类土质路堑边坡变形破坏类型及其稳定性分析

分类号 P 642.22
文献标识码 A
文章编号 1000-6915(2003)增 2-2765-08
FAILURE MECHANISM AND STABILITY ANALYSIS OF CUTTING SOIL SLOPES
Liao Xiaoping
(Northwest Research Institute China Railway Engineering Corporation Lanzhou 730000 China)
对于类土质路堑边坡工程的坡形坡率设计及相 关防护加固工程 在有关经验和技术规范规定中有 一定原则性建议和要求 由于问题的复杂性和多样
2003 年 2 月 25 日收到初稿 2003 年 6 月 1 日收到修改稿 作者 廖小平 简介 男 1965 年生 1989 年获铁道部科学研究院岩土工程专业硕士学位 研究与工程实践 E-mail xiaoping. Liao@126. com
现任中铁西北科学研究院研究员
主要从事边坡工程理论
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岩石力学与工程学报
2003 年
性 大多较为粗略和定性 存在针对性不强和缺乏 足够定量和细化 难于控制和把握 并且 在有关 加固工程设计计算理论和方法上有待进一步完善和 提高
有关边坡坡形坡率设计及其防护加固工程措施 的选择 是在其地形地质基础和相关环境背景条件 的基础上 进行客观科学的边坡变形破坏机制研究 和稳定性分析计算而综合确定的 因此 类土质路 堑边坡变形破坏机制及其稳定性分析计算的研究 在当前山区高速公路蓬勃发展的需求之下 具有重 要的现实意义和实用价值
1前言
在土木工程生产实践活动中 随着铁路 公路 等道路工程的建设和发展 涉及了大量的边坡工程 技术课题 一些专家 学者和广大工程技术人员 积极应用有关工程地质学 岩体力学 岩土工程学 和土力学等学科的知识和成果 积累了丰富的边 坡工程经验 在理论和实践两方面都取得了长足 的进步和发展[1 5] 同时也遭遇了不少边坡工程失 败和损失 特别是 近年来 随着高速公路建设向 山区延伸和发展 由于其技术等级较高 且我国山 区地形条件困难 地质结构复杂 地质环境条件脆
根据类土质路堑边坡的物质组成 成因机制和 坡体结构特征 又可细分为坡残积土边坡 风化土 边坡 崩滑流堆积物边坡和复杂结构边坡
3 工程地质模式
根据各种不同类型的类土质路堑边坡的坡体地 层组成和结构特征 经过总结归纳和抽象 可以建 立不同的边坡工程地质模式 以便有针对性地进行 稳定性分析与计算 提高其工程问题分析的准确性 和可靠性 3.1 坡残积土边坡
原地面线
风化壳
边坡刷方线
基岩
图 4 风化土边坡工程地质模式(a) Fig.4 Engineering geology model of weathered soil slope(a)
原地面线
坡积层
边坡刷方线
残积层 基岩
图 2 坡残积土边坡工程地质模式(b) Fig.2 Engineering geology model of wash-residual soil
原地面线
坡积层
边坡பைடு நூலகம்方线
残积层
图 1 坡残积土边坡工程地质模式(a) Fig.1 Engineering geology model of wash-residual soil
slope (a)
(2) 边坡坡面揭露地层为坡残积层 其下为基 岩(边坡刷方线以下) 组成坡体的坡残积土层常常 发生沿基岩顶面的变形和破坏 在这种情况下 基 岩顶面产状一般顺倾坡面 倾角为 20 25 亦由 于基岩顶面相对隔水 容易造成地下水的汇集 从 而浸泡和软化接触带附近岩土 降低岩土强度指标 并急剧增加孔隙水压力及各种动静水压作用和破 坏 在边坡开挖切削坡脚支撑的情况下 经常产生 上覆坡残积土层沿其下伏基岩顶面的滑动变形和破 坏(图 2)
摘要 主要介绍福建地区道路边坡工程 特别是山区高速公路建设 以服务于边坡工程勘查设计与施工及其运营
