ABSTRACT

On the basis of full investigation on the engineering geological conditions of Yuanyang road BanBian-bridge, this article adopted the numerical analysis method of slope deformation and failure characteristics, to analyze the original condition, the deformation during excavation and the fracture characteristics of the slope, research the failure characteristics of slope deformation, put forward the slope excavation slope ratio and the protective measures, and acquire the position and scope as well as the development process of slope deformation and rupture zone, provide the geological basis for the design management.

Keywords:Fault, Crushed Zone, Deformation and Failure Character, Numerical Simulation Analysis, Strain

鸳鸯路半边桥边坡稳定性研究

梁宇¹，苏培东²，涂小飞¹，陈浩栋²

¹国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都

²西南石油大学地科院，四川 新都

收稿日期：2017年6月10日；录用日期：2017年6月26日；发布日期：2017年6月29日

摘 要

在充分调查鸳鸯路半边桥段的工程地质条件的基础上，通过边坡变形及破裂特征数值分析方法，对边坡原始情况以及在开挖过程中的变形及破裂特征进行分析，研究边坡变形破坏特征，得到边坡变形及破裂区位置和范围及其发展过程，提出了边坡开挖坡比和防护措施建议，为设计治理提供地质依据。

关键词 :断层，破碎带，变形破坏特征，数值模拟分析，应变

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1. 引言

在西南山区大部分为深山峡谷区，地质条件复杂，山坡陡立，自然斜坡一般接近其临界坡度，稳定性较差。加之人类活动的规模越来越大，设计施工方法不当，高边坡开挖后发生变形和造成灾害的事故频繁发生 [1] 。

近年来研究边坡稳定性方法层出不穷，岩质边坡稳定性分析研究 [2] 始于本世纪六十年代，八十年代数值模拟技术被广泛应用于边坡稳定性研究，边坡稳定性的分析研究 [3] 也开始采用数值模拟 [4] 手段定量或半定量地再现边坡变形破坏过程和内部机制作用过程，从岩石力学和数学计算的角度认识边坡变形机制 [5] ，认识边坡稳定性的发展变化。近年来现代科学理论方法被广泛的引入边坡稳定性研究中，大大提高了边坡稳定性研究的精准性。

半边桥边坡即因为路基占地需求，需要一半开挖原有边坡，一半堆填材料，以保证公路的设计施工。在对半填半挖式边坡稳定性的研究方面，国内外许多学者也做了很多研究分析。有对填挖交接面稳定性的分析研究，例如周娟等 [6] 采用SARMA及JANBU法研究了填方岩土体沿填挖交接面整体下滑的稳定性问题，并得到其主要因素是地形坡度和填土内摩擦角。还有水因素对半填半挖式路基边坡稳定性影响的研究，例如马从胜 [7] 采用定量计算的方法研究了水位变化速度和路基填料渗透系数对山区沿河半填半挖式路基边坡稳定性的影响；刘永贵 [8] 运用SEEP/W软件研究了降雨引起的半填半挖路基的差异沉降和水分场变化对其稳定性的影响。也有对半填半挖式路基的沉降变形进行研究分析的，例如高成雷等 [9] 采用以ABAQUS为工具建立的半填半挖路基沉降计算模型，得出沉降曲线为“勺”形或“S”形，最后并提出了半填半挖路基沉降控制指标。

西南某景区内鸳鸯路半边桥段原路基为半挖半填形成，公路外侧路基由填方形成，公路内侧路基为基岩。由于外侧填方基座坡度较陡，挡土墙置于崩坡积层上，雨季饱水造成其持续沉降变形下滑，影响交通，经多次填筑处治但仍然持续下滑，严重影响该旅游道路的通畅。

为了彻底根除该段路基病害及线形等级较差的问题，本文在充分调查西南某景区公路路基及两侧边坡地质条件的基础上，通过边坡变形及破裂特征数值分析方法，对边坡原始情况以及在拟定开挖比情况下的变形及破裂特征进行对比分析，研究边坡变形破坏特征。这种对比分析既可以找到原始情况下边坡不稳定的因素所在，又可以更加详细查明所在位置地质条件，还可以明确稳定有利的地质环境。为将来此区域内的设计治理提供宝贵的地质依据 [10] 。

