某公路黄土-泥岩边坡稳定性评价与破坏机理研究.pdf

第5 2 卷第6 期甘肃水利水电技术 V 0 1 5 2 ，N o 6 2 0 1 6 年6 月 G A N S UW A T E RR E S O U R C E SA N DH Y D R O P O W E RT E C H N O L O G YJ u n 。2 0 1 6 设计与研究 某公路黄土一泥岩边坡稳定性评价与破坏机理研究 戴咸洁，高宏刚 ( 甘肃省交通规划勘察设计院有限责任公司，甘肃兰州7 3 0 0 3 0 ) 摘要：黄土一泥岩二元结构边坡的岩土交界面常为软弱结构面，工程开挖后易诱发沿岩土交界软弱面的坡体失稳破坏。 是黄土地区常见边坡痛害之一。针对某黄土一泥岩开挖边坡的稳定性进行了定性分析、定量计算、破坏机理研究，以期 为黄土一泥岩边坡的稳定性与评价工程处理措施提供设计参数与理论依据，也可为同类边坡设计提供借鉴。 关键词：黄土一泥岩；接触带；边坡；稳定 中图分类号：P 6 4 2 2 2文献标志码：B文章编号：2 0 9 5 - 0 1 4 4 ( 2 0 1 6 ) 0 6 - 0 0 4 3 - 0 4 作为黄土地区常见的工程灾害之一，黄土边坡 失稳具有突发性和复杂性的特点，给国家和人民的 生命财产、经济建设带来了重大损失。研究其稳定 性和失稳机理能够为边坡加固和处治提供理论依据 和设计参数，具有重大的现实意义。黄土是第四纪 干旱一半干旱环境下的沉积物，大多覆盖在基岩或 河流阶地的冲积物之上，公路路线通常在此类地貌 单元通过，易形成黄土一基岩二元结构边坡。依据 黄土地区边坡调查总结，黄土下伏基岩通常为透水 性差的泥岩，二者接触面的含水量较大，边坡易沿接 触软弱面发生破坏，是黄土一基岩二元结构边坡失 稳破坏的主要类型。关于黄土一基岩边坡失稳及滑坡 特征，吴玮江、李媛、刘传成、石瑞红等开展了相关研 究，从失稳机理、成因、分布等方面做了阐释1 。针 对某黄土一泥岩开挖边坡的稳定性和破坏机理开 展讨论，以期为黄土一泥岩边坡的稳定性评价、工 程处理措施提供设计参数和理论支持。 1地层岩性 某高速公路通过黄土梁峁地貌单元区，公路挖 方上部为一黄土斜坡地带，呈弧形圈椅状，斜坡坡度 为1 2 。3 0 0 ，相对高差较大，可见黄土陷穴。受 1 9 2 0 年海源大地震影响，斜坡上部发育一条地表裂 缝，为弧型张性裂缝，宽3 0 4 0c m ，每逢长历时降 雨或强降雨，裂缝呈现出进一步张开趋势，冬春季雪 融化裂缝也有继续发展趋势。公路开挖后在斜坡下 部形成一垂直临空面，对坡体稳定和安全存在很大 的潜在威胁，临空面上部平台部分已被破坏。 依据勘探与试验测试结果，工程区主要地层为 第四系上更新统风积物和第三系近水平甘肃群泥 岩，地层岩性从上到下依次为： ( 1 ) 上更新统黄土( Q 一) ：浅黄色，稍湿，半坚 硬一硬塑，土质均匀，结构稍密，大孔隙发育，具垂 直节理和湿陷性，多虫孔及植物根孔，含白色钙质粉 末，零星见蜗牛壳。揭露层厚1 2 0 2 4 0m ，厚度变 化大，风积成因，其物理力学指标( 平均) 为：天然含水量 w = 1 7 7 9 、天然孔隙比e 俨- - 0 9 6 、塑性指数忙1 1 2 3 、 液性指数五 0 、压缩系数。_ 2 _ o 4 1M P a - I , 压缩模量 鼯8 4 6M P a 、剪应力c = 1 6 8k P a 、内摩擦角 咖= 2 6 4 4 0 ，具中等压缩性。 ( 2 ) 饱和黄土( Q 一) ：褐黄一浅黄色，饱和，软 塑，土质不匀，具水平层理，不均匀分布黑色铁锰质 斑点，含蜗牛壳；局部微带红色，含亚黏土团块，呈团 粒结构，主要位于上部黄土与泥岩胶结面处，层厚约 1 5m 。 ( 3 ) 泥岩( E ) ：节理裂隙较发育，总体产状平缓， 局部产状略有变化，棕红色，泥质结构，块状构造，成 岩性差，湿水易软化，缩水干裂，节理较发育，节理面 被铁锰质渲染多呈黑色斑点，岩体呈厚层状，岩质不 均匀，局部呈紫红色、兰色团粒状分布，粉砂质含量 低，其抗压强度小于5M P a ，属极软岩。