顺层层面力学参数取值探讨

摘要：在铁路、公路勘察设计过程中，经常遇到顺层及顺层滑坡，难度最大的问题是顺层层面力学参数的取值，目前铁路、公路规范未有相关的规定。文章通过典型工程案例的分析、相近行业相关规范、工程地质学理论及有关顺层专著等，对顺层层面力学参数取值进行研究。研究表明：(1)顺层层面力学参数取值与行业、安全系数、工程重要性密切相关；(2)根据工程案例分析及相近行业规范对比，铁路、公路边坡顺层层面若采用峰值强度则太冒进，应采用适合工况的抗剪强度；(3)根据顺层滑坡工程经验取值，顺层层面力学指标应采用综合内摩擦角，既符合规范也满足设计需要，操作性强，是有效的确定顺层层面力学参数的重要方法，应大力推广。该研究成果可应用于铁路规范编写及路基工程勘察设计。

1 问题的提出

在铁路、公路勘察设计过程中，经常遇到顺层及顺层滑坡，争议最大的是顺层层面力学参数的取值问题。相近行业中，GB 50330-2002《建筑边坡工程技术规范》和GB 50487-2008《水力水电工程地质勘察规范》有相关取值的参考资料，但都有明确的使用条件或与设计规范对应的规定。目前铁路、公路勘察规范还没有相关的规定，是今后规范修编的努力方向。本文通过典型工程案例、相关规范、有关专著及理论，对顺层层面力学参数取值进行探讨，供今后铁路、公路勘察设计参考。

2 典型工程案例分析

该工点位于渝怀铁路涪陵至白涛之间，处于乌江峡谷的顺层坡上，地质构造位于梓里场背斜东翼，单斜构造，地层岩性为飞仙关组(T1f)薄层～中厚层灰岩，倾向乌江河谷，倾角20°。1971年资料显示，仅在乌江边有局部裂隙产生，至1996年7月10日发生大规模滑坡，滑坡体厚30～40 m，体积约280万m3，前缘隆起，乌江面变窄，该滑坡使长350 m一段319国道及民房全部破坏，并向乌江下滑20～30 m以远，为基岩顺层滑坡。该滑坡说明：(1)顺层自然斜坡虽然现在稳定，但是今后还可能失稳；(2)灰岩层面为硬性结构面，但由于溶蚀及粘土充填，力学指标逐渐降低，以致最终失稳，说明顺层力学指标存在逐渐变差的过程。

该工点位于乌江左岸319国道靠山侧，地形为单斜顺层坡，该段大部分为厚层灰岩，重庆端为页岩(下部为灰岩，上部为页岩)，岩层产状N51°E/30.5°NW, 施工图按灰岩层面间综合内摩擦角φ=26°、页岩内摩擦角φ=18°进行顺层边坡稳定性分析，设计要求按信息法施工。从开挖暴露情况看，灰岩层面充填夹泥，有7个桩出现水平裂缝，通过取样进行试验，对层面力学指标进行了调整，对处理措施进行了补强[2]，典型断面设计图如图1所示。该案例说明：在顺层边坡加固工程中，根据桩的开挖过程来调整顺层层面的力学参数，操作性不强；地质资料中提出的顺层力学参数应考虑各种不利因素的影响，应有一定的安全富余，不然可能会产生工程病害。

图1 DK 224+960～DK 225+220顺层路堑工点典型断面设计图

成都-自贡-泸州高速公路于威远县境范围约18 km穿过三叠系须家河组缓倾地层，在勘察过程中，发现了3处河流切坡形成的厚层砂岩沿其下部缓倾软岩面滑动，且具有缓慢拉裂、解体和滑移等现象。施工后，有4处路堑开挖切断二元结构斜坡，亦发生了上部砂岩沿下部缓倾软弱层顶面滑移，具有较快速拉裂、倾倒、前缘挤出等现象的工程滑坡。付开隆等[7]分别选取1处河流切坡导致的古滑坡工点(赵家湾滑坡，如图2所示)和1处人工切坡导致的工程滑坡工点(余家寨滑坡，如图3所示)进行研究,分析须家河组二元结构岩层顺层滑动原因，总结顺层层面的综合内摩擦角，为类似地区工程地质选线及勘察工作提供参考。提出了顺层层面的综合内摩擦角为8°，据此进行的工程处理无病害发生。该案例说明：根据自然界产生顺层滑坡的角度提出的层面综合内摩擦角，接近层面摩擦强度，是偏于安全的，是有效确定顺层层面力学参数的重要方法。

