吕梁山区黄土边坡工程地质分区及强度参数选取

书书书ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｅｏｌｏｇｙ　　工程地质学报　　１００４－９６６５／２０１４／２２（１）０１５２０８吕梁山区黄土边坡工程地质分区及强度参数选取于慧丽①　龙建辉①　刘海松②　籍延青③　张　中①（①太原理工大学地球科学与工程系　太原　０３００２４）（②长安大学地质工程与测绘学院　西安　７１００５４）（③山西省交通科学研究院岩土工程研究所　太原　０３０００６）摘　要　在山西省黄土高原综合治理分区图基础上，通过实地调查最典型黄土丘陵沟壑区（Ｉ区）的５３个典型公路黄土边坡，根据边坡类型、地层组合形式以及边坡破坏模式等要素，将其进一步划分为晋西北（Ｉａ）、晋西（Ｉｂ）和晋西南（Ｉｃ）３个亚区；并对５３个边坡的黄土进行了强度特征的试验研究，获得了边坡黄土在不同直剪试验方法下的峰值强度、“启动强度”与残余强度的参数值。根据边坡工程地质特征与工程调查类比，对３个亚区边坡在３种强度参数下的稳定性进行了统计和数值分析，结合应力变形计算实例分析发现：强度参数在不同地域具有明显的差异特征，晋西北区（Ｉａ）降雨少，构造活动不频繁，边坡以坡面破坏为主，采用峰值强度进行边坡设计更为合适；晋西区（Ｉｂ）构造发育，老滑坡较多，且地震活动使得土体强度相对下降，公路边坡设计的强度参数选用残余强度，有较高的安全保证；晋西南区（Ｉｃ）降雨多，优先选用“启动强度”，能最大程度地避免地质灾害的发生。关键词　吕梁山区　黄土边坡　工程地质分区　强度　参数中图分类号：Ｕ４１９４　　文献标识码：Ａ书书书　收稿日期：２０１３－０２－２８；收到修改稿日期：２０１３－０８－２９．基金项目：山西省交通厅科技项目（０９２０３），山西省自然科学基金项目（２０１３０１１０３６２）资助．第一作者简介：于慧丽，矿产普查与勘探专业．Ｅｍａｉｌ：[e-mail]通讯作者简介：龙建辉，副教授，地质工程专业．Ｅｍａｉｌ：[e-mail]ＩＳＩＯＮＯＦＬＯＥＳＳＳＬＯＰＥＡＮＤＩＴＳＳＴＲＥＮＧＴＨＰＡＲＡＭＥＴＥＲＳＥＬＥＣＴＩＯＮＩＮＬＬＩＡＮＧＭＯＵＮＴＡＩＮＯＵＳＡＲＥＡＹＵＨｕｉｌｉ①　ＬＯＮＧＪｉａｎｈｕｉ①　ＬＩＵＨａｉｓｏｎｇ②　ＪＩＹａｎｑｉｎｇ③　ＺＨＡＮＧＺｈｏｎｇ①（①ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥａｒｔｈＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴａｉｙｕａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３００２４）（②ＳｃｈｏｏｌｏｆＧｅｏｌｏｇｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＧｅｏｍａｔｉｃｓ，Ｃｈａｎｇ′ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ′ａｎ　７１００５４）（③ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｘｉＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３０００６）Ａｂｓｔｒａｃｔ　ＢａｓｅｄｏｎＳｈａｎｘｉｈｉｇｈｗａｙｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｚｏｎｉｎｇｍａｐ，ｔｈｅｍｏｓｔｔｙｐｉｃａｌｌｏｅｓｓｈｉｌｌｙａｎｄｇｕｌｌｙａｒｅａ（Ｉ）ｉｓｆｕｒｔｈｅｒｄｉｖｉｄｅｄｉｎｔｏｔｈｅＮｏｒｔｈｅｒｎＳｈａｎｘｉ（Ｉａ），ＪｉｎＷｅｓｔ（Ｉｂ），ａｎｄＪｉｎＳｏｕｔｈｗｅｓｔ（Ｉｃ）．Ｔｈｅｔｈｒｅｅｓｕｂｒｅｇｉｏｎｓａｒｅｄｉｓｔｉｎｇｕｉｓｈｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｅｌｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｓｌｏｐｅｔｙｐｅｓ，ｓｔｒａｔｉｇｒａｐｈｉｃｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎａｎｄｓｌｏｐｅｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅｌｏｅｓｓ．Ｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｖａｌｕｅｓｏｆｐｅａｋｉｎｔｅｎｓｉｔｉｅｓ，ｓｔａｒｔｓｔｒｅｎｇｔｈｓａｎｄｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｎｇｔｈｓａｒｅｏｂｔａｉｎｅｄｆｒｏｍｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｉｒｅｃｔｓｈｅａｒｔｅｓｔｍｅｔｈｏｄｓａｆｔｅｒｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅａｒｅａ（Ｉ）ｏｆ５３ｈｉｇｈｗａｙｓｌｏｐｅｓ．Ａｎａｎａｌｏｇｙｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｓｌｏｐｅａｎｄｔｈｅｒｅａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｓｕｒｖｅｙｓｉｓｄｒａｗｎ．Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｌｏｐｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｕｎｄｅｒｔｈｅｔｈｒｅｅｉｎｔｅｎｓｉｔｙｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｎｔｈｅｔｈｒｅｅｓｕｂｒｅｇｉｏｎｓａｒｅｍａｄｅ．Ｉｔｉｓｔｈｅｎｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｐａｒａｍｅｔｅｒｓｈａｖｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｇｅｏｇｒａｐｈｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．ＴｈｅＪｉｎＮｏｒｔｈｗｅｓｔ（Ｉａ）ｈａｓｌｅｓｓｒａｉｎｆａｌｌａｎｄｌｅｓｓｔｅｃｔｏｎｉｃａｃｔｉｖｉｔｙ．Ｆｏｒｓｌｏｐｅｔｏｓｌｏｐｅｆａｉｌｕｒｅ，ｔｈｅｐｅａｋｉｎｔｅｎｓｉｔｙｓｌｏｐｅｄｅｓｉｇｎｉｓｍｏｒｅａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ．ＴｈｅＪｉｎＷｅｓｔＥｎｄ（Ｉｂ）ｈａｓｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ｉｔｓｓｅｉｓｍｉｃａｃｔｉｖｉｔｙｍａｋｅｓｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｄｅｃｌｉｎｅｉｎｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅｓｏｉｌ．Ｉｔｈａｓｍｏｒｅｏｌｄｌａｎｄｓｌｉｄｅｓ．Ｔｈｅｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｎｇｔｈｓｈｏｕｌｄｂｅｕｓｅｄａｓｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅｈｉｇｈｗａｙｓｌｏｐｅｄｅｓｉｇｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｔｈｅｒｅｉｓａｈｉｇｈｅｒｓｅｃｕｒｉｔｙｇｕａｒａｎｔｅｅ．ＴｈｅＳｈａｎｘｉＳｏｕｔｈＷｅｓｔ（Ｉｃ）ｈａｓｍｏｒｅｒａｉｎｆａｌｌ．Ｔｈｅｓｔａｒｔｓｔｒｅｎｇｔｈｓｈｏｕｌｄｂｅｕｓｅｄｉｎｏｒｄｅｒｔｏａｖｏｉｄｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｄｉｓａｓｔｅｒｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　Ｌüｌｉａｎｇｍｏｕｎｔａｉｎｏｕｓａｒｅａ，Ｌｏｅｓｓｓｌｏｐｅ，Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｇｅｏｌｏｇｙｄｉｖｉｓｉｏｎ，Ｓｔｒｅｎｇｔｈ，Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ１　引　言随着国家中部地区特别是能源基地建设的加快，在吕梁黄土山区已建、在建及规划多条高等级公路，而公路运行的安全和国家投资建设的效益直接受到黄土高边坡防护设计的影响。黄土地区的边坡在治理防护设计时必须先对边坡的稳定性进行计算，而评价计算中最关键的因素是岩土体抗剪强度参数的取值，因此选择合理的黄土边坡强度参数极为重要［１］。前人对边坡稳定性及参数统计方法和选取已做了大量的研究［２～５］，在理论和实践方面有着深刻的意义。目前获取抗剪强度指标的方法有两种：一是按照相关规范并参考工程实际中的直接剪切测试来确定，一般以峰值强度作为抗剪强度值。