福建某高邊坡工程綜合勘察及穩定性分析

■莊炳勇

（福建省林業勘察設計院，福州 350001）

近年來，隨著我國城市化進程的推進，越來越多的生活生產設施被建設于山地、丘陵地帶，大量建筑邊坡成為威脅建筑安全的主要隱患。

準確查明工程區域內高邊坡的工程地質情況是保證工程安全施工投產的重要措施。

傳統的工程勘察方法以鉆探、井探等為主，通過對勘探點位獲取的樣本分析結果進行按“點”連“線”，獲取工程區域地質界面的分布情況。

但受勘探點密度的制約，該類方法對地質界面實際起伏變化和局部不良地質現象的勘探成果往往與實際情況存在差異[1-2]。

為了彌補傳統勘探方法的不足，人們提出了瞬態面波法[2]、高密度電法[3]、超聲波[4]等方法。

其中，瞬態面波法可以進行土基分層、地下洞穴探測等工作，并具有數據采集設備輕巧、便于攜帶等優點，在對重型設備存在較大限制的高邊坡勘察工程中具有獨特的優越性[4-6]。

本研究對瞬態面波法在某高邊坡工程中的應用進行分析， 并基于勘察成果對邊坡的穩定性進行評價，可為同類的高邊坡勘察防治工程提供參考。

1.1 概況

本工程位于南平， 邊坡坡高約為29～66 m，長度約250 m， 邊坡坡面產狀為15°～181°∠18°～50°，上緩下陡。

其上部為自然邊坡，植被茂密，坡度較緩，下部為分級邊坡，坡面巖土直接裸露，坡面未進行防護，且邊坡坡度較陡，形成巖土外傾臨空面，邊坡巖體部分產生崩塌， 局部坡面現少量雨水沖溝。邊坡側壁地層以強風化云母片巖（砂土狀）和強風化云母片巖（碎塊狀）為主，屬巖土組合邊坡。

1.2 工程地質條件

場地屬剝蝕丘陵地貌單元，東、西、北三側均為山體，南側為已建客運中心站、物流中心，邊坡工程位于場地西側，其坡腳存在擬建的高層建筑，且設有一層地下室，后續建筑施工過程中將對邊坡穩定性產生不利影響， 應考慮邊坡和建筑的穩定性，并將坡腳地下室基坑邊坡高度計入邊坡總高度協同考慮。

根據現場踏勘與鉆孔揭示，該區域巖土層結構較為簡單，從上至下分為：（1）素填土（局部分布）；
（2）坡積粉質粘土；
（3）強風化云母片巖（砂土狀）；
（4）強風化云母片巖（碎塊狀）；
（5）中～微風化云母片巖。

場地地下水主要為埋藏于風化巖層[（3）強風化云母片巖（砂土狀）、（4）強風化云母片巖（碎塊狀）和（5）中～微風化云母片巖]中的孔隙～裂隙型潛水，富水性一般～貧乏，主要接受大氣降水補給，受季節性降水影響不大，主要向地更低的相鄰風化巖層徑流和排泄。場地位于山坡區域，地勢較高，坡頂水位埋藏較深，僅在坡腳測得穩定水位埋深為2.0～2.50 m。

1.3 勘探點布設

本次勘探點數量及具體位置依據相關規范、場地地形地貌、支檔結構位置、巖土層情況等因素綜合確定，勘探線主要沿垂直邊坡走向和平行于支檔結構進行布置，共布置勘探點50 個，其中控制性勘探點21 個（鉆探加面波勘探），一般性勘探點29 個（面波勘探）。

勘察工作采用傳統鉆探和多道瞬態面波法相結合的綜合勘察方法。

面波勘察共布置11 條測線（編號L1～L11），勘探點的相對位置及多道瞬態面波線見圖1。

圖1 勘探點位置及多道瞬態面波線

2.1 多道瞬態面波法基本原理

面波—瑞利波在分層層狀介質中具有以下特點：（1）在介質中的傳播速度發生變化而發生的頻散現象；
（2）在不同介質中的傳播速度與介質的性質密切相關。

多道瞬態面波法就是利用面波在介質中傳播的這2 個特點，通過在勘察區地面使用錘擊、落重等方式引起一定頻率范圍的面波后，在多道采集系統的幫助下對時間域中出現的面波成分進行記錄識別。

根據記錄得到不同波長的面波在垂直方向上的速度變化情況，并據此繪制面波頻散曲線，對頻散曲線進行定量解釋可以得到分層介質的厚度、層速度和分界面深度，同時不同的層速度還可反映介質的力學性質、疏密程度以及在地下的空間分布情況。