图2 赵家湾滑坡代表性断面图

图3 余家寨滑坡代表性断面图

3 有关问题的探讨

3.1 顺层层面力学参数取值与行业、安全系数、工程重要性密切相关

确定安全系数的允许标准是一个关系到工程安全和投资的重大问题。国内对边坡工程允许安全系数的规定十分慎重，在对边坡等级做出规定的基础上，各行业都提出了相应的允许安全系数标准，如表1所示。

表1 国内相近行业安全系数取值表

GB 50330-2002《建筑边坡工程技术规范》第10页表4.5.1提出了结构面抗剪强度指标标准值，但明确适用二、三级边坡工程，并在条文说明中明确参照GB 50218-94《工程岩体分级标准》表C.0.2,该表就明确为结构面抗剪断峰值强度，虽然GB 50487-2008《水利水电工程地质勘查规范》明确软弱结构面抗剪强度参数按峰值强度，但安全系数按3.0～3.5，已考虑了破坏机理和时间效应等影响因素(见规范第228页)。可见，顺层力学参数有峰值强度、残余强度，指标的确定是与行业及安全系数、工程重要性密切相关的。

路堑开挖前，斜坡处于原岩应力平衡下的稳定状态，在斜坡上开挖路堑后，破坏了斜坡岩体内的应力平衡状态，坡面周围的岩体发生卸荷回弹，引起应力的重分布和应力集中等效应。陆兆溱[1]提出卸荷回弹普遍产生边坡岩体松弛张裂，开挖坡脚软弱层的蠕变、地震、爆破、软岩的流变效应均可进一步引起边坡张裂变形；李安洪等人[2]提出不设支挡条件下，开挖松动区沿层面影响范围与切层厚度之比为4～6.5；设支挡条件下，开挖松动区沿层面影响范围与切层厚度之比为3～5。设支挡后松动区影响范围较不设支挡时缩小约30%，如图4所示。

图4 顺层边坡开挖松动区范围示意图

可见，顺层开挖边坡岩体已发生松弛张裂，地表水下渗后顺层面流出，软弱层面易产生蠕动，软岩存在流变效应，这与开挖前(或开挖后很快)进行的的现场顺层层面直剪试验在边界条件上存在较大的差距，根据前述工程案例：自然界的顺层层面力学指标存在逐渐变差的过程，地质资料中提的顺层力学参数应考虑各种不利因素的影响，应有一定的安全富余，不然可能会产生工程病害。因此，从工况及安全角度考虑，现场顺层层面直剪试验，应取饱水状态的摩擦强度。

GB 50330-2002《建筑边坡工程技术规范》第10页表4.5.1提出了结构面抗剪断峰值强度标准值，但明确适用二、三级边坡工程，根据GB 50330-2002《建筑边坡工程技术规范》第3.2.2条规定，由外倾软弱结构面控制的边坡工程应定为一级边坡工程，铁路、公路顺层边坡参照其规定就应定为一级边坡工程，顺层指标不能根据其表4.5.1取值。 GB 50487-2008《水利水电工程地质勘查规范》明确软弱结构面抗剪强度参数采用峰值强度，是建立在安全系数3.0～3.5基础之上的，铁路、公路安全系数在1.02～1.3之间的顺层层面抗剪强度参数若采用峰值强度，就太冒进，应采用考虑饱水、变形、震动等工况的抗剪强度。

3.3 根据顺层滑坡工程经验取值，顺层层面力学指标应采用综合内摩擦角

由于顺层的现场剪切试验费用高、试验时间长、试验困难、试验点的代表性差等原因，铁路勘察进行顺层层面的现场剪切试验很少，大部分根据工程经验进行取值。GB 50330-2002《建筑边坡工程技术规范》第38页条文说明第4.5.4条提出了综合内摩擦角的概念，李安洪等人[2]提出了当岩层倾角小于层间综合内摩擦角时，按一般路堑设计。自然界的顺层滑坡及工程开挖的顺层滑坡，核实其层面倾角方便、简单、直接，结论可信。因此，根据工程经验提顺层层面的综合内摩擦角，规范上允许，设计上需要，勘察过程操作性强，且参照以往工程案例，据此进行的工程处理无病害，是偏于安全的，是有效的确定顺层层面力学参数的重要方法，应大力推广。

