岩土质混合高边坡稳定性及坡率法处理研究

陈遥

（中铁上海设计院集团有限公司广州分院，广东 广州 510000）

0 引言

边坡按照组成成分可分为土质边坡、岩质边坡、土石边坡。三者的组成成分不同，因此边坡发生稳定性破坏时的模式和机理也不相同。岩土质混合边坡较为特殊，上层为土石混合材料，下层为岩石，它具有独特的力学性质和变形特点。在实际工程中，滑移面的发生具有随机性，在暴雨或在其他外力的作用下会引发滑移，设计中常选用正常工况及暴雨工况滑动面安全系数对比边坡稳定安全系数，以增加边坡实际工程的安全性和稳定性能。目前，我国针对岩土质混合边坡的研究较少，因此该课题具有一定的研究意义。

1 边坡安全性因素分析

1.1 地层岩性

高速公路地质复杂，边坡岩性组成较多，岩土间构成并不都是上部土体，下部岩层。只有合理分析二者关系，才能对边坡稳定性做出正确评价。不同岩土质混合边坡稳定程度相差较大。

1.1.1 岩、土交替出现

当全分化土体下伏于岩体时，会形成软弱层，在自身土压力作用下，边坡开挖时形成临空面，土体发生塑性流动导致上伏岩体解体。

1.1.2 岩、土等厚互层边坡

（1）缓倾顺层边坡

边坡开挖后导致大面积土层暴露，土体极容易失水风化形成风化层，因此力学性能降低，间接导致边坡的稳定性不足。对坡体进行开挖后未进行及时治理防护，边坡会在重力作用下向临空面蠕动。在地下水和空气作用下，导致土体的抗剪能力降低，岩体变形加速，最终边坡发生滑移。

（2）陡倾顺层边坡

当边坡岩石和土层水平交错出现且岩层倾角较大时，边坡开挖后，岩土体在重力作用下表层产生错动。当岩层较薄时，边坡中下部岩土体抗剪能力较小，易发生圆弧滑动破坏。

1.2 边坡形状

随着边坡开挖深度加深，坡体自重越大，发生失稳时边坡下滑力增加。坡高对稳定性影响可通过应力表达，即坡高越大，坡体自重应力越大，坡脚发生应力集中程度越高。

当形成临空面时，土石混合边坡很容易被切割破坏，发生失稳破坏，因此开挖边坡时应合理选择坡脚。

土质边坡设计中稳定状态坡高较小，坡率较大，石质边坡坡率破坏形式呈折线变化，坡体较为稳定。土石混合边坡则由于土质边坡稳定性，但不如石质边坡稳定性好，介于两者之间，边坡剖面形态影响稳定性程度较大，应根据不同地质情况和边坡形态进行坡率设计[1]。

2 案例分析

2.1 工程概况

该文所依托工程为某大型山地建设场区，地块开发过程中需要对原地面进行整平处理，保证场区高差满足建设安全性要求。根据建设需求，路基段穿越山体有2km 挖方高边坡，坡顶与坡脚间最大高差为120m。为防止边坡发生失稳破坏，或发生落石现象，现对坡体进行稳定性分析，同时加强防护设计。

所建设场区地形为山岭重丘区，场区右侧需要进行开挖平整，坡面倾斜20～35°，局部地形坡度大于45°，开挖后坡高为56m，边坡开挖后边坡共分为7 级，每级边坡为8m，边坡总体变化趋势呈现西北高南低。

该项目所在地属于亚热带季风气候，主要温度特点为：1 月最低气温为8.0℃，8 月最高气温为32.9℃。该地区年温差较大，雨季主要集中在4～9 月，6 月最大降雨量为306.8mm，多年平均降雨量为1717.1mm，50 年内有记录的该地区年最大降雨量为2563.6mm，年最小降雨量为935.9mm（1963 年）。

建设区地处紫金断裂带和佛冈—丰良东西向构造带，区域内岩体呈现不同程度的破碎，基岩存在不同程度的风化。场所整体地形坡度在20～35°，局部地形坡度大于45°。场地抗震设防烈度为6 度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组第一组，设计特征周期值为0.35s。

2.2 数值模拟分析

该项目共存在13 处高边坡，选取其中一段边坡作为研究对象，通过对该段岩层分布规律及地质情况进行分析，拟定边坡坡度、组成及防护形式，对处理后边坡的稳定状态进行评价。该段高边坡处于场区西北边侧，北侧临近现状公路边坡，最大高差深度约56m。

2.3 地层岩土力学参数确定

根据场区地质钻孔勘察结果资料，地基层结构组成和对应的岩土力学参数如表1 所示。

表1 岩体力学参数表

3 坡率法分析边坡稳定性

3.1 坡率法初定边坡

参照《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2013）和《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）对一级公路路堑边坡安全等级的要求，同时结合工程经验和场区条件，对目标高边坡坡率进行设定，目标高边坡坡率设定方案如表2 所示。

