層狀巖體順層滑動邊坡破壞機制及錨固機制的研究

林 森，代樹林

(吉林大學 建設工程學院，長春 130026)

順層巖體邊坡是指斜坡傾斜方向與巖層傾向一致的邊坡。1995年，蔣爵光等對國內12條鐵路干線的巖石邊坡進行了詳細的調查統計后指出:巖石滑坡比較常見的類型為層狀結構巖體的順層滑動邊坡。凡是順層邊坡地段，不論邊坡坡度陡緩，只要邊坡坡度大于巖層傾角，而巖層傾角大于15°的情況下，幾乎都發生了順層滑塌或順層滑動的破壞現象。層狀邊坡順層滑動是一種常見的地質災害，多年來一直困擾著巖土、地質和工程界。據統計，其災害損失僅次于地震[1－4]。

1 層狀巖體順層滑動邊坡破壞機制

1.1 層狀巖體順層滑動邊坡破壞機制

不管是天然同傾向邊坡，或是人工開挖形成的同傾向邊坡，當坡面或斜面的坡度大于地層的傾角，則地層的層面或不連續面會出露在坡面上，而且呈現水平的狀態，在這種露層的狀況下，很容易發生順層滑動。對于同傾向層狀巖質邊坡，由于其不連續面(軟弱結構面)為一連續的平面，且該類平面在坡體內有多個同時存在，所以尤其容易發生順層滑動破壞。層狀邊坡發生滑移破壞時，主要是受自重及其它荷載作用而引起順層滑移，變形破壞多是沿層間弱面的相對剪切滑移，且一般主滑帶與巖層的產狀基本一致。其變形破壞是坡體經歷頂部拉張—順層滑動—底部剪出三個階段。要發生順層滑動必須符合三個基本條件:第一是山坡地必須是同傾向邊坡;第二是地層或不連續面的傾角要小于斜坡的坡角(即坡度);第三是地層或不連續面的傾角要大于潛在滑動面的內摩擦角。因此，同傾向層狀邊坡在河流、水庫或湖泊的沖刷作用下，或者人工開挖坡腳的影響下，在適當的情況下，可能會發生順向滑動[5]。

1.2 層狀巖體邊坡的破壞模式分類

1.2.1 中等緩傾角巖質邊坡

該類邊坡坡面傾向與巖層傾向夾角≤30°，巖層傾角<45°。巖質邊坡開挖坡角一般均 >45°，對于這類邊坡的巖層傾角，軟弱層面在前沿處于臨空狀態。這類邊坡的主要變形破壞模式為滑移—拉裂型。當巖層傾角低于10°且存在下伏軟弱層時，有可能產生滑移—壓致拉裂型、塑流—拉裂型破壞。

1.2.2 中等陡傾角巖質邊坡

該類邊坡坡面傾向與巖層傾向夾角≤30°，巖層傾角≥45°。這類邊坡巖層傾角 >45°，公路邊坡開挖一般不會導致前沿臨空，不具備產生滑移—拉裂型變形破壞的基本地質條件。其可能的變形破壞方式主要有以下幾種形式:

1)滑移—彎曲型 邊坡前沿的軟弱層面深埋于坡體之內，大部分抗力體不受卸荷影響，巖體較完整，抵抗變形破壞能力相對較強。當邊坡高度足夠大時，在強大的自重應力作用下，邊坡巖體仍有向下滑動的趨勢，前沿受阻彎曲過程中產生一組共扼剖面 X節理，一旦緩傾坡內的X節理與層面和后緣拉裂面貫通就將產生滑移—彎曲型滑坡。

2)蠕滑—拉裂型 雖然邊坡前沿軟弱層面未暴露地表，但離地表較近，作為抗力體的較堅硬巖體位于強卸荷帶中。當邊坡高度足夠大時，在自重應力作用下，邊坡前沿追蹤層面和卸荷裂隙產生蠕動變形，一旦與層面和后緣拉裂面貫通就可能產生蠕滑—拉裂型滑坡。