2. 研究区基本地质条件

研究区为某景区内公路半边桥路基及两侧边坡，原路基为半挖半填形成，公路外侧路基由填方形成，公路内侧边坡为基岩。研究区内沟谷发育，呈“V”型和“U”型，谷宽20 m~80 m。公路下方斜坡坡度约20˚~40˚，接近沟谷变陡，坡度约50˚，公路上方斜坡坡度为30˚~50˚。

研究区覆盖层主要有第四系人工堆填块碎石土、崩坡积碎石土和洪积碎石土，基岩主要为三叠系嘉陵江组角砾状泥质灰岩、碎裂状泥灰岩及块裂状灰岩(见图1)。根据研究区地层分布、岩性特征、结构和风化等因素，与边坡工程有关的工程岩土类型有块碎石土、块裂状泥质灰岩、块裂至碎裂状泥质灰岩、碎裂状泥质灰岩和断层泥。各工程岩土的基本特性简述如下。

1) 块碎石土：包括研究区的表层崩积、坡积和洪积而成的含块石的碎石土，分布于边坡上部自然斜坡上和山脊右侧支沟内，其中块石约占20%，碎石约占30%，其余为角砾和细颗粒物质，干燥状态，松散。该类土体是研究区工程性质相对较差的工程土类。

2) 块裂状泥质灰岩：主要分布于山脊前缘公路内侧边坡，坚硬，层面不发育，发育三组主要节理裂隙，裂隙间距2 m~5 m，岩体结构呈块裂状，岩体整体工程性质主要取决于结构面及其松弛状态。该类岩土是研究区工程性质相对较好的工程岩类。

3) 块裂至碎裂状泥质灰岩：该类岩土主要分布于山脊右侧的自然斜坡范围，较坚硬，层面发育，发育三组以上节理裂隙，裂隙间距1 m~3 m，岩体结构呈块裂状及碎裂状，岩体整体工程性质主要取决于层面及结构面密度和岩块力学性质。该类岩土是研究区工程性质较差的工程岩类。

4) 碎裂状泥质灰岩：主要分布于断层影响带，较坚硬，层面发育，发育四组以上节理裂隙，裂隙间距0.02 m~0.1 m，岩体结构呈碎裂状，岩体整体工程性质主要取决于层面及结构面密度和岩石碎块力学性质。该类岩土是研究区工程性质差的工程岩类。

5) 断层泥：主要指研究区内断层带的断层泥，分布于边坡上部断层带，其岩性极软弱，严重风化，开挖边坡范围内整体为全风化，局部为强风化，断层面附近已泥化成灰黄色、黑色可塑至硬塑状有机质粘土。该类岩土是研究区工程性质极差的工程土类。

研究区及其附近褶皱、断层发育，其地质构造极其复杂。受区域性强烈构造作用，岩层变形强烈，产状变化较大，其中泥灰岩地层中贯通性良好的节理裂隙发育，揉皱变形和微小节理裂隙发育。研究区及附近发育有F1、F2、F3断层和P1破碎带，其中对工程影响较大的仅F2断层(见图2)。F₂断层为研究区及附近发育的断层，研究区附近调查测得其产状为EW/N∠76˚，断层走向与开挖边坡走向夹角约90˚，倾向坡内，以逆冲为主，兼走滑性质，该断层对边坡变形和稳定性将起到控制作用。现场调查中测量了约20条节理(包括层面)，通过统计得到的倾向分布特征和优势节理面组分别见图3和图4。优势结构面组主要有4组：① N18˚E/NW∠59˚，该组结构面平直，粗糙，延伸长度大于5 m~10 m，间距5 m左右；② EW/N∠52˚，该组结构面波状，粗糙，延伸长度大于5 m，间距2 m左右；③ N62˚W/SW∠51˚，该组结构面延伸5 m~8 m，波状，粗糙，间距4 m~6 m；④ N59˚E/SE∠68˚，该组结构面延伸大于5 m，较直，粗糙，间距3 m~5 m。南段边坡走向约N57˚W，中段边坡走向约N33˚W，北段边坡走向约N5˚W。因结构面组合切割与坡面形成的块体可能破坏滑动，其余密集的短小节里面切割构成的小块岩体也会坍塌。

