巖質(zhì)橋墩邊坡破壞模式與關(guān)鍵楔體穩(wěn)定性研究

董利軍

（山西省地球物理化學(xué)勘查院，山西運(yùn)城044000）

巖質(zhì)橋墩邊坡破壞模式與關(guān)鍵楔體穩(wěn)定性研究

董利軍*

（山西省地球物理化學(xué)勘查院，山西運(yùn)城044000）

仙水河1#大橋右幅5號(hào)橋墩邊坡位于廣東省樂昌市梅花鎮(zhèn)大坪村老屋場(chǎng)境內(nèi)，此段線路約呈95°方向展布。人工邊坡是由于開挖廣樂高速公路仙水河1#大橋右幅5號(hào)橋墩的施工平臺(tái)及樁基承臺(tái)形成。施工平臺(tái)和承臺(tái)開挖過程中坡體發(fā)生變形，屢見沿順坡向節(jié)理面剝落、掉塊現(xiàn)象，給機(jī)械設(shè)備和施工人員的安全造成很大威脅，延誤施工工期。首先，采用赤平投影法對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了定性分析，探討邊坡可能存在的破壞模式；其次，根據(jù)定性分析的結(jié)果，重點(diǎn)對(duì)影響邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵楔體進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。通過這一分析，可為邊坡的支護(hù)防治提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。

巖質(zhì)邊坡；穩(wěn)定性分析；關(guān)鍵楔體；破壞模式；穩(wěn)定系數(shù)

1 概述

仙水河1#大橋右幅5號(hào)橋墩邊坡為中小型人工邊坡，坡面整體傾向?yàn)槟夏蠔|向。坡頂為左線開挖施工便道，坡底為右幅5號(hào)墩開挖施工便道和施工平臺(tái)。邊坡實(shí)測(cè)最大坡高為26m，坡長(zhǎng)40m，切坡面積約為820m2。坡面總體坡度較大，坡度為65°。巖層產(chǎn)狀為60°～80°∠70°～80°，與坡面大角度相交，為斜交坡。目前狀況下，開挖邊坡出露節(jié)理裂隙發(fā)育的強(qiáng)風(fēng)化震旦系樂昌峽群(Z2Lc)淺變質(zhì)砂巖，局部可見被節(jié)理裂隙切割的破碎巖塊從原巖體中脫落、滑出。樁基承臺(tái)均已開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高，準(zhǔn)備開始樁基施工，目前邊坡整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。由于風(fēng)化作用和人為爆破震動(dòng)使得坡體表層的破碎巖塊受擾動(dòng)后發(fā)生剝落、掉塊現(xiàn)象，影響邊坡下部樁基的正常施工作業(yè)以及后期橋墩的正常運(yùn)營(yíng)。若邊坡長(zhǎng)時(shí)間受暴雨沖刷浸泡或其他外動(dòng)力地質(zhì)作用，容易引起邊坡局部變形加劇，故需及時(shí)對(duì)邊坡采取必要的治理措施。本文采用定性與定量相結(jié)合的方法對(duì)邊坡開挖后的狀態(tài)進(jìn)行穩(wěn)定性研究，明確邊坡可能存在的破壞模式。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)剛體極限平衡法，針對(duì)影響邊坡穩(wěn)定性較為嚴(yán)重的關(guān)鍵楔體進(jìn)行了專門的分析，可為邊坡的支護(hù)治理提供依據(jù)。

2 工程概況

邊坡位于廣東省樂昌市梅花鎮(zhèn)大坪村老屋場(chǎng)境內(nèi)，巖層總體向北東東傾斜，產(chǎn)狀為60°～80°∠70°～ 80°。邊坡大里程一側(cè)為第四系坡積土，坡體為震旦系樂昌峽群(Z2Lc)淺變質(zhì)粉砂巖夾板巖，為巖質(zhì)坡。該邊坡為開挖施工平臺(tái)和樁基承臺(tái)所致，邊坡實(shí)測(cè)最大坡高為26m，坡長(zhǎng)40m，切坡面積約為820m2。邊坡為高陡巖質(zhì)人工邊坡，坡面總體向南南東傾斜，傾向?yàn)?65°～180°，傾角62°～68°。巖層與坡面大角度相交，為斜交坡。邊坡表面巖石較破碎，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，節(jié)理類型以構(gòu)造裂隙為主，風(fēng)化裂隙和卸荷裂隙同時(shí)發(fā)育。坡內(nèi)巖層傾向與坡面傾向呈大角度相交。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，結(jié)合邊坡結(jié)構(gòu)特征宏觀判斷，邊坡的破壞模式為坡體表層的以節(jié)理裂隙面和層理面切割形成的不同尺寸和規(guī)模的巖石塊體掉塊和滑移為主，邊坡整體是穩(wěn)定的。《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30-2004)確定其安全等級(jí)為一級(jí)。

