岩土组合边坡工程稳定性分析与支护设计

林鹏

（广西基础勘察工程有限责任公司，广西 南宁 530023）

0 引言

我国山地面积占国土面积约70%，在工程建设中不可避免遇到各种不同类型的边坡。随着我国经济的快速发展，大量民用与工业建筑再建设过程中遇到了数量众多的人工边坡。因此，为了能采取经济安全有效的支护措施，准确的评价边坡的稳定性尤为重要[1]。

按边坡组成成分可以分为土质边坡、岩质边坡和岩土组合边坡。人们对土质边坡和岩质边坡研究较多，对边坡的认识基础理论也是建立在土力学和岩石力学之上的。岩土组合边坡是一种复杂特殊的边坡，上部由土和岩石全风化层组成、下部由岩石组成[2]。岩土组合边坡一般有多种破坏模式，为进行合理、准确的稳定性计算和评价，首先必须对边坡的特征、破坏模式、影响因素和破坏机制进行分析[3]。目前国内外主要采用刚体极限平衡法进行边坡稳定性分析[4-5]。本文以实际工程岩土组合边坡为例，分析边坡不同工况、不同破坏模式的滑动面的稳定性，确定最不利滑动面，并进行支护设计。

1 边坡工程概况

拟建边坡工程位于岩溶区，为建设观景台而开挖山体削坡形成坡高约5～22m的岩土组合边坡，边坡走向约175°，向东北方向临空。坡体主要由含砾黏土层和强风化燧石灰岩层石牙组成，初始开挖坡度约45°，未进行支护，天然状态下处于基本稳定状态。该挖方边坡为土质边坡，10m＜坡高H＜30m，破坏后果严重，边坡安全等级为二级。测得基岩岩层产状为323°∠12°。

1.1 地层岩性

边坡场地位于岩溶区，地层岩性自上而下依次为第四系人工素填土（Q4ml）、第四系残积含砾黏土（Q3el），基岩为二叠系下统（P1）的燧石灰岩、碳质灰岩层。

（1）素填土（Q4ml）：棕黄、灰黄色，稍湿，松散状，主要由黏性土夹碎石组成，局部夹块石，由开挖山体整平场地堆填而成，均匀性和密实性差，堆填时间不足一年。碎石含量约15%～30%，主要粒径0.5～3cm，块石粒径20～35cm。回填时虽经初步性碾压，但土质均匀性和密实性差，尚未完全自重固结。

（2）含砾黏土（Q3el）：棕黄色、褐黄色和灰黄色，稍湿，硬塑状，主要成分为黏性土，夹灰岩碎石、砾石约5%～30%，土层切面稍光滑，无摇震反应，干强度和韧性中等，碎石粒径0.5～3.0cm，棱角分明，强至中风化。该层液性指数平均值为IL=0.07；压缩系数平均值a1-2=0.18MPa-1，中等压缩性。现场经杆长校正的标贯击数平均值N=11.7击/30cm。

（3）强风化燧石灰岩（P1）：灰色、灰黑色，隐晶质结构，层状构造，岩石较坚硬，岩体较破碎。主要成分为碳酸钙，局部夹碳质灰岩，岩芯呈碎块状，采取率约65%至70%，溶蚀裂隙较发育，充填泥质胶结或方解石脉，胶结一般。裂隙结构面发育无规律，产状多样。送水钻进较快，钻具跳动，返水正常。点荷载换算强度Ra平均值为15.79MPa，岩体基本质量等级为Ⅳ级。

（4）中风化燧石灰岩（P1）：灰色、灰黑色，隐晶质结构，厚层状构造，岩石较坚硬，岩体较完整。主要成分为碳酸钙，局部夹碳质灰岩，岩芯呈柱状，少量碎块状，采取率约75%～85%，局部发育溶蚀裂隙，充填方解石脉，胶结较好。送水钻进较平稳，进尺较慢，返水正常。单轴抗压强度值平均值为50.81MPa，岩体基本质量等级为Ⅲ级。

依据拟建场地的岩土详勘报告，考虑雨季（饱水）工况及周边已成功实施边坡防护案例的勘察、设计、施工等资料，综合考虑，本次设计计算各岩土层力学参数取值见表1。

表1 各岩土层力学参数值

1.2 水文地质急地震

场地地势较高，周围无地表水分布。勘察期间在场地内未发现地下水体，预计强降雨期间可能在素填土层中存在上层滞水。场地下伏基岩可能存在基岩裂隙水，但埋深较大，边坡范围内未揭露。

依据相关规范，场地的抗震设防烈度为Ⅵ度，设计基本地震加速度值为0.05g，地震分组为第一组，特征周期值为0.35S。

2 边坡稳定性分析

2.1 边坡的破坏模式

岩土组合边坡的性质较复杂，其破坏模式与边坡特征、岩土特性和结构面性质有关，其发生破坏时土层和岩层有时是相互独立的有时又是相互关联的。岩土组合边坡的几种破坏类型有：上部土体内发生圆弧滑动破坏、土体沿岩土体接触面滑动破坏或边坡沿基岩内软弱结构面发生破坏[6]。

本边坡坡体主要为含砾黏土层和风化燧石灰岩，含砾黏土层天然状态下强度较高，稳定性较好，自稳性较好，但遇水易软化。风化燧石灰岩强度高，但风化燧石灰岩分布不连续，且顶部的强风化燧石灰岩，节理裂隙发育，裂隙结构面结合较差，充填岩屑夹泥。边坡开挖后，坡面岩土应力释放，坡脚位置应力集中，易形成贯通的软弱结构面。致使坡体稳定性降低。