研究区地下水按其赋存特征及水理性质分为基岩裂隙水和松散覆盖层孔隙水两类。覆盖层内赋存孔隙水，下伏岩体赋存基岩风化卸荷带裂隙水。

根据各类岩土体岩性及结构等特征，利用综合工程类比分析确定的饱和条件下岩体强风化、弱风化和微风化等状态下的边坡岩体饱和物理力学参数建议值见表1。

3. 边坡整体稳定性的数值模拟分析

根据初步论证决定通过对该路段内侧岩质边坡进行开挖后将线路向内靠8 m，为了设计技术可靠、经济合理的坡比，对边坡现状条件下的稳定性和线路内靠8 m道路之上拟开挖坡为1:0.5进行数值模拟

图1. 研究区工程地质平面图

分析。

3.1. 现状边坡变形破裂特征

1) 计算模型

由于边坡为线形构筑物，因此采用平面问题计算，模型模拟高度范围100 m，水平宽度为120 m。所建计算几何模型见图5。模拟边界条件为模型底边界和左、右边界均采用固定位移边界条件，荷载主要考虑计算范围内的岩体自重力。岩土介质类型三种，路基填筑物和路基下方覆盖层即崩坡积含块石碎石土，基岩为泥质灰岩，断层及破碎带，各层的物理力学参数取值见表1。

2) 计算结果

a) 边坡变形位移分布特征

边坡变形总位移场特征见图6。显然，变形区域主要为路基下部覆盖层土体，其余位置变形相对较

图2. 研究区典型剖面图

图3. 节理走向统计图

小。最大总位移达到2.5 m，说明此区域每年都会发生变形，处于前稳定状态，与现场调查结果吻合。

b) 边坡应力分布特征

图4. 优势节理图(上半球)

表1. 边坡岩体饱和物理力学参数建议值表

图5. 边坡数值计算模型

边坡应力分布特征见图7~图9。图示表明：边坡最大主应力均为压应力，最大压应力出现在埋深较大的底边界附近，最大值约为2.7 MPa，边坡表部最大主应力值为19~30 kPa，断层的存在使边坡最大主应力发生变化，断层带内最大主应力减小。中间主应力既有压应力，也有拉应力，其中压应力出现在底边界附近，其最大值为0.39 MPa左右，拉应力出现在边坡顶缘附近，最大拉应力值为9 kPa左右，断层也使中间主应力分布产生变化，即断层带内的中间主应力减小。最小主应力也既有压应力，也有拉应力，其中压应力最大值也出现在底边界附近，其最大值约0.38 MPa，拉应力也出现在边坡顶缘附近，最大拉应力值约40 kPa。断层也使最小主应力分布产生变化，断层带内的最小主应力减小，但与最大和中间主应力相比，减小量相对较小。

c) 边坡破裂特征

边坡破裂区范围分布特征见图10。从图可知：路基下部覆盖层均出现剪切破裂，在滑面位置还发生拉伸破裂，在断层附近有些区域也发生了剪切破坏。屈服单元连通形成了滑动面，目前稳定系数为1.01，处于极限平衡状态。

3.2. 拟开挖坡比1:0.5边坡变形破裂特征

1) 计算模型

线路内靠8 m边坡按1:0.5坡比放坡，计算几何模型、范围、边界条件的处理方法与天然情况下模型相同。为了模拟开挖引起的边坡破裂特征，对路基下方的覆盖层参数加强，其余岩土体参数跟原始情况