4 结论

(1)对建筑、水利水电行业顺层力学参数，规范提出了参考资料，为结构面抗剪断峰值强度，但建筑行业明确规定仅适用二、三级边坡工程，水利水电行业是建立在设计规范安全系数为3.0～3.5基础上的，已考虑了破坏机理和时间效应等影响因素，可见，顺层层面力学参数取值与行业、安全系数、工程重要性密切相关。

(2)无论是否做挡护工程，路堑开挖都会引起变形，岩体发生卸荷回弹，普遍产生边坡岩体松弛张裂，开挖坡脚软弱层的蠕变、地震、爆破、软岩的流变效应均可进一步引起边坡张裂变形，这与开挖前(或开挖后很快)进行的的现场顺层层面直剪试验在边界条件上存在较大的差距，根据工程案例并参照相近行业规范，对于铁路、公路(安全系数在1.02～1.3之间)的顺层层面抗剪强度参数若采用峰值强度，就太冒进，应采用适合工程工况的抗剪强度。

(3)由于顺层的现场剪切试验费用高、试验时间长、试验困难、试验点的代表性差等原因，铁路勘察进行顺层层面的现场剪切试验很少，大部分根据工程经验进行取值；根据工程经验提顺层层面的综合内摩擦角，规范上允许，设计上需要，勘察过程操作性强，据此进行的工程处理无病害，是偏于安全的，是有效的确定顺层层面力学参数的重要方法，应大力推广。

[1] 陆兆溱.工程地质学[M].北京:中国水利水电出版社，2008. LU Zhaozhen. Engineering Geology [M]. Beijing: China Water & Power Press,2008.

[2] 李安洪,周德培,冯君,等.顺层岩质边坡稳定性分析与支档防护设计[M].北京:人民交通出版社, 2011. LI Anhong,ZHOU Depei,FENG Jun,et al. Bedding rock slope stability analysis and retaining wall protective design[M]. Beijing: china communications press, 2011.

[3] GB50487-2008 水利水电工程地质勘查规范[S]. GB50487-2008 Code for engineering geological investigation of water resources and hydropower[S].

[4] TB10012-2007 铁路工程地质勘察规范[S]. TB10012-2007 Code for geology investigation of railway engineering[S]．

[5] JTG C20-2011 公路工程地质勘察规范[S]. JTG C20-2011 Code for highway engineering geological investigation[S].

[6] GB50330-2002 建筑边坡工程技术规范[S]. GB50330-2002 Technical code for building slope engineering[S].

[7] 付开隆,王哲威.威远县境三叠系须家河组缓倾岩层顺层滑动特征分析[J].路基工程, 2013,31(5): 166-170. FU Kailong,WANG Zhewei. Analysis on characteristics of bedding slipping of flat dipping rocks in triassic xujiahe formation within weiyuan county[J]. Subgrade Engineering, 2013,31(5): 166-170.

Abstract：In the process of railway and highway survey design, bedding and the bedding landslide is often encountered, among which, value of bedding layer mechanical parameter is most difficult; currently there is no related provisions in railway and highway specification. Through analysis of typical engineering cases, related specifications of similar industries, engineering geology theory and some bedding monographs, research on bedding layer mechanical parameter value is done. Research shows that: bedding layer mechanical parameter value is closely related to industry, safety factor and engineering importance; according to engineering case analysis and the comparison between similar industry specifications, railway and highway slope bedding layer should use shearing strength; according to bedding landslide engineering experience value, bedding layer mechanical index should use integrated internal friction angles, both accord with specification and meet design need with strong operability, is the important method to effectively determine bedding layer mechanical parameter, should be vigorously promoted; The results of the research can be used in railway subgrade engineering investigation and design and specifications preparation.

引文格式：韩康,张升文,付开隆. 顺层层面力学参数取值探讨[J].高速铁路技术，2017,8(1)：34-37. HAN Kang,ZHANG Shengwen,FU Kailong. Discussion on Value of Bedding Layer Mechanical Parameter [J]. High Speed Railway Technology,2017,8(1):34-37.