养护为目的 客观实用地厘清边坡工程分类 针对类土质路堑边坡进行工程地质模式研究和归纳 分析相应变形
破坏机制 提出其边坡稳定性分析计算方法 作为边坡防护加固工程设计原则和依据
关键词 土力学 类土质 边坡工程 破坏机制 稳定性分析
一般地 对于交通道路边坡工程 纯土质边坡 较为少见 大多由坡残积土层 全强风化土层和堆 填土层组成 如上所述 土质边坡可以分为均质土 边坡和类土质边坡两个亚类 均质土边坡常见于填 土路基或路堤 其物质组成相对均匀 土层性质较 为单一 坡体结构比较简单 其边坡稳定性分析计 算理论和方法亦相对完善和可靠 福建省多数路堑 边坡 由于其坡体组成物质的成因性质和结构状态 等的差异和变化 坡体结构条件相对复杂 一般概 称为类土质边坡 或类土质路堑边坡 2.3 类土质路堑边坡
slope (b)
(3) 边坡主体由坡残积土层及下部风化土层组 成 由于坡残积层及风化土层的接触界面相对平缓 沿其接触界面变形和破坏的可能性较小 然而 如 果设计坡率较陡 或者因为持续暴雨作用 在防护 工程不及时的情况下 容易产生局部台阶坍塌变形
(2) 边坡主体由坡残积层及风化土层组成 甚 或局部夹强至中风化岩体 由于地质构造作用和影 响 常见一些强烈风化软弱带 如果其产状倾向坡 面 在边坡开挖切削坡脚支撑并致使其软弱带临空 暴露的情况下 极易产生上覆风化岩土体沿其下伏 基岩顶面产生较大规模的滑动变形和破坏(图 5)
和破坏 甚至有可能在地下水的长期作用和影响下 产生较大规模的滑动变形和破坏(图 3)
原地面线 边坡刷方线
坡积层 残积层 风化基岩
图 3 坡残积土边坡工程地质模式(c) Fig.3 Engineering geology model of wash-residual soil
slope (c)
Abstract The slope engineering in Fujian province China especially the expressway construction in the mountainous area is introduced. The engineering types of slopes are outlined practically for the survey design construction and the uphold of the slope engineering. On the basis of study on the engineering geological models and the relative failure mechanism of similar soil slopes a series of methods to analyze slope stability are proposed and the principle and measure of slope reinforcement design are put forward. Key words soil mechanics similar soil slope engineering failure mechanism stability analysis
坡残积土边坡 即边坡主体由坡残积土层组成 并且 根据其坡积层 残积层及下伏风化岩层的不 同结构组合与特征 主要体现以下三种工程地质模
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第 22 卷 增 2
廖小平. 类土质路堑边坡变形破坏类型及其稳定性分析
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式 (1) 坡体结构由上覆坡积土层和下伏残积土层
所组成 坡体变形和破坏一般体现上覆坡积层沿下 伏残积层的坍滑变形和破坏 这种情况一般其接触 界面倾角为 25 30 由于其接触界面大多相对隔 水 在大气降雨等因素的作用下 比较容易造成接 触带附近地下水的积聚 从而浸泡和软化接解带附 近岩土 降低岩土强度指标 并急剧增加孔隙水压 力及各种动静水压作用和破坏 在边坡开挖切削坡 脚支撑并致使其接触带临空暴露的情况下 极易产 生上覆坡积成因岩土层沿其下伏残积层接触带的 坍滑变形和破坏(图 1)