图6. 边坡开挖后总位移分布图

图7. 边坡最大主应力分布图

图8. 边坡中间主应力分布图

图9. 边坡最小主应力分布图

图10. 边坡破裂范围分布图

下模型相同，所建计算模型见图11。

2) 计算结果

a) 边坡变形位移分布特征

边坡变形总位移场特征见图12。总体来说，边坡开挖对坡体影响不大，最大位移为8.7 cm，主要为开挖卸荷引起边坡变形，边坡顶部位移为4 cm，边坡没有产生滑动。

b) 边坡应力分布特征

边坡应力分布特征见图13~图15。图示表明：边坡最大主应力均为压应力，最大压应力出现在埋深较大的底边界附近，最大值为2.9 MPa左右，边坡表部最大主应力值为13~30 kPa，断层的存在使边坡最大主应力发生变化，使断层带内最大主应力减小。中间主应力既有压应力，也有拉应力，其中压应力出现在底边界附近，其最大值为1.1 MPa左右，拉应力出现在边坡顶缘附近，最大拉应力值为39 kPa左右，断层也使中间主应力分布产生变化，即断层带内的中间主应力减小。最小主应力也既有压应力，也有拉应力，其中压应力最大值也出现在底边界附近，其最大值为1.1 MPa左右，拉应力也出现在边坡顶缘附近，最大拉应力值为135 kPa左右。断层也使最小主应力分布产生变化，断层带内的最小主应力减小，但与最大和中间主应力相比，减小量相对较小。

图11. 边坡数值计算模型

图12. 边坡开挖后总位移分布图

图13. 边坡最大主应力分布图

图14. 边坡最大主应力分布图

图15. 边坡最小主应力分布图

c) 边坡破裂特征

边坡破裂区范围分布特征见图16。从图可知：由于路基下方土体人为加强了，所以没有产生破坏，经过强度折减，边坡产生的破坏模式为沿开挖坡脚处滑动，稳定系数为2.11，处于稳定状态。

4. 边坡稳定性分析

1) 道路下部边坡稳定性计算

边坡覆盖层为块碎石土，依据规范 [11] [12] [13] [14] 边坡稳定性计算采用似圆弧状潜在滑动面模型较为合理。稳定性系数的计算采用传递系数法。

计算工况为① 一般工况；② 暴雨工况，其中暴雨情况考虑潜在滑体饱水垂直厚度的四分之三；③地震工况，其中地震设防水平峰值加速度为0.10 g，没有考虑垂直地震加速度的影响。

根据计算模型、参数和工况利用传递系数法计算所得的结果见表2。

按照稳定性系数大于1.25为稳定，稳定性系数介于1.15至1.25为基本稳定，稳定性系数介于1.05至1.15为欠稳定，稳定性系数介于1.00至1.05为极限状态，小于1.00为不稳定的标准，则路基下部边坡在天然条件下处于极限状态；暴雨或地震条件下为不稳定。所以，该路基斜坡在雨季饱水时常常出现滑动。

图16. 边坡破裂范围分布图

表2. 路基下部边坡稳定性系数

2) 道路上边坡开挖稳定性分析

道路上边坡节理面与拟开挖坡面的关系及局部块体特征分析如下：

根据极射赤平投影(图17~图19)可知，坡比为1:0.5时上段边坡潜在不稳定块体情况如下：

a) 南段边坡局部主要由第1和第4优势结构面与拟开挖坡面构成的块体，成为边坡几何可滑动块体。

b) 中段和北段边坡局部主要由第1和第3优势结构面与拟开挖坡面构成的块体，成为边坡几何可滑动块体。

c) 块体体积估计多在0.2 m³~1.5 m³之间，中段个别体积可能达到3 m³~7.0 m³。

5. 边坡稳定性评价

该公路路基为半挖半填路基，外侧路基由填土和崩坡积碎石土组成，边坡坡度20˚~40˚，靠近坡脚坡度变陡达到50˚，挡土墙置于崩坡积层上，在连续强降雨或地震条件下，边坡出现了变形滑动，通过数值模拟，路基下侧覆盖层土体最大总位移量可达到2.5 m，稳定性计算结果表明暴雨和地震工况下不稳定，现场调查该路基斜坡在雨季饱水时常常出现滑动，鉴于边坡高陡，基覆界面坡度较大，采取防护措施工程难度大，因此建议将公路向山内靠。

公路内侧边坡为岩质边坡，根据岩质边坡失稳情况统计分析，边坡的破坏特征一般如下：1) 由密度小延伸大的陡缓结构面(特别是泥质充填或风化泥化的结构面)切割的块状坚硬岩质边坡的破坏，往往是沿着陡缓结构弱面连通的折线形潜在滑面产生似平面滑动或空间块体滑动；2) 由密度大延伸小的密集多组结构弱面(特别是卸荷张开型结构面)切割的碎裂状或碎块状较为坚硬的岩质边坡的破坏，往往是沿着近似平面或圆弧面的潜在滑面产生平面滑动，空间似弧形面滑动；3) 由密度大延伸小的密集结构弱面切割的碎裂状较坚硬或风化严重的岩质边坡的破坏，往往是沿着似圆弧状潜在滑面产生平面滑动或空间滑动。该路基上部边坡岩体结构为块裂状结构，由密度大延伸小的密集结构弱面切割的硬质岩体，局部为密度小延伸大的层面切割的块状硬质岩体，符合上述第1)和第3)种情况，因此边坡稳定性计算采用空间块体滑动模型较为合理。