事实上在土体弹性极限与峰值强度之间，即没有达到峰值强度前边坡或许就已经发生失稳破坏，强度参数值小于峰值强度τｆ，所以在稳定性计算中单纯的使用峰值强度是不合理的。二是采用反演法确定，通常是定性指导定量，对于极限状态坡的定性相对容易确定［６］，而非极限坡的实际状态不易确定，导致其稳定系数的定性范围较大，这种“定性→参数调整→定量结论”的参数选取模式人为影响因素过大，且需经过多次参数调整，造成反演整个过程工作量繁大。黄土边坡工程一直是工程地质领域的一个热点问题，但这些研究成果仍然受到地域性的限制［７～１１］。本文调查了青银高速及规划的“三纵十一横”中途经吕梁和临汾地区的５３处典型公路边坡，对该区域的边坡类型、地层组合形式以及边坡破坏模式进行详细统计分析，在山西省黄土高原综合治理分区图［１２］及公路自然区划标准［１３］基础上，结合山西省的气候、地质、构造以及工程地质特征，对黄土丘陵沟壑区（Ⅰ区）的公路工程地质分区进一步细化，并对５３个边坡的黄土进行了强度特征的试验研究，获得了边坡黄土在不同直剪试验方法下的峰值强度、“启动强度”与残余强度等参数值。根据边坡工程地质特征与工程调查类比，对３个亚区边坡在３种强度参数下的稳定性进行了统计和数值分析，并结合应力计算实例分析，从而建立了一套更为合理的参数选取方法，为黄土地区公路边坡防治设计中合理选取强度参数提供理论依据。２　吕梁山区黄土边坡的工程分区吕梁山区基本上都处于黄土丘陵沟壑区（Ⅰ区），是山西最典型的黄土地区。对该区５３个典型边坡进行现场调查统计（书书书表１），结合山西公路工程地质分区，将该区内公路黄土边坡的坡体、坡面破坏模式和特征进行总结（书书书表２）。在山西省黄土高原综合治理分区图及公路自然区划标准的基础上，根据以上统计的边坡类型、地层组合形式以及边坡破坏模式等要素，并结合山西省的气候、地质特征等将黄土丘陵沟壑区（Ⅰ区）的公路工程地质分区进一步细化为晋西北（Ⅰａ）、晋西（Ⅰｂ）、晋西南（Ⅰｃ）３个黄土丘陵沟壑亚区（书书书图１），各分区详细特征［１４］（书书书表３）。３　强度参数的界定与获取基于对公路黄土边坡的工程地质分区、地层组合形式的界定及黄土边坡的破坏模式分析，本文研究了该区域内峰值强度、“启动强度”和残余强度参数的选取。边坡黄土剪切破坏过程可以由书书书图２曲线表示。其中曲线上最高点（Ｂ点）为土体的强度极限值，即峰值抗剪强度；而土体经过缓慢剪切达到最大位移后得到的最低、维持不变的抗剪强度为残余抗剪强度；启动强度是个概化的概念，它体现在边坡失稳时形成滑坡启滑这一特定含水条件下的状态强度，可以认为是滑坡整体失稳启动时滑带土的３５１２２（１）　于慧丽等：吕梁山区黄土边坡工程地质分区及强度参数选取书书书表１　Ⅰ区典型边坡统计表Ｔａｂｌｅ１　ＴｈｅｔｙｐｉｃａｌｓｌｏｐｅｓｉｎａｒｅａＮｏ．Ｉ公路名称位　置高　度／ｍ坡　比坡型（台阶类型）地层组合形式备　注岢临高速Ｋ２０＋１１２１２０１０９二级ⅠⅠ－新黄土（Ｑ３）单一形式Ⅱ－新老黄土（Ｑ３＋Ｑ２）组合形式Ⅲ－老黄土（Ｑ２）单一形式Ⅵ－黄土与基岩（Ｑ２－３＋Ｔ１（或Ｐ））组合形式Ｋ２２＋０８４１２２１０９二级ⅠＫ２６＋９８５８２０７６一级ⅠＫ２２＋６３０１０３１０５二级Ⅱ平朔高速Ｋ３５＋１８０１３０１１０二级ⅡＫ０＋５５０２＃１３０１１３二级ⅠＫ１５＋３９０９００７６一级ⅠＫ１９＋５３５５５０７６一级ⅡＫ３＋８５５５００１４０六级ⅡＫ２４＋３５５７５４３００９１五级ⅡＫ４＋４３０４０００９５五级Ⅱ神苛高速ＡＫ６＋６３３１００１０５二级ⅠＡＫ９＋７９０８００７５一级ⅠＡＫ１５＋０３０１００１０２二级ⅠＡＫ２３＋３４０６００７５一级ⅠＡＫ４８＋１００１２２１０５二级ⅠＡＫ５１＋８０３１２０１０７二级ⅠＡＫ８２＋３３７（右１５ｍ）３００１５０四级Ⅱ离石—军渡Ｋ１９＋７２０３７８１０３五级Ⅱ汾阳—离石Ｋ５１＋９８５５７０１０４七级ⅥＫ４３＋３５０左２９７１１３四级ⅡＫ４３＋３５０右２３９１２１三级ⅡＫ５３＋２１０左２１９１１９三级ⅡＫ５３＋２１０右１５９１３５二级ⅡＫ５３＋２５２左２６４１１２四级ⅡＫ５３＋２５２右７９２００一级Ⅱ青银高速Ｋ９５４＋５０１６００９８二级ⅡＫ１０４５＋５５０４０００９５五级ⅡＫ１０４４＋４０３５０１０９五级ⅡＫ１０４１＋９００２４０１００三级ⅡＫ１０３７＋８００４０００９５五级ⅡＫ９８１＋１５０２４０１５０三级ⅡＫ９９８＋１８０４０００９５五级ⅡＫ９９１＋２５０４４００６９十一级ⅡＫ１０１１＋１２０４００１０５五级ⅡＫ１０２０＋１５０２４００９４六级ⅡＫ１０３３＋２７０３２０１０７四级ⅡＧ２０９Ｋ７３２＋０００左３２４１３０四级ⅢＫ７３９＋４００左２８０３２７一级ⅢＫ７３９＋８００左２３０１５５四级ⅢＫ７４９＋０００左３４０１４４四级Ⅲ临吉高速Ｋ２５８＋１２５４４００９３六级ⅢＫ２５６＋８６０３０００９１五级ⅢＫ２５９＋８８０左４２５０９１五级ⅢＫ２１９＋６６１１７９０９２三级ⅡＫ２２５＋