3)彎曲—拉裂型 當巖層傾角高于75°時，若邊坡坡角也>75°，易產生彎曲—拉裂型變形破壞。事實上，75°坡角幾乎是巖質邊坡設計的上限坡比，所以這種模式出現的可能性較小[5]。

1.3 層狀巖體順層滑動邊坡失穩判據

1.3.1 巖層傾角<45°

邊坡的穩定性取決于抗滑力(F)與下滑力(S)之比，邊坡的穩定系數K按下式求得:

當開挖邊坡高度介于20～40 m之間，高度為60～90 m之間時，對于這類潛在滑移面平直且長度不大的情況，抗滑力主要來源于摩擦阻力，內聚力可忽略不計。上式可表達為:

顯然，可以根據層面內摩擦角與層面傾角比較，很方便地判斷該類巖質邊坡的穩定狀況。

1.3.2 巖層傾角≥45°

巖層傾角介于45°～75°之間時，設計坡比基本遵循巖層傾角。故施工開挖不會導致前沿軟弱結構面臨空，主要變形破壞模式為滑移—彎曲型，邊坡穩定狀況與巖性和坡高密切相關。

巖層傾角>75°時，邊坡易產生彎曲拉裂變形，穩定性相對較差。但75°坡角接近巖質邊坡設計坡比上限(1∶0.25)，只要按規程規范確定標準斷面，就可避免產生彎曲拉裂變形。

2 錨桿加固機理及最優錨固角的選擇

綜上所述，層狀巖體順層滑動邊坡在實施開挖的同時，應該做好加固支擋措施。同順層巖質邊坡加固中常用的大截面抗滑樁相比，錨桿加固具有造價低、經濟性好，適應性強，并且其靈活的布置形式特別適用于不同角度順層滑動邊坡的加固。

2.1 層狀邊坡順層滑動巖體中錨桿加固機理

在層狀巖體順層滑動邊坡中，錨桿的安設部位、傾角為抵抗邊坡順層滑動最有利的方向，一般錨桿軸線應當與巖石主結構面或潛在的滑移面呈大角度相交，如圖1所示。同時，錨桿的設置區域及方位還應充分考慮軟弱結構面的產狀、分布情況及可能發生的破壞模式。可分散均勻布置，也可集中布置，但錨桿應穿過軟弱層面一定深度。

圖1中(a)(b)順層邊坡每一層層面及層間充填特征基本相同，整個邊坡均勻布置錨桿對所有層面進行加固，可避免邊坡沿未加固層面發生順層滑動。圖1中(c)(d)順層邊坡有確定的軟弱層面，可針對該軟弱層面進行重點加固。(c)圖中錨桿集中布置在軟弱層面出露的部位，(d)圖錨桿垂直軟弱層面布置，按抗剪錨桿設計。

對巖體而言，錨桿支護起懸吊、組合梁和擠壓加固的作用。在層狀邊坡順層滑動中，錨桿主要起組合梁的作用，如圖1中(c)(d)所示。

圖1 錨桿加固順層邊坡布置

對于錨桿的組合梁作用:當巖體所含軟弱結構面主要為層理或片理，且巖層的產狀與巖體坡面相近，結構面間c、φ中值較小，極易發生順層滑移。使用錨桿加固時，將錨桿與軟弱結構面近似垂直方向布置，錨桿的加固大大提高了層理或片理間的抗剪切強度，錨桿起到組合梁中鉚釘的作用。在這種情況下，錨桿的加固作用是非常明顯的。關于錨桿加固對巖體力學性質的改善，參見經驗關系式

式中，c0，φ0，c1，φ1分別為原巖體及錨固巖體的黏聚力和內摩擦角;τ，S分別為錨桿材料的抗剪強度及橫截面積;a，b為錨桿的縱、橫向間距;η為綜合經驗系數，可取2～5。