3 邊坡破壞模式分析

3.1 定性分析

巖質(zhì)邊坡的破壞模式，取決于邊坡巖體中的節(jié)理裂隙、層面和坡面的相互組合關(guān)系，坡體結(jié)構(gòu)類型不同，其可能的破壞模式也不盡相同[1-3]。該邊坡的可能破壞模式分析如下：

邊坡上覆地層為坡積碎石粘土（Qdl4），黃褐色、灰褐色，可塑—硬塑，含碎塊石，碎石粒徑一般0.5～3.5cm，含量約10%～25%，層厚0.50～3.20m，強(qiáng)度、穩(wěn)定性較差。下伏地層為震旦系樂昌峽群(Z2Lc)淺變質(zhì)砂巖夾板巖，灰黃色、黃褐色，風(fēng)化劇烈，變余砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，主要礦物成份為長(zhǎng)石、石英及絹云母等，碎塊狀。巖石結(jié)構(gòu)破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖層產(chǎn)狀60°～80°∠70°～80°。邊坡最大高度26m，長(zhǎng)約40m，坡面傾向170°，傾角65°，為巖質(zhì)斜交坡。巖石風(fēng)化較嚴(yán)重，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎。邊坡主要發(fā)育2組裂隙：①155°～170°∠70°～80°，順坡向，密度1～2條/m，可見延伸0.20～4.00m；②250°～260°∠50°～60°，密度2～4條/m，張開，可見延伸0.30～2.00m。由于存在順坡向結(jié)構(gòu)面，開挖后坡體存在潛在不穩(wěn)定性。裂隙面是陡坡狀或陡坎狀，這2組裂隙與層面切割巖體成塊狀、碎塊狀，形成塊狀結(jié)構(gòu)，使邊坡處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)及時(shí)和重點(diǎn)防護(hù)。取其中代表性節(jié)理作赤平投影如圖1所示。

圖1 邊坡赤平投影圖（上半球）

從圖1上可以看出，巖層傾向和邊坡傾向夾角為100°，邊坡為巖質(zhì)斜交坡，結(jié)構(gòu)面組合（J1-C、J2-C）向坡外傾斜，2組結(jié)構(gòu)面的交線傾角均小于邊坡的傾角且都在摩擦圓之內(nèi)，可以判斷邊坡表面楔塊處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，結(jié)構(gòu)面組合易把表層巖體切割成各種尺寸的楔形體，沿坡面滑落、掉塊，坡體不穩(wěn)定；J1-J2交線位于邊坡投影弧同側(cè)，交線傾角為57°，切割巖體形成不同規(guī)模的楔形體。以上分析可知，邊坡巖體在節(jié)理與結(jié)構(gòu)面相互切割作用下易形成不同規(guī)模的楔形體，層面與節(jié)理面之間的組合不能構(gòu)成較大滑動(dòng)的邊界條件，邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，但為防止試工爆破振動(dòng)對(duì)邊坡穩(wěn)定造成的負(fù)面影響，對(duì)其節(jié)理面切割嚴(yán)重部位進(jìn)行必要的治理。

3.2 關(guān)鍵楔形體定量分析

楔形體穩(wěn)定性分析時(shí)采用傳統(tǒng)極限平衡法(TLE)假定滑動(dòng)面上剪力與兩結(jié)構(gòu)面交線平行，在引入這2個(gè)假定條件后，楔形體穩(wěn)定問題靜定可解。

建立圖2所示的局部直角坐標(biāo)系，s-n-t為左、右結(jié)構(gòu)面交線向上方向，s-n位于豎直面內(nèi)，t與s-n構(gòu)成右手系[4-5]。

