关于岩质边坡计算中的参数选用探讨
时间：2023-04-08 13:25:05 来源：千叶帆 本文已影响人
阮铁锋
（中国联合工程有限公司，浙江 杭州 310052）
路基边坡设计是路基设计中的重点工作，山体开挖边坡防护更是边坡设计中较为棘手的内容之一，很多工程设计师会发现一个问题：有些设计的边坡与山体原来的自然坡度相同或比较接近，为何计算的时候却发现稳定系数会不满足呢？本文从这个问题出发，主要针对挖方边坡设计中的整体滑移稳定——圆弧形滑移的参数取值角度来进行探讨。讨论的边坡为山体挖方边坡，山体由同一类岩组成，岩层分层连续、清晰，地质灾害等特殊情况不作探讨。
目前市政、建筑行业内关于边坡设计可以参照的规范，主要是两本，一是《公路路基设计规范》（JTG D30—2015），二是《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2013）。对于圆弧滑动的计算，两本规范都对适用范围进行了明确。
《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）3.7.5 条：规模较大的破裂结构岩质边坡和土质边坡宜采用简化Bishop 法计算，备注中还将强风化岩和极软岩可划入破裂岩；
《建筑边坡工程技术规范》（GB5 0330—2013）5.2.3 条：计算土质边坡、极软岩边坡、破碎或极破碎岩质边坡的稳定性时，可采用圆弧形滑面。两本规范均从岩石的坚硬程度、风化程度和完整程度三方面对适用范围进行了归纳，相比较而言，路基规范相对涵盖的范围要广一些，将所有强风化岩都列进了，道路设计工程师们在实际工作中，也往往会按此规范执行，将强风化层纳入圆弧滑动计算的范围。
根据岩体分级标准规定，岩石分定性和定量两个层面，从坚硬、风化、完整程度三个方面来进行分类。平时设计中接触到的地质勘察报告，多从定性层面、风化程度来阐述，因为岩石坚硬和完整性，更多依赖于专业的检测设备或室内的实验数据，而风化程度判定，可以在现场通过颜色、锤击、物理力学特征、结构破碎情况等来确定。日常地勘报告中对于岩层风化程度的判定，大都是定性的。当然，也有相对精准的定量判定，规范对岩石风化程度定量划分见表1。
表1 岩石风化程度定量划分表
由表1 可知，各类风化层的定义是有区间的，层与层之间其实是连续的，而同一类型的岩层其性能也可能差异极大。地勘报告所揭示的全风化岩层、强风化岩层，其实应该是介于相邻两层之间的连续层，而非单一均质层。
综上，对于一些地质情况相对简单的自然山体，全风化、强风化、中风化自上而下规律性分布，如果不加分析直接采用地勘报告的岩石参数，就会人为地制造出性质迥异的岩层交界面，出现岩层参数的跳跃式变化，如图1 所示，图中岩层采用了某山体开挖项目凝灰岩的相关参数。
图1 岩层C 值分布图（纵轴为C值，横轴为埋深）
图1 中岩层的黏聚力c 如此设置显然不合理，更是不严谨，特别是埋深较大的强风化层与中风化层之间。按此参数进行边坡稳定性计算，会导致结果偏安全，这也是很多边坡开挖之后，会长期稳定不变，但是根据计算却可能出现稳定性不足的缘故。
除却地质变化复杂的山体，单一岩性的山体内部岩层实际分布情况，因为风化影响受深度会逐渐减少，岩层变化必然是连续的，各层参数的变化必然也是连续的。因此岩层参数的选用，要在分析地勘资料后，进行适当修正，建议修正如下：
（1）全风化岩层一般厚度不大，可按照均质土计算；
（2）强风化岩层，层顶参数取强风化层的地勘参数，层底参数取中风化岩层参数，层间参数连续分布，内插计算。每个分层的取值选取该层的最小值。图1 所示的参数分布结果就是每层不分层的情况。
某山体边坡开挖，边坡高度为18 m，自然山体坡率约为1∶1。经勘察资料显示，山体自上而下分3层，1 层为全风化凝灰岩，褐黄色，黄灰色等，岩芯呈土状或砂土状，中密或者可塑至硬可塑，矿物成份全部变化，结构、构造不清晰，局部分布，厚度约3.0 m。2 层为强风化凝灰岩，褐黄色，黄灰色等，矿物成份大部已变化，结构、构造不甚清晰，裂隙发育，岩芯呈碎块状或短柱状，可折断，锤击易碎，锤击声闷，分布广泛，厚度约11.0 m。3 层中风化凝灰岩：青灰色，深灰色，灰黑色等，矿物成份基本未变化，凝灰质结构，致密块状构造，裂隙较发育，岩芯呈碎块状、短柱状，裂隙面上见风化次生矿物，锤击声脆，重击成块状，岩石单轴极限抗压强度9.3～121.3 MPa，全场分布，揭露最大厚度6.0 m，未揭穿。各岩层详细参数见表2。
表2 地勘岩层参数表
设计边坡挖作台阶状，参考《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）相关规定，按照6 m 分台，共分3台，最底下一级边坡开挖坡度为1∶0.75，上面两级都设置为为1∶1，每台马道宽2 m，为便于计算，岩层假设都水平走向。根据《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）与《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2013）规定，此边坡全风化、强风化凝灰岩岩石结构基本破碎，整体滑移稳定计算采用简化Bishop法，中风化岩层构造相对完整，也采用简化Bishop 法。
计算分三种模式进行比较，模式一按照惯用的整层计算，模式二将强风化层分成2层，模式三将强风化层分为3 层。各自计算后的滑移面如图2所示。
图2 滑移面计算示意图
图2（a）为不分层计算的滑移面，安全系数为1.25，滑弧面穿透整个强风化层；
图2（b）为强风化层分2层计算后的滑移面，安全系数1.72，可见滑移面明显减小，安全系数也提高；
图2（c）为强风化层分3 层计算后的滑移面，安全系数1.66，可见滑移面进一步减小，安全系数也满足要求。
路堑边坡在道路设计中极为常见，设计中除遇到特殊情况，如倾向与边坡基本一致、倾角小与边坡角，或者有岩层破碎带这样的情况，需要在设计中额外进行加强之外，其他岩质边坡的支护设计，往往会因为参数不加分析地选用而偏于保守。特别是针对强风化层参数的选用，该层上部一般有足够埋深，下部连接中风化层，岩性上下之间相差会特别大，因此，在设计中有必须要进行适当优化。并提出如下建议：
（1）在边坡勘察阶段，要求勘察单位加强对强风化岩层的勘探工作，最好在勘察报告中对强风化层进行细化分层并提供不同参数；
（2）采用动态设计方式，施工阶段根据坡面开挖情况，实地勘察后进行适当修正，以节约工程造价。
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