2.2 最優錨固角的選擇

錨桿布置方向在邊坡錨固工程設計中，是個十分重要的問題。正確選取這一參數對錨桿錨固系統結構的受力狀況、錨固長短和施工難易等都有重要影響。經過大量論證得知最有效的布置方向為逆滑動方向布置。但由于受滑動體的邊界條件、施工條件等限制，只能以一定的角度去布置，所以必須經過綜合比較，選擇最優的錨固方向，以達到最有效的加固效果[6]。

圖2中α為錨桿同滑動面的夾角，β為錨桿同水平面的夾角，θ為滑動面的傾角，它們有如下關系

由錨桿提供的抗力為

圖2 最優錨固角

式中:φ為滑動面上的內摩擦角。

當α=φ時，可得最大抗滑力為 P抗max=P/cosα，但此時錨桿最長，不經濟。綜合比較后，當α優=45°+φ/2時，得到最優的錨固角度，因此最優的錨固角為:

因此，得出最優的錨固角為 θ±(45°+φ/2)。但有些時候，受到施工條件和結構本身的限制，不可能按最優錨固角進行布置，此時可對錨固角進行適當調整，但必須保證提供較好的錨固效果。另外，當錨固傾角在－10°～+10°范圍時，注漿材料硬化時產生的殘余漿渣及注漿料的泛漿將會影響錨桿的承載力，應予以避開。

3 錨桿加固受力分析

假定錨桿力T以β角穿過軟弱層面，巖層傾角θ，邊坡坡角α(圖3)，則加固后順層邊坡的穩定系數為

式中，c、φ為巖層層間的內聚力和內摩擦角;θ、l為層面的傾角和長度;G為巖體自重;T為錨桿拉力。

式(7)表明錨桿的作用:一是減小了下滑力 T sinβ;二是增加了層面上的法向力T cosβ。可以通過設置錨桿來提高順層邊坡的穩定性。

根據式(7)，錨桿提供的錨固力可按式(8)計算

圖3 錨桿加固順層邊坡受力分析

當不考慮水壓力作用時，錨桿提供的錨固力為

對于非預應力錨桿，錨桿為被動受力，不宜考慮錨桿在層面上產生的法向阻力Tcosβtanφ，錨桿加固后順層邊坡的穩定系數為

當錨桿垂直于層面布置時，對于預應力錨桿，其作用主要是，通過所施加的預應力，在層面上產生法向阻力，同時錨桿具有一定的抗剪能力;對于非預應力錨桿，其作用主要是錨桿自身強度所提供的抗剪力。此時剪力錨桿提供的抗剪力為

式中，Ag為剪力錨桿鋼筋截面面積，[τg]為錨桿鋼筋容許剪應力。剪力錨桿加固后順層邊坡的穩定系數為

4 結論

本文通過對層狀巖體順層滑動邊坡破壞機制的理論分析研究，總結出其變形破壞是坡體經歷頂部拉張—順層滑動—底部剪出三個階段。并按傾角對破壞模式進行分類?？偨Y出實際工程治理中最適宜采用錨桿加固的治理方法，并對其錨固機理進行研究，得出層狀巖體順層滑動邊坡的最優錨固角為 θ±(45°+φ/2)。通過對錨桿加固的力學分析得出加固后順層邊坡的穩定系數K以及錨桿錨固力T在預應力和非預應力錨桿以及有無水作用情況下的計算公式。

[1]崔政權，李寧.邊坡工程-理論與實踐最新發展[M].北京:中國水利水電出版社，1999.

[2]蔣爵光.鐵路巖石邊坡[M].北京:中國鐵道出版社，1997.[3]蔡美峰.巖石力學與工程[M].北京:科學出版社，2002.

[4]曾憲明，林潤德，易平邊.基坑與邊坡事故警示錄[M].北京:中國建筑工業出版社，1999.

[5]張倬元，王士天，王蘭生.工程地質分析原理[M].北京:地質出版社，1994.

[6]程良奎，范景倫，韓軍，等.巖土錨固[M].北京:中國建筑工業出版社，2001.