该边坡岩体主要为块状的灰岩，层面不发育，为硬性层面，并且为反倾边坡(北段)或斜向边坡(中段

图17. 南段改造段坡面与控制节理面关系

图18. 中段改造段坡面与控制节理面关系

和南段)。边坡附近发育三条断层，其中F₁断层位于南段边坡中部，倾坡内，可见长度约30 m，块度0.3 m~0.5 m，局部块度1 m~1.5 m，对边坡整体稳定影响较小，只是对边坡的变形有一定的影响；F₂断层陡倾坡内，距离现有拟开挖边坡段约25 m~35 m，宽度2 m~5 m，根据拟开挖的范围该断层对新开挖的边坡整体稳定性影响较小，也只是对边坡的变形有一定影响；F₃断层远距离拟开挖边坡，距离50 m左右，与

图19. 北段改造段坡面与控制节理面关系

道路整体走向夹角40˚~60˚，陡倾坡内拟开挖边坡没有影响。因此，除节理面对拟开挖边坡局部块体稳定性有影响可能导致小规模块体失稳外，边坡整体是稳定的。

较坚硬块状岩质边坡或坚硬岩质边坡整体是否稳定主要受软弱结构面控制。根据现场调查和数值模拟分析，公路上侧边坡整体是稳定的，没有出现较大规模的崩塌和滑坡，南段碎块裂状岩体边坡段出现少量风化、卸荷剥落掉块现象；中段块状灰岩存在较大块体滑落后留下的凹坑但大多数很陈旧；北段因F₂断层影响采用了挡土墙支护。按照1:0.5拟开挖坡比放坡后，该道路开挖路基边坡高度在2 m~15 m，断层带及碎裂状或碎块状岩体段坡度在40˚~55˚ (断层带有挡土墙支挡)，块状岩体段在60˚~75˚。开挖边坡段为较坚硬的灰岩夹少数泥灰岩，层面不发育，层间软弱层面不发育，几乎所有结构面都粗糙，无软弱物质填充，延伸长度多在3 m~5 m，除边坡表层2 m~5 m范围内结构面因卸荷松弛或张开外，内部结构面都处于闭合状态，并且无倾向坡外的贯通性结构面，该边坡整体是稳定的。根据数值模拟分析边坡破坏模式为沿开挖坡脚处剪出，稳定系数为2.11，处于稳定状态。极射赤平投影分析结果，仅短小较为发育的结构面会造成边坡局部滑塌，中段局部不稳定块体略大，可采用1:0.25坡比进行设计，并对局部不稳定块体进行防护或清理。

6. 结论与建议

1) 因路基下边坡坡度陡，基覆界面坡度较大，路基沿基覆界面产生的变形滑动，现状路基下边坡处于欠稳定状态，将公路向内改道是必要的。

2) 因边坡岩性、岩体结构和断层分布对边坡整体稳定性较为有利，因此路基上边坡采用1:0.5坡比的边坡其整体能保持稳定。

3) 因节理等构造软弱结构面的切割，采用1:0.5坡比的边坡有不稳定块体。

北段边坡为碎裂状岩体或碎石土，可采用1:0.5坡比进行设计，并用挡土墙进行支挡。

中段边坡开挖后因结构弱面切割，会形成局部较大不稳定块体，可采用1:0.25坡比进行设计，并对局部块体进行适当锚固或清理。

南段边坡岩体以碎块状为主，可采用1:0.5坡比进行设计，并对局部小块体进行适当挡护或清理。

文章引用

梁宇,苏培东,涂小飞,陈浩栋. 鸳鸯路半边桥边坡稳定性研究
Study on the Slope Stability for Yuanyang Road BanBian-Bridge[J]. 地球科学前沿, 2017, 07(03): 448-461. http://dx.doi.org/10.12677/AG.2017.73048

参考文献 (References)