表2 坡率初定表

3.2 建立模型

结合该项目特点以及土质特征进行模型建立，平面示意图如图1 和边坡模型图如图2 所示。

图1 剖面位置平面示意图

图2 边坡模型图（选自剖面4-4′）

该项目通过工程地质剖面图建立计算模型，剖面位置如图1 所示。模型以第一级坡脚点为坐标原点，规定X 轴正方向为边坡倾向，Y 轴正方向为坡底指向坡顶。

工况设定：矿区内常年无丰富地下水，地震烈度为VI 度，断裂构造和地震对边坡稳定性影响程度较小。因此，在对边坡稳定性进行分析时只考虑重力作用[2]。

3.3 边坡稳定性计算

采用刚性极限平衡法对边坡进行稳定性计算，根据边坡稳定安全系数来判定边坡稳定性。边坡稳定安全系数的计算方法如下[3]。

3.3.1 圆弧形滑动面边坡稳定性系数

式（1）中：FS表示坡面稳定性系数；ci表示第i 计算土条块滑面黏聚力，（kPa）；φ表 示内摩擦角，（°）；li表示弧面长度，（m）；θi表示滑面倾角，（°）；Ui表示单位宽度总水压力，（kN/m）；Gi表示单位宽度自重，（kN/m）；Gbi表示单位宽度竖向荷载，（kN/m）；Qi表示单位宽度水平荷载，（kN/m）。

3.3.2 折线形滑动面边坡稳定性系数

式（2）～式（5）中：Pn表示第n 条块单位宽度剩余下滑力，（kN/m）；Pi表 示 第i 条 块 与 第i+1 条 块 单 位 宽 度剩余下滑力，（kN/m）；Ti表示下滑力，（kN/m）；Ri表示抗滑力，（kN/m）；ψi-1表示第i- 1 条块对第i条块的传递系数。Fi表示下滑力，（kN/m）。

场地内抗震设防烈度为6 度，因此不进行地震工况下的边坡稳定性校核。只对正常工况及暴雨工况进行计算校核，判断边坡稳定性。

通过上式（5）对边坡进行稳定性计算，大部分断面边坡稳定安全系数不小于1.35，根据《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）可知，该边坡处于稳定状态。断面1-1′、6-6′、7-7′（见图1）边坡稳定安全系数小于1.35，表明该部分边坡未达到稳定状态，在外荷载或自然条件作用下，可能发生失稳现象[4]，应对该部分边坡做进一步处理。

3.4 坡面加固方案

针对上文中未达到稳定状态的边坡通过坡率法进行坡率调整，同时增加防护和支挡结构进行加固。通过对该项目特点进行分析，采用加固方案如下：

锚杆格梁加固：格梁截面采用0.3×0.3m 尺寸；钻孔直径φ110mm；锚杆采用M30 水泥砂浆灌注；主筋采用HRB335φ28mm，长12m；锚杆抗拔力要不小于120kN。

锚索框架加固：框梁截面采用0.4×0.4m 尺寸；预应力锚索钻孔直径φ150mm；采用M30 水泥砂浆二次注浆；主筋采用4 束φs15.2mm 强度为fpk=1860MPa的高强、低松弛的预应力钢绞线编织；锚杆抗拔力要不小于450kN；锁定力为250kN。

3.5 坡面防护方案

项目场区抗震烈度为6 度，需要采取抗震构造措施。

第一，微风化、中风化花岗岩，1∶0.5～1∶0.75 边坡，景观处要求该区域采用客土喷播植草方案，无景观处要求区域采用喷射水泥砂浆防护。

第二，强风化花岗岩，1∶1 边坡，采用人字形骨架+客土喷播植草防护。

第三，全风化花岗岩，1∶1.25 边坡，坡面加固区域锚杆格梁及锚索框架植草防护，无坡面加固区采用人字形骨架+三维网植草防护。

第四，土质边坡，1∶1.5 边坡，高度小于4m 边坡采用喷播植草防护，高度为4～8m 边坡采用三维网植草防护。

4 边坡稳定性评价

对边坡加固处理后的边坡稳定性进行计算，结果如表3 所示。

表3 边坡稳定性分析计算结果一览表

通过表3 安全系数计算结果可见，各断面处理后边坡安全系数均达到一级边坡稳定安全系数要求1.35 以上，边坡达到稳定状态。

5 结语

通过对岩土质高边坡稳定性进行分析得到以下结论：岩土质边坡稳定性主要影响因素为地层岩性和边坡形状，设计时应针对现场条件进行合理分析和确定。通过实际工程对岩土质高边坡进行设计和优化，主要方法为坡率法。首先结合工程经验和场区情况初拟定边坡坡率方案，然后采用刚性极限平衡法对边坡稳定性进行计算分析，最后对未达到稳定状态边坡采取加固处理，并结合加固方案优化坡面防护方案。