，为滑坡的治理提供计算依据，同时结合计算分析对类似顺层岩质边坡的防护处置提供参考。

1 计算模型

顺层边坡滑移-拉裂破坏模型为平面滑动破坏，采用极限平衡法模型计算，模型见图1。

图1 极限平衡法计算模型

计算时t体取1 m宽，其稳定系数计算方法[3]见式(1)。

(1)

式中：K为滑坡稳定性系数；c为滑动面上岩土体的黏结强度标准值，kPa；φ为滑动面上岩土体的内摩擦角标准值，(°)；l为滑动面长度，m；β为滑体的倾角，(°)；G为单位宽度岩土体自重，kN；R为滑动面上的抗滑力，kN；S为滑动面上的下滑力，kN。

路堑边坡稳定性安全系数根据公路等级、边坡地质条件复杂或破坏后危害程度严重性等因素按表1确定[4]。

表1 路堑边坡稳定性安全系数

对于已经产生的滑坡，相关资料建议其安全系数为：蠕变滑动阶段，K=1.0～1.05，滑移破坏阶段，K=0.9～1.0[5]。同时结构面抗剪强度指标标准值可根据类似工程经验确定见表2。

表2 结构面抗剪强度指标标准值

表2中相关经验参数已经考虑了结构面的时间效应，计算时可结合边坡岩性及岩层层面、结构面胶结程度等因素参照表中的推荐值采用。对于含泥化层的软弱结构面可取内摩擦角<12°，黏聚力<20 kPa。

根据式(1)可知，当滑坡根据反演法计算结构面抗剪强度时，确定安全系数后求解结构面内摩擦角φ和黏聚力c时为二元一次方程，c与tanφ为线性关系，即提高黏聚力c时内摩擦角φ相应减小，反之降低c值则内摩擦角增大。

2 工程实例

2.1 原设计概况

以某高速公路服务区AK0+280-AK0+560段顺层边坡为例，通过滑坡反演计算，确定结构面抗剪强度及验算原有防护方案的合理性，制定滑坡段处置方案。原边坡防护为第一级边坡抗滑桩支挡，第二级边坡采用1∶0.5放坡，AK0+330-AK0+410段坡面采用锚索框架；AK0+410-AK0+500段锚杆框架加固防护，防护设计立面图见图2。

图2 边坡防护设计立面图(AK0+360-AK0+500)

本次滑坡发生在AK0+440-AK0+500段抗滑桩以上第二级边坡，原设计为锚杆框架防护。AK0+410-AK0+440锚杆框架防护段及原有锚索框架防护设计段均未出现滑移破坏裂缝。边坡滑移破坏见图3。

图3 边坡滑移破坏现场照片(AK0+440-AK0+500)

2.2 地质概况

覆残坡积层(Qel+dl)粉质黏土,场区山体覆盖层厚0～3 m，下伏基岩为三迭系中统松子坎组(T2s)薄至中厚层灰岩夹泥质灰岩，层间间夹泥膜见图4，泥膜间距0.3～2 m不等，强风化层厚3～8 m，强风化层节理裂隙发育，岩体较破碎。

图4 层间典型泥膜夹层

该区域岩层产状为235°∠15°～17°，右侧边坡剖面角为209°～229°，为顺层边坡开挖。刘宏力等[6]研究表明，当存在泥质岩、黏土岩及泥化层面时，滑动面倾角在5°～12°顺层边坡仅在重力作用下即滑移失稳。

根据实验确定岩土参数见表3。

表3 边坡岩土体设计参数

2.3 计算分析

取滑移面最长断面AK0+470计算，临空面8.8 m，滑移裂缝距坡顶23.80 m，滑移面长l=29.38 m。取滑面倾角β=16°，G=4 485.2 kN，则Gsinβ=1 236.3 kN,Gcosβ=4 311.5 kN，滑坡体大部分滞留在坡面，代入式(1)后结果见式(2)。

(2)

当取K=0.96时,经计算得tanφ=0.275-6.819×10-3c。φ=8°时，c值为19.7 kPa；当φ=11°时，c值为11.8 kPa。计算结果见表4。