2.2 瞬態面波法數據采集及處理

本工程的面波勘察工作過程中使用的面波儀型號為SWS-6，面波勘探線道間距為1 m，12/24 道采集，采用6～9 m 的偏移距，使用4 Hz 垂直地震檢波器， 人工使用18 lb 大錘敲擊地面激發面波作為震源。

數據信號處理采用頻率波數分析法求得面波頻散曲線。

通過對每個面波測試點的頻散曲線進行分層和層速度計算，確定各層的厚度，計算各層的橫波傳播速度， 并對獲得結果進行反演擬合處理，即可達到定量解釋的效果。

2.3 瞬態面波法成果分析

圖2 為測試點的面波頻散曲線及反演解釋圖。由面波法的原理可知，不同波長的面波傳播特性反映地層介質在垂直方向上的變化情況。

由圖2 可知，面波速度隨著深度逐漸增大。

深度2 m 以上區域的頻散曲線出現了“之”字型拐點。

面波波速在150～170 m/s 間波動，表明此處土體較為松散，主要組成物質推測為坡積粉質粘土， 深度范圍2.0～18.7 m 的頻散曲線變化較為均勻，18.7 m 以下區域的面波的速率變化幅度逐漸增大，表明18.7 m 處推測為砂土狀云母片巖和碎塊狀云母片巖的分界面，面波波速約250～300 m/s。

對同一剖面上面波勘探點的數據進行整合，將垂直向上面波層速相同的點相連，并賦予代表著不同波速的漸變顏色，即可得到面波層速度彩色剖面圖。圖3 為測線L3、L5 的面波視層速度剖面圖。

水平方向看，由左至右，邊坡的風化層厚度逐漸降低，坡積粉質粘土主要存在于坡頂區域；
垂直方向看，北側L3 測面的地層分界面呈水平狀， 砂土狀和碎塊狀云母片巖的厚度相近，由淺至深風化程度逐步增強；

南側L5 測面的地層分界面呈傾斜狀，砂土狀云母片巖的厚度厚于碎塊狀云母片巖，且砂土狀云母片巖上部區域存在多處條帶狀低速宜昌區域，表明該區域的表層風化程度更高；
對坡腳高程相近的勘探點K13 和K14 進行對比，K13 處中～微風化云母片巖界面的高程約118.7 m，K14 處中～微風化云母片巖界面的高程約112.5 m，存在6.2 m 的高差，表明邊坡的風化程度由北向南逐漸加深。

圖2 K10 點面波頻散曲線及反演解釋圖

圖3 面波視層速度剖面及成果解釋圖

2.4 鉆孔驗證

選取K10 點的鉆孔綜合特征描述表（表1）對物探成果進行驗證。

根據鉆孔揭露，最上部為第四系坡積粉質粘土，厚2.5 m，同面波成果差距0.5 m；
中部強風化云母片巖（砂土狀）同強風化云母片巖（碎塊狀）的分界面深18.3 m，同面波成果差距0.4 m；
強風化同中～微風化云母片巖的分界面深32.4 m。對比表明物探結果的準確度良好。

表1 K10 鉆孔綜合特征描述

3.1 邊坡設計參數建議

本工程邊坡坡高約52～66 m，長度約250 m，邊坡坡面產狀為92°∠18°～50°，上緩下陡。

由勘察結果可知，該邊坡主要為坡積粉質粘土和強風化云母片巖組成的巖土組合邊坡，根據室內試驗結果結合野外鉆探、物探等資料和相關規范，邊坡巖土體的主要物理力學參數見表2。

表2 巖土體物理力學參數

3.2 巖石裂隙與穩定性分析

根據對場地的實地勘察，得到場地內風化巖主要發育的4 組節理裂隙產狀：（1）J1 裂隙面50°～81°∠45°～80°，延伸長度2.0～5.0 m，與邊坡傾向斜交；
（2）J2 裂隙面122°～132°∠15°～31°，延伸長度0.4～3.0 m， 與邊坡傾向小角度斜交；
（3）J3 裂隙面108°～142°∠48°～62°，延伸長度1.0～3.0 m，與邊坡傾向斜交；
（4）J4 裂隙面265°～286°∠58°～81°，延伸長度0.5～1.5 m，與邊坡傾向斜交。

巖石片理產狀：158°～170°∠21°～24°，延伸長度0.5～2.0 m，與邊坡傾向近直交。

邊坡裂隙極點等密和傾向玫瑰花圖見圖4。

巖層節理、裂隙發育，裂隙的充填物強度相對較低，節理裂隙及層面為相對軟弱結構面，因此各裂隙產狀與坡面產狀的關系影響了邊坡的穩定性。

巖層的節理、 裂隙面與開挖邊坡的接觸關系選取P5 剖面的赤平投影圖（圖5）。

從赤平投影圖分析，J1～J4 各裂隙面傾向與擬支護的邊坡面傾向大部分斜交，裂隙的延伸長度均較小，一般不易形成貫通的滑裂面，對邊坡總體穩定性影響較??；
但片理產狀與邊坡傾向相近，易沿片理面滑動，對邊坡總體穩定性影響較大。