在垂直結(jié)構(gòu)面交線的平面(n-t平面)內(nèi)建立靜力平衡方程：

通過上式可解出結(jié)構(gòu)面對(duì)楔形體的法向反力大小N1和N2。

沿結(jié)構(gòu)面交線的下滑力可表達(dá)為：

假定結(jié)構(gòu)面切向剪力與法向反力滿足Mohr－Coulumb強(qiáng)度準(zhǔn)則，穩(wěn)定系數(shù)可由結(jié)構(gòu)面所能提供的抗滑力與楔形體實(shí)際所受下滑力確定：

式中：c1、φ1、c2、φ2——結(jié)構(gòu)面Mohr-Coulumb強(qiáng)度參數(shù)；

A1、A2——滑動(dòng)面面積。

圖2 楔體受力示意圖

楔體破壞是巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)的一種主要模式，在地質(zhì)情況揭露的前提下，根據(jù)赤平投影分析確定哪一條或兩條結(jié)構(gòu)面可能形成的不穩(wěn)定楔塊。取典型可能滑塌的楔形體進(jìn)行分析如下：

楔形體Ⅰ：節(jié)理1、節(jié)理2、坡面及坡頂面組成，楔體滑動(dòng)符合雙面滑動(dòng)穩(wěn)定性問題（圖3）。

經(jīng)計(jì)算分析，在設(shè)計(jì)工況下，穩(wěn)定性分析結(jié)果為FS=1.192，支護(hù)后楔形體穩(wěn)定系數(shù)FS=1.361。

楔形體Ⅱ：節(jié)理1、巖層、坡面及坡頂面組成，楔體滑動(dòng)為雙面滑動(dòng)問題（圖4）。

圖3 關(guān)鍵楔形體Ⅰ穩(wěn)定性分析

圖4 關(guān)鍵楔形體Ⅱ穩(wěn)定性分析

經(jīng)計(jì)算分析，在設(shè)計(jì)工況下，穩(wěn)定性分析結(jié)果為FS=1.161，支護(hù)后楔形體穩(wěn)定系數(shù)FS=1.337。

4 結(jié)論

本文采用定性與定量相結(jié)合的方法，對(duì)開挖橋墩邊坡的破壞模式及關(guān)鍵楔體進(jìn)行了分析。通過赤平投影分析可知，邊坡巖體在節(jié)理與結(jié)構(gòu)面相互切割作用下易形成不同規(guī)模的楔形體，層面與節(jié)理面之間的組合不能構(gòu)成較大滑動(dòng)的邊界條件，邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，但為防止試工爆破振動(dòng)對(duì)邊坡穩(wěn)定造成的負(fù)面影響，對(duì)其節(jié)理面切割嚴(yán)重部位進(jìn)行必要的治理。通過關(guān)鍵楔體的定量計(jì)算可知，危險(xiǎn)工況（自重+暴雨作用）下，楔形體Ⅰ和Ⅱ處于基本（欠）穩(wěn)定狀態(tài)，但仍存在著較大的安全隱患，不能達(dá)到公路邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，因此，應(yīng)當(dāng)采取必要的治理措施。為防止發(fā)生坡體表面剝落、掉塊，決定對(duì)該段邊坡采取2m×2m巖石錨桿進(jìn)行治理。治理后，楔體的穩(wěn)定系數(shù)分別為1.361和1.337，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

[1]Goodmna R.E.Block Theory and Its Application[J].Geotechnique,1995，45(3):383-423.

[2]陳祖煌，汪小剛，等.巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析——原理,方法,程序[M」.中國(guó)水利水電出版社，2005.

[3]蔣爵光.用赤平投影進(jìn)行節(jié)理巖體穩(wěn)定性分析的方法[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1985，2(5):54-61.

[4]石根華.巖體穩(wěn)定分析的赤平投影方法[]J.中國(guó)科學(xué),1977,3 (5):70-77.

[5]孫廣忠.巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,1988.

U443.22

A

1004-5716(2015)03-0016-03

2014-03-31

2014-04-03

董利軍（1980-），男（漢族），河北井徑人，工程師，現(xiàn)從事工程勘察、災(zāi)害治理等相關(guān)工作。