泥巖邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)探討

藺　港　安明旭

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司　貴陽　550081)

泥巖邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)探討

藺港安明旭

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司貴陽550081)

摘要泥巖屬于典型沉積巖類的原生軟巖，種類繁多，分布較為廣泛，是工程性質(zhì)較差的一類巖石，給工程實(shí)踐帶來了很大困擾。文中探討了泥巖邊坡巖土力學(xué)指標(biāo)的確定方法，采用FLAC數(shù)值模擬對該方法進(jìn)行了驗(yàn)證。同時(shí)綜合考慮多方面因素將泥巖邊坡穩(wěn)定性分為：穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、穩(wěn)定性差、不穩(wěn)定4類。根據(jù)邊坡的防護(hù)設(shè)計(jì)原則，結(jié)合各類邊坡的特征，提出了一些防護(hù)措施。

關(guān)鍵詞泥巖破壞模式FLAC防護(hù)措施

我國是一個(gè)多山國家，尤其在西部地區(qū)，隨著基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，大量的高邊坡問題不斷出現(xiàn)。泥巖屬于典型沉積巖類的原生軟巖，種類繁多，分布較為廣泛。其強(qiáng)度高于松散巖土，低于堅(jiān)硬巖，固結(jié)程度弱，質(zhì)地松軟，重結(jié)晶不明顯,受環(huán)境變化影響大，具有較差的抗風(fēng)化能力，遇水發(fā)生膨脹，易軟化，易崩解等工程特征。同時(shí)，其巖體結(jié)構(gòu)為層狀結(jié)構(gòu)，受構(gòu)造影響大，節(jié)理裂隙較發(fā)育，在高邊坡工程中呈現(xiàn)的問題特別突出。軟巖(泥巖)是其中一種，因其具有特殊的物理力學(xué)性質(zhì)，在工程中呈現(xiàn)的問題特別突出。如在重慶萬梁高速公路K38～K52段[1]，該段單斜順層巖體中夾泥巖，在路線修建過程，因開挖路塹，邊坡巖泥巖界面產(chǎn)生了31處高邊坡破壞。王淑英等[2]，對廣西六寨—水任公路中的炭質(zhì)泥巖的工程特性，及邊坡的變形破壞模式和穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行了分析研究,將沿線的邊坡按不同穩(wěn)定性程度分為4類,并科學(xué)合理地提出相關(guān)防護(hù)措施。本文以泥巖邊坡巖土體力學(xué)指標(biāo)為切入點(diǎn)，對泥巖邊坡工程的防護(hù)以及設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。

1泥巖邊坡巖土體力學(xué)指標(biāo)的確定方法

1.1巖土體力學(xué)指標(biāo)的確定方法

泥巖邊坡巖體力學(xué)指標(biāo)因受巖體節(jié)理裂隙，結(jié)構(gòu)面發(fā)育、易風(fēng)化崩解等多種因素的影響，合理地確定相關(guān)力學(xué)指標(biāo)是泥巖邊坡穩(wěn)定性分析和確定防護(hù)措施的關(guān)鍵，目前在工程中確定巖體力學(xué)指標(biāo)的方法主要有現(xiàn)場或室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、地方經(jīng)驗(yàn)或相關(guān)規(guī)范、反演計(jì)算3種。對于巖體邊坡穩(wěn)定性分析假設(shè)不考慮變形，一般主要考慮粘聚力和內(nèi)摩擦角2個(gè)力學(xué)參數(shù)。設(shè)邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)為Fs，F(xiàn)s=抗滑力/滑動(dòng)力，當(dāng)Fs=1時(shí)邊坡處于極限平衡狀態(tài)，F(xiàn)s>1時(shí)處于穩(wěn)定狀態(tài)，F(xiàn)s<1時(shí)處于失穩(wěn)破壞狀態(tài)。實(shí)際上，以這種“點(diǎn)狀態(tài)”去描述邊坡的穩(wěn)定性是不合理的，同時(shí)依據(jù)這種單一狀態(tài)反算求得的參數(shù)偏高。邊坡失穩(wěn)是一個(gè)累積破壞的過程，受大量不確定因素的影響，如設(shè)計(jì)參數(shù)具有隨機(jī)性和模糊性。文獻(xiàn)[3]中提到，在實(shí)際工程中，定義：穩(wěn)定系數(shù)小于0.95，邊坡破壞；穩(wěn)定系數(shù)等于0.95～0.975，邊坡處于滑動(dòng)狀態(tài)；穩(wěn)定系數(shù)等于0.975～1.0，邊坡處于蠕滑狀態(tài)。

根據(jù)瑞典條分法(簡單條分法)理論：

徑向力平衡

(1)

極限平衡條件

(2)