圖4 節理極點等密圖和傾向玫瑰花圖

圖5 節理裂隙、片理與邊坡剖面赤平投影成果圖

3.3 土質邊坡穩定性分析

根據現有的山坡形態，選取一些代表性強的地質剖面進行穩定性驗算，邊坡類型主要為土質或土巖結合邊坡（上部土質邊坡，下部巖質邊坡），邊坡穩定性計算采用理正軟件內置的圓弧滑動法進行，主要計算參數見表1。

3.3.1 計算工況

共考慮2 種計算工況，①A 工況：邊坡土體為天然狀態，其強度按天然狀態取值；
②B 工況：考慮暴雨及長時間降雨， 邊坡土體在降雨作用下快速飽和，水頭升高，土體采用飽和抗剪強度。

3.3.2 穩定性計算成果

在天然狀態下的現有的土巖質邊坡穩定性系數一般為2.685～3.968，整體上處于穩定狀態，但在大氣降水、土體飽和等不利條件的作用下，土巖質邊坡穩定性系數降至1.412～1.667，穩定性系數下降幅度較高，可能會出現局部破壞。

3.4 巖質邊坡穩定性分析

根據裂隙面產狀，裂隙面傾角大部大于邊坡面傾角，部分裂隙面在坡面形成鍥形體，在受到雨水長期沖刷及外力作用（如地震、爆破震動）等條件下，易出現沿層面局部崩塌、滑動掉落等不良地質作用。

對L4 剖面的下部巖質邊坡進行穩定性驗算，根據節理裂隙統計結果采用赤平極射投影法進行分析（圖6）。

同時選取P5 剖面的巖石片理產狀順坡傾向（見圖5 赤平投影結果），當在坡體上附加有其他的作用力，或在暴雨作用下，片理內可能臨時充水到一定的高度，沿片理面產生靜水壓力，易形成滑動；
采用平面滑動法假設滑動面為直線型穩定性驗算（圖7）。

圖7 巖石片理穩定性計算簡圖

最不利破裂面：定位高度為12.063 m，破裂面仰角為24.0°，天然狀態安全系數=1.514，飽和狀態安全系數=1.110。計算結果表明：巖質邊坡總體上處于較穩定狀態，但局部存在順坡向片理或邊坡傾角小角度相交的不利結構面，局部巖體被切割成較破碎巖體，在外界影響因素（降雨、施工）作用下，易出現沿結構面產生局部崩塌、掉落或滑動等不良地質現象。

據國家標準GB50330-2013 《建筑邊坡工程技術規范》對于一級邊坡，一般工況條件下其穩定性系數不應小于1.35，不利工況條件下其穩定性系數不應小于1.15，否則應對邊坡進行治理。

3.5 支護建議

根據勘察資料和穩定性計算結果提出以下幾點支護建議：（1）該邊坡在天然狀態下現整體處于穩定狀態，但在受到大氣降水、土體飽和等不利條件的作用，且邊坡坡腳為設有地下室的建筑場地，邊坡設計時應考慮坡腳基坑開挖對邊坡的不利影響；
（2）本場地巖質邊坡存在沿結構面或多組結構面組合線，特別是順坡向片理存在局部崩塌、滑動的風險，應對巖質邊坡進行適當加固；
（3）采用框架+錨桿進行支護，框架內植草，以防止坡面被雨水沖刷，坡腳設置擋土墻；
（4）場地地勢較高，各含水層排泄條件較好，但邊坡易受降雨入滲和降雨形成的地表水影響，應設置截水溝，做好排水系統。

（1）本工程在勘查過程中應用了瞬態面波法同傳統鉆探方法相結合的綜合勘察方法，能夠使得勘察的信息更加全面、真實，提高勘察成果準確度和可信度，瞬態面波法適用于此類高邊坡工程的勘察工作，可彌補傳統單一勘察技術應用的不足；
（2）綜合勘察成果表明，本工程高邊坡為巖土混合邊坡，第四系坡積土主要存在于坡頂區域，邊坡巖體的風化程度隨深度逐漸降低，邊坡南部區域的風化程度高于北部；
（3）穩定性分析表明，邊坡現整體處于穩定狀態，但在外界不利因素作用、巖石的片理、裂隙以及后續坡腳建筑物的施工過程中可能會出現小規模破壞等因素，建議采用框架+錨桿方案進行支護。