2.2 边坡稳定性计算

对破坏机制复杂的边坡，难以采用传统的方法计算，目前国内外已广泛采用数值极限分析方法进行计算。对于圆弧滑动面采用简化Bishop法进行计算，折线滑动面采用传递系数隐式法[7]。其计算过程相对简单，适于手算和计算[8]。本边坡工程综合考虑边坡场地及周边环境等因素，先确定滑动面的位置和形状，再用软件进行计算。实际的滑动面将取决于结构面的分布、组合关系及其所具有的剪切强度。实践证明，均质土坡的破坏面都接近于圆弧形，岩体中存在软弱结构面时，边坡岩体长沿某个软弱结构面或几个软弱结构面的组合滑动，因此，根据具体情况假定的滑动面与实际情况是很接近的。然后确定极限抗滑力和滑动力，并计算其稳定性系数。

2.3 理正岩土计算模型

在已有勘察资料，根据现场开挖情况，进行现场地质调查、测绘，在图纸上准确描绘出石牙位置和岩土交界面，充分了解岩土层和结构面特性。根据坡体不同岩土层，准确划分支护剖面段。选取最不利和具代表性的剖面进行建模。

拟建边坡工程初步按3级放坡，台阶宽2.0m，坡比为1:1.25。坡外荷载按照坡顶均布超载10kPa进行计算。设置6道预应力锚索，间距3.0m×3.0m，倾角向下20°，成孔直径180mm，锚索长15.0~20.0m。采用理正岩土软件进行计算，自动搜索最危险滑裂面，不考虑地震作用。分别计算天然工况和饱和工况边坡稳定性。由于场地地势较高，无地下水分布，饱和工况计算时采用总应力法，采用饱和抗剪强度。边坡计算模型简图见图1。

图1 边坡计算模型

对于岩土组合的边坡，充分模拟其各种破坏模式，分别验算了土体内部发生破坏的圆弧滑动、岩土分界面（折线）、圆弧面+岩体结构面（圆弧+折线）的稳定安全系数，每种滑动面又分别验算其不同工况的稳定安全系数。其计算结果见表2。

表2 边坡各工况安全系数汇总

上述计算结果表明，此边坡采用锚索+格构支护措施后，在天然工况和饱和工况下均处于稳定状态。两种工况下，边坡安全系数相差较大，为保证饱和工况下边坡安全，需大大增加支护工作量。因此在实际工程中应根据边坡特征、岩土层特性、地下水分布等因素，选取合适的岩土参数进行边坡设计，兼顾安全性和经济性，避免浪费。当岩土组合边坡的岩土特性、边坡特征不同时，其最危险的滑动面并不一定是单一的土体内部的圆弧滑动面或简单的岩土体分界面，也有可能为圆弧面+岩体结构面的折线滑动面。

3 边坡支护措施

本边坡工程按永久边坡考虑，设计使用年限为50年，采用动态设计法进行设计。本边坡位于岩溶区，岩面起伏大，岩土交界面犬牙交错，地质情况复杂，尤其是结构面特征变化大，边坡支护施工过程中，多次因开挖揭露新情况而对设计方案的锚索和格构梁进行调整。

在稳定性计算的基础上，根据边坡特征、使用及景观绿化要求、施工工艺、经济性等因素综合考虑，采用锚索+格构支护方式进行支护。在边坡设置坡顶截水沟、平台排水沟、边沟、急流槽、泄水孔和坡脚排水沟等。预应力锚索采用“二次高压注浆”法（第一次注浆压力0.8MPa，第二次注浆压力2.0MPa），注浆液采用纯水泥浆，水灰比0.50～0.60，水泥采用P.O 42.5普硅水泥，固结体28d强度标准值不低于30MPa。预应力锚索采用φ15.2mm钢绞线制作，自由段刷两遍防锈漆。采用C30混凝土的格构梁，水平和竖向间距均为3.0m，截面尺寸400mm×400mm，楔形张拉台座与格梁一起浇筑。格梁横向每隔12m设一道伸缩缝，缝宽2cm。边坡施工顺序为：搭设脚手架→施工坡顶截水沟，做好防水措施→按设计坡比修坡，清除松散土体→放点标示锚索、格构梁位置→分层施工锚索和格构梁，达到龄期后张拉锁定→网格土方回填压实并植草。详细边坡支护剖面如图2所示。

图2 边坡支护剖面

4 结论及应注意的问题

（1）通过实际边坡工程案例计算分析，采用本文提出的分析方法和支护措施，取得良好支护的效果，兼顾了安全性和经济性，对今后同类型的岩土边坡工程支护具有重要的参考价值。

（2）刚体极限平衡法，利用条分法，计算方便简单，适用于研究多变的水压力及不连续的岩体和土体，但其不能反映岩土体内部真实的应力应变关系，所求稳定性参数是滑动面上的平均值，带有一定的假定性。

（3）当考虑饱和工况时，边坡在天然工况和饱和工况下的稳定性安全系数相差较大，实际工程中应充分考虑岩体特性、地形地貌和地下水分布条件等因素，选取合理岩土参数指标进行边坡设计，以免影响边坡安全或造成浪费。

（4）当岩土组合边坡特征、岩土特性和结构面不同时，其最不利的滑动面并不一定是单一的土体内部的圆弧滑动面或简单的岩土体分界面，也有可能为圆弧面+岩体结构面的折线滑动面。

（5）边坡支护设计时应坚持动态化设计，边坡勘察钻孔间距大，且岩溶区岩面起伏大，地质情况复杂，尤其是结构面特征变化大，开挖揭露新情况时，及时反馈给设计人员计算复核修改。