整體對圓心的力矩平衡

滑動(dòng)力矩=抗滑力矩，即Ms=Mr

(3)

通過對該理論分析發(fā)現(xiàn)，對于一個(gè)邊坡，抗滑力矩為內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦力產(chǎn)生的力矩之和，然而通過大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，粘聚力和內(nèi)摩擦角又沒有直接的關(guān)系。要確定極限破壞下的c′，φ′值，可通過式(4)、式(5)確定。該類方法適用于潛在滑動(dòng)面位置已確定，且滑坡體巖性單一的邊坡，對于滑坡體巖性復(fù)雜的邊坡，需綜合其他方法去分析。

(4)

(5)

式中：c，φ，F(xiàn)s為折減前的粘聚力、內(nèi)摩擦角、安全系數(shù)；c′，φ′為折減后的粘聚力、內(nèi)摩擦角。

對于泥巖高邊坡，因受風(fēng)化影響較大，即使開挖時(shí)是穩(wěn)定的，但時(shí)間長了，受風(fēng)化、構(gòu)造因素的影響，相關(guān)力學(xué)指標(biāo)不斷地折減，也可能失穩(wěn)破壞；對于永久性的工程，應(yīng)盡量減少挖方，若非坡率很緩，都需要設(shè)立防護(hù)。利用有差分程序FLAC數(shù)值計(jì)算軟件，通過不斷降低c，φ值模擬泥巖邊坡巖體力學(xué)指標(biāo)折減過程中的邊坡失穩(wěn)情況。

1.2FLAC數(shù)值模擬驗(yàn)證

利用有限差分程序FLAC建立2個(gè)模型(Model-1，Model-2)分別模擬砂泥巖互層的順層邊坡(如圖1a))和上軟下硬的泥巖邊坡(見圖1b))，每個(gè)模型分別取8次不同的c，φ值，分別計(jì)算得出8個(gè)不同的安全系數(shù)Fs，再用不同的Fs依據(jù)式(4)、(5)分別折減出8個(gè)不同的c′，φ′值，再利用FLAC分別計(jì)算得出8個(gè)Fs′,計(jì)算結(jié)果見圖2，3，4。

圖1　FLAC計(jì)算模型

圖2　模型1計(jì)算結(jié)果

圖3模型2計(jì)算結(jié)果

圖4安全系數(shù)變化曲線圖

由圖2～4可見，Model-1利用該方法得出的結(jié)果和(式(4)，(5))理論值一致，Model-2在Fs小于0.58，經(jīng)過(式(4)，(5))折減后得出的Fs′不接近1。

如圖2所示，通過對比Fs=0.37和Fs=1.01的剪切應(yīng)力云圖發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)s=0.37的邊坡剪切破壞發(fā)生在第一個(gè)泥巖軟弱層，F(xiàn)s=1.01坡剪切破壞發(fā)生在第二個(gè)泥巖軟弱層，不同的巖土體力學(xué)參數(shù)，導(dǎo)致了破壞面的位置不同。可見砂泥巖互層的順層類邊坡容易發(fā)生多層多級剪切滑動(dòng)破壞。

2泥巖邊坡分類及防護(hù)

根據(jù)泥巖的特殊工程特性，充分考慮邊坡的工程地質(zhì)條件及邊坡的設(shè)計(jì)開挖情況，結(jié)合邊坡破壞可能導(dǎo)致后果的嚴(yán)重性、破壞模式、坡形坡高、巖體結(jié)構(gòu)面、風(fēng)化程度、地下水等因素，將泥巖邊坡劃分為4類，針對各類邊坡的特點(diǎn)，提出一些切實(shí)可行、科學(xué)合理的加固防治措施。具體各類邊坡基本特征及防治措施如下。

(1)I類：穩(wěn)定邊坡。該類泥巖邊坡工程地質(zhì)條件好，無不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)、構(gòu)造，巖體以中風(fēng)化～弱風(fēng)化為主，巖體強(qiáng)度高或坡度陡，巖體呈水平層狀、陡傾層狀、反傾層狀，節(jié)理裂隙不發(fā)育。挖方邊坡穩(wěn)定，無需支擋加固處理。因泥巖暴露在自然環(huán)境中，易風(fēng)化崩解，形成新裂隙，巖體由整體變?yōu)樗缮ⅲ蓤?jiān)硬變?yōu)檐浫酰?jīng)過長時(shí)間暴露邊坡就會因?yàn)榘l(fā)生過量變形而破壞。防護(hù)的目是降低風(fēng)化速率使邊坡克服強(qiáng)度衰減和增強(qiáng)邊坡的自身穩(wěn)定性，主要防治邊坡巖體風(fēng)化、防雨水沖刷、防落石掉塊。該類防護(hù)常用方法有植被防護(hù)和工程防護(hù)2類。對于風(fēng)化程度較高、坡度較緩的邊坡，主要措施有掛網(wǎng)客土噴播綠化、土工格室植被、三維土工網(wǎng)植被防護(hù)方案。對于高陡邊坡，宜采用工程防護(hù)，主要方法有漿砌片石護(hù)面墻、掛網(wǎng)噴漿等。