钻孔( 探井) 内在泥岩顶部可见地下水位，开挖断面岩土交界面 有地下水渗出。 收稿日期：2 0 1 6 0 5 2 7 作者简介：戴咸洁( 1 9 6 3 一) ，男，辽宁法库人，工程师，主要从事岩土工程勘察，E - m a i l ：4 5 4 5 0 8 7 1 3 q q c o m 。 万方数据 2 0 1 6 年第6 期甘肃水利水电技术第5 2 卷 2 边坡稳定性评价 2 1 评价方法和依据 常用的边坡分析方法有定性分析法、定量分析 法、不确定性分析法等。定性分析法主要是借助工 程地质勘察等手段，分析影响边坡稳定性的各种因 素，如地质条件、水文地质条件、新构造运动、地貌、 气候及人类的工程活动等，定性地判断边坡破坏的 可能性及可能破坏的方式等，主要有自然历史分析 法、类比法、图解法等几种。定量分析法常用的主要 有极限平衡法和有限元法，其中极限平衡法常用的 有瑞典条分法、简化B i s h o p 法、J a n b u 普通条分法 等。不确定性分析法常用的主要有模糊综合评价法 和概率统计分析法。 根据边坡类型和可能的破坏形式，边坡稳定性 分析计算可按下列原则确定：土质边坡和较大规 模的碎裂结构岩质边坡宜采用圆弧滑动法计算； 对可能产生平面滑动的边坡宜采用平面滑动法计 算；对可能产生折线滑动的边坡宜采用折线滑动 法计算；对结构复杂的岩质边坡，可配合采用赤平 极射投影法和实体比例投影法分析。 依据工程区岩土及其组合特性，采用定性分析 和定量分析两种方法对黄土一泥岩二元结构边坡 进行评价。因黄土与泥岩接触面土体呈饱和软塑状 态，岩土结合面为软弱面，推测滑面为岩土交界面。 综合考虑各种评价方法的适用性，运用莫尔强度理 论和土体斜坡运动力学理论，采用极限平衡法和剩 余推力法进行滑坡稳定性分析和剩余推力计算。 2 2 稳定性评价 定性分析可知，斜坡前缘因施工开挖产生临空 面，上部土体失去阻挡支撑，在重力作用下上部土体 易沿饱和土体( 岩土交界软弱面) 向下滑动，当前裂 缝有扩张趋势，在暴雨、地震等不利工况下可能造成 斜坡失稳破坏。 现场地质调绘及勘查表明，斜坡形态比较复杂， 因此选择A A 和B 胡两个断面进行定量分析计算， 在每一断面上选取两个滑面进行分析( 分别是岩土交 界面与裂缝可能形成的贯通面A _ 4 1 、B 胡t 一1 ，裂缝 后缘由于牵引拉裂作用而可能形成的岩土交界面 一黄土贯通面A - A 一2 、B B 一2 ) 。图1 、2 分别为A - A 断面不同滑动面的两个计算断面图，图3 所示为 日书断面岩土交界面与裂缝贯通面的计算断面图， 示出了各计算断面的形态、滑动面及计算条块分割图。 边坡稳定陛计算采用极限平衡法，滑坡推力按传 递系数法计算，滑坡推力的极限平衡按式( 1 ) 计算： E l = K , W ：s i na f + 哆一l E H W l c o s0 t a n 咖i - c i L 。 ( 1 ) 够一l = c o s 池一广理i ) - s i n 她一l a i ) ( 2 ) 式中：E 、E 第i 、i 一1 计算条块滑体的剩余下滑 力( k N ) ； 够。第i l 计算条块剩余下滑力推向第i 计算条块的传递系数； 仅i 、d H 第i 一1 、第i 计算条块的底面倾角 ( o) ； 形广一第i 计算条块所受的重力( k N ) ； L 广一第i 计算条块的滑动面长度( m ) ； 西l 、c l _ 一第i 计算条块滑带土的内摩擦角( o ) 和黏聚力( k P a ) 。 依据地区工程经验，泥岩上部饱和黄土黏聚力 一般为1 5 1 8k P a ，内摩擦角一般为1 2 。一2 0 。