本文是在客观实用的边坡工程分类的基础上 抽象和归纳类土质路堑边坡工程地质模式 分析和 研究其相关变形破坏机制 并建立体现较强针对性 的边坡稳定性分析计算方法 从而提出经济合理的 边坡坡形坡率设计原则和方法 并研究探讨相应安 全可靠和行之有效的防护加固工程措施或对策
2 边坡工程分类
在岩土工程或工程地质(地质工程)研究领域 所谓 边坡 一般是指自然斜坡 河流水库岸坡 台塬塬边 崩滑流堆积体 以及人工边坡(交通道路 露天采矿和建筑场地与基础工程所形成)等坡体形 态的总称 边坡工程 即是指在边坡场地进行人类 工程活动与建设或改造的一个工程体系 主要包括 其成因机制 稳定性分析 工程状态 活动规律 发展趋势 工程对策和工程可靠与安全的研究
弱 深挖高填十分普遍 边坡工程问题日益突出 福建地区 是我国多山省份之一 俗有 七山
二水一分田 之称 山地灾害较为严重 20 世纪 90 年代后期 积极开展山区高速公路建设 不可避免 地遭遇路堑高边坡工程技术难题 特别是 由于福 建地区一般地层岩体结构破碎 风化深度较大 覆 盖层较厚 且江河沟谷发育 不良地质堆积广为分 布 在切坡筑路过程中 经常遇到边坡变形和破坏 问题 尤以土质路堑边坡或类土质路堑边坡更为严 重
关于边坡工程分类 由上述边坡的定义与内涵 可以从其物质组成 工程场地 研究领域 破坏形
态 结构特征 或各种综合因素等方面进行划分和 界定 2.1 边坡工程类型
根据交通道路边坡工程的基本特点和客观需 要 拟按照边坡的物质组成结合其坡体结构特征进 行分类 据此 边坡工程类型可以划分为土质边坡 岩质边坡 二元结构边坡和复合结构边坡等四个基 本类型 土质边坡是指构成边坡主体为土类物质 根据土类物质的均匀性程度的不同 可分为均质土 边坡和类土质边坡 岩质边坡是指构成边坡主体由 岩体组成 基于岩体风化破碎程度和结构面特征 可以分为岩石边坡 破碎岩石边坡和顺层岩石边坡 二元结构边坡是指组成边坡主体的上覆土层与下伏 岩体基本相当 其工程特性主要体现其上下二元接 触特征 复合结构边坡是指边坡坡体结构组成是由 上述三种基本坡体结构类型复合组成 体现不同结 构类型特点及其相互作用和影响 2.2 土质边坡分类
3.2 风化土边坡 风化土边坡 即边坡主体由全强风化土层或砂
土状强风化层组成 根据其坡体岩土不同风化程度 和结构特征 可以归纳为以下三种工程地质模式
(1) 边坡开挖切削岩层风化壳 一般为全强风 化土层 经常发生风化壳土层依附其下伏相对风化 轻微岩层表面的滑动变形和破坏 这种情况 在花 岗岩地区或凝灰岩地区较为常见 特别是在花岗岩 地区 由于其不均匀风化强烈 球状风化或壳状风 化发育 其风化物的渗水性一般较好 在表水渗透 和淋滤作用下 不均匀风化界面容易形成地下水和 粘性物质的聚集 在特定的形态组合下产生变形和 破坏(图 4)
对于边坡变形破坏机制及其稳定性分析计算的 研究 在国内外都有一个从实践积累到理论归纳和 逐步总结提高的过程 并且 分别从其边坡的力学 基础 地质资料的调查与收集 岩土抗剪强度特性 地下水的作用和影响 变形破坏机理模式 以及稳 定性分析计算方法等多方面进行了卓有成效的工作 和研究 然而 以往的成果大多局限于单一边坡单 元和相对简单模式 一般定性分析为主 定量计算 不足或定量可靠度较低 特别是对土质边坡和岩质 边坡 一般研究理论和方法相对独立 或者因为分 学科 地域 部门等因素 在边坡工程实践中经常 存在局限和不足 例如 其边坡结构特征介于土质 边坡和岩质边坡之间的类土质边坡问题 一般定性 分析薄弱或者定量计算可靠性较低
第 22 卷 增 2 2003 年 10 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
22(增 2) 2765 2772 Oct. 2003
类土质路堑边坡变形破坏类型及其稳定性分析
廖小平
(中铁西北科学研究院 兰州 730000)