(2)II類：基本穩(wěn)定。該類邊坡工程地質(zhì)條件較好，整體結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，自然坡度較陡，不會發(fā)生整體變形失穩(wěn)，主要由中風(fēng)化泥巖構(gòu)成，強(qiáng)度較高，其坡面巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，形態(tài)凹凸不平，局部有小范圍楔形體破壞、落石等現(xiàn)象發(fā)生，暴露在自然界中表層巖體隨時(shí)間變化，風(fēng)化程度越嚴(yán)重，節(jié)理裂隙不斷擴(kuò)展加深，破壞范圍不斷增大，最終可能形成崩塌等淺層破壞。該類邊坡需要進(jìn)行工程防護(hù)，主要措施有噴錨網(wǎng)防護(hù)、掛網(wǎng)噴漿防護(hù)、用漿砌片石護(hù)面墻，還可以采用工程防護(hù)與植被防護(hù)相結(jié)合的綜合防護(hù)，如菱形骨架植草護(hù)坡、方形骨架植草護(hù)坡、拱形骨架植草護(hù)坡等。

(3)III類：穩(wěn)定性差。該類邊坡工程地質(zhì)條件較差，主要表現(xiàn)為:巖體較破碎，風(fēng)化程度高，大部分由強(qiáng)風(fēng)化泥巖組成，少部分呈中風(fēng)化狀態(tài)，存在不利結(jié)構(gòu)面，邊坡接近于極限平衡狀態(tài)，如順層或含軟弱夾層邊坡、發(fā)育多組節(jié)理結(jié)構(gòu)面已貫通的邊坡，這類邊坡坡面有一定量的小裂縫，基本處于蠕滑階段，一旦開挖，坡面就會發(fā)生開裂、變形。如果防護(hù)加固措施不跟上，邊坡會局部或整體失穩(wěn)。該類邊坡應(yīng)盡量將坡率控制在1∶1～1∶1.25之間。采用工程防護(hù)，主要有擋土墻、錨桿(索)、微型樁組合結(jié)構(gòu)；綜合防護(hù)主要采用框架錨桿植草、框架錨索植草、框架錨桿與擋墻相結(jié)合等。

(4)IV類：不穩(wěn)定邊坡。該類邊坡工程水文地質(zhì)條件差，巖體結(jié)構(gòu)松散，節(jié)理裂隙非常發(fā)育，地下水豐富，邊坡整體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，這類邊坡開挖隨深度增加，邊坡會產(chǎn)生嚴(yán)重變形破壞，主要是基座式巖體結(jié)構(gòu)邊坡或由節(jié)理裂隙發(fā)育，風(fēng)化程度極嚴(yán)重的泥巖及富含地下水的邊坡，存在明顯滑坡跡象。該類邊坡可采用預(yù)應(yīng)力錨固、抗滑擋土墻、抗滑樁、微型樁組合結(jié)構(gòu)等防護(hù)措施，或采用綜合防治方法，如預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁加固、錨桿(索)擋土墻、預(yù)應(yīng)力框架錨索植草等。

3結(jié)論

(1) 泥巖高邊坡，因其特殊工程性質(zhì)，即使開挖時(shí)是穩(wěn)定的，但時(shí)間長了，受風(fēng)化、構(gòu)造等因素的影響，相關(guān)力學(xué)指標(biāo)不斷的折減，也可能失穩(wěn)破壞。

(2) 本文提出對該類邊坡在極限破壞狀態(tài)下進(jìn)行設(shè)計(jì)，先通過式(4)、(5)對其力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行折減，得到處于極限狀態(tài)的力學(xué)指標(biāo)，然后再把折減后的力學(xué)指標(biāo)利用FLAC軟件或理正巖土軟件尋找潛在破壞面的位置。

(3) 該方法適用于潛在破壞面單一，且只發(fā)生在一種性質(zhì)的巖土體內(nèi)。對于巖層性質(zhì)差異較大、潛在破壞面可能穿過多層的邊坡，可以綜合常規(guī)的逆算法。結(jié)合邊坡破壞可能導(dǎo)致后果的嚴(yán)重性、破壞模式、坡形坡高、巖體結(jié)構(gòu)面、風(fēng)化程度、地下水等因素，將泥巖邊坡劃分為4類，針對各類邊坡的特點(diǎn)，制定切實(shí)可行、經(jīng)濟(jì)合理的加固防治措施。

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收稿日期：2014-11-05

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.022