表4 滑坡结构面(泥化夹层)计算成果表

当取φ=7°时，c=22.32 kPa>20 kPa；或φ=12°。2种情况均属于表2推荐结合很差极小值范围，大于泥化层结构面参数，不予考虑。

根据文献[2]，不设支挡防护条件下边坡临空高度与滑移范围的切层厚度比为4～6.5倍，设置支挡条件下的切层厚度之比为3～5倍。结构面暴雨工况下岩土参数结合边坡其他断面计算分析综合考虑取值为φ=9°，c=17.1 kPa。

本边坡暴雨工况下取潜在滑移面长度为坡面临空高度的5倍计算，对边坡第二级坡面为锚索框架防护未垮塌段进行计算分析，典型防护设计横断见图5。

图5 AK0+360锚索框架防护设计横断面(尺寸单位：cm)

该防护设计段以AK0+360断面为计算依据，计算参数见表5。

表5 AK0+360横断面计算参数

每束锚索设计预张力为750 kN，提供坡面抗滑力为

坡面锚索每4 m设置1排，每排2束，则坡面安全系数为

原锚索框架防护设计段安全系数为1.14>1.1，满足规范设计要求。

对边坡第二级坡面为锚杆框架防护未垮塌段进行计算分析，防护设计横断面，见图6。

原设计锚杆长为9 m，矩形布置，间距为3 m，锚杆设计锚固力为90 kN，提供坡面抗滑力为

图6 AK0+420锚杆框架防护设计横断面(尺寸单位：cm)

该防护设计段以AK0+420断面为计算依据，计算参数见表6。

表6 AK0+420横断面计算参数

考虑边坡锚杆有效锚固长度，边坡只考虑2排锚杆起有效作用，则安全系数为

暴雨工况下原锚杆框架防护设计段处于极限平衡稳定状态，其安全系数K=1.04<1.10。采用锚杆框架中增设独立锚索设计，每6 m设置3根，梅花形布置，立面布置图见图7。

图7 未垮塌部分锚杆框架增设独立锚索防护设计

增设独立锚索后AK0+410-AK0+440段安全系数计算如下。

K=(7 146.1 cos 16°tan 9°+17.1×

53.05+77×2÷3+676×3÷6)×

(7 146.1 sin 16°)-1=1.21

暴雨工况下原锚杆框架防护设计段增设独立锚索后，其安全系数K=1.21>1.1，满足规范要求。

对于已滑移部分AK0+440-AK0+500段，其原有防护措施已经失效，潜在滑移坡面影响范围切层厚度比为4～6.5，本设计采用6倍考虑，以AK0+449.188断面计算分析，防护设计见图8。

图8 垮塌部分剩余下滑力计算断面示意图(AK0+449.188)(尺寸单位：cm)

考虑部分滑坡体滞留在滑面上，清方施工风险大，设计采用先支挡防护坡面临空体，后处置滑面滑坡体。采用4排抗滑键支挡防护，每根抗滑键为3根HRB500级直径25 mm的抗剪钢筋支挡。

钢筋设计拉应力[σ]=200 MPa，抗剪屈服强度[τ]=0.45[σ]=90 MPa，弹性模量E=200 GPa，3根直径25 mm钢筋抗剪面积A=15 cm2。F=A[τ]=135 kN，4排抗滑键提供抗滑力F抗=4F=540 kN。

边坡安全系数K=1.21>1.1，满足规范要求。

因结构面抗剪强度为综合经验选取值，结合表4结果分析计算AK0+449.188断面剩余下滑力结果见表7。

表7 AK0+449.188横断面剩余下滑力计算

3 结论

1) 顺层边坡泥膜夹层抗剪强度较低，定性为结合极差结构面，工程期间应注意软弱夹层的勘察，因下滑力大，工程防护难度大，设计中应避免此类顺层高边坡产生。

2) 已产生的顺层滑坡，通过反算结构面的抗剪强度能为边坡的防护设计及滑坡的处置提供较合理的岩土参数，在工程处置中较贴合实际。

3) 反算中因安全系数的选取对结构面的抗剪强度影响较大，K值一定时，黏聚力c值与内摩擦角φ值的正切值呈线性相关，且c值与φ值对抗滑力影响因子的影响存在差异。

4) 同一K值推导出的c值与φ值计算的剩余下滑力差距不大，但坡面剩余下滑力随选取的结构面内摩擦角φ值的增大而略有增加趋势。