本 8 01 6 01 4 01 2 0 1 0 0 平距m 8 06 04 0 图1A - A 一1 计算断面及条块分割示意图 2 0 6 0 20 5 0 20 4 0 20 3 0 虱 20 2 0 甜 20 1 0 2 ( ) 0 0 l9 9 0 19 8 0 万方数据 第6 期 戴咸洁，等：某公路黄土一泥岩边坡稳定性评价与破坏机理研究第5 2 卷 1 2 01 0 08 06 0 平距n 1 图2A “一2 计算断面及条块分割示意图 平脚，1 1 1 图3 曰柏一1 计算断面及条块分割示意图 次多组试验测试黏聚力为1 6 8k P a ，故计算中取 c = 1 6 5k P a ，利用极限平衡法反算土体内摩擦角。计 算中滑动体重度为1 6 8k N m 3 ，饱和重度1 8 7 k N m 3 ，考虑地震烈度为8 度，地震力计算综合系数 为o 2 5 ，地震重要性系数为1 0 ，计算滑动带剪出位 置为饱和黄土与泥岩的接触带。经不同内摩擦角条 件下各滑面稳定性的反复验算论证，可知A 以一2 断面为最不稳定面。由于当前边坡处于极限平衡状 态，故以最不稳定面A A 一2 滑面建立极限平衡方 程，令稳定系数K 。= 1 ，最后一块计算条块的剩余下 滑力E = 0 ，根据上述原则建立方程，即式( 3 ) ： 1 2 W 。s i nd 。+ 叱一1 E ，卜l W ，C O Sa 。t a n 也一c ，上。= 0( 3 ) 根据极限平衡反算结果，得到岩土交界面土体 内摩擦角6 = 1 6 0 ，黏聚力c = 1 6 5k P a 。以反算土体 2 0 6 0 20 5 0 2 0 4 0 2 0 3 0 斟 20 2 0 黼 20 1 0 20 ( ) o l9 9 0 20 5 0 20 4 0 20 3 0 2 0 2 0 斟 谶 20 1 0 20 0 0 l9 9 0 l9 8 0 内摩擦角作为裂缝下部饱和土体计算参数，裂缝上 部非饱和黄土内摩擦角取2 4 7 。( 测试平平均值) ， 取工程滑坡推力安全系数K 。= 1 2 ，采用式( 1 ) 计算各 断面剩余下滑力，计算参数及结果见表1 。 表1 不同断面边坡稳定性评价 从表l 中可以看出，计算的4 条滑面中有3 条 滑面剩余下滑力大于o ，边坡处于不稳定状态。综合 万方数据 2 0 1 6 年第6 期甘肃水利水电技术 第5 2 卷 分析可知，此黄土一泥岩边坡处于不稳定状态，需 采取下部支挡、上部卸载等方案的处治，同时应在斜 坡地表裂缝以上设截水沟，防止坡面降水人渗，保护 上部土体不受影响，避免上部土体发生滑塌。 3 黄土一泥岩边坡失稳机理 边坡失稳机理是边坡孕育、发展直至破坏致灾 的全过程，是边坡失稳预防和处治的基础，不同岩 性、不同类型的边坡有着不同的失稳机理。边坡失稳 受内因( 内在因素) 和外因( 诱发因素) 两个条件控 制，有利于斜坡破坏的内因决定着其潜在的不稳定 性，外因又将促进这种不稳定性的不断恶化，最终导 致边坡失稳破坏。内因包括地形地貌、地层岩性、地 质结构构造、地下水分布、植被作用，外因包括水的 作用、地震作用和人为作用。 黄土一泥岩二元结构坡体存在岩土接触面，一 般岩土接触面都为相对软弱面。黄土由于垂直节理 和大孔隙发育，水在垂向迁移的速度远远大于其它 土类，大气降水通过黄土层能够迅速迁移至岩土交 界面上，同时本边坡地表有延伸至泥岩顶面的贯通 裂隙，水分更易汇集渗入岩土交界面。当水分进入 岩土交界面后，由于泥岩相对隔水，水分会在岩土接 触面上积聚，使含水量较土体中含水量高，逐步形成 贯通性的软弱面。同时，降水人渗使上部黄土的重 度和动水压力增大，加之受坡体开挖影响，接触面在 坡体出露，坡体会在自重作用下沿强度弱化的顺倾 接触面产生整体滑移式破坏，多以滑移一压致一拉 裂破坏。 综合分析可知，黄土一泥岩边坡失稳机理为受 地形地貌、地层岩性等内在因素控制，人工开挖和降 水入渗等外在因素进一步诱发其失稳破坏，内因决 定着黄土一泥岩边坡潜在的不稳定性，外因又将促 进这种不稳定性的不断恶化。 4 结论 通过极限平衡法反算了黄土一泥岩二元结构 边坡软弱面的抗剪强度参数，采用推力按传递系