巖層邊坡穩(wěn)定性分析方法的探討

胡開智

(黑龍江省嫩江高等級(jí)公路管理處，黑龍江 黑河 161400)

巖層邊坡穩(wěn)定性分析方法的探討

胡開智

(黑龍江省嫩江高等級(jí)公路管理處，黑龍江 黑河 161400)

邊坡失穩(wěn)是公路工程建設(shè)中經(jīng)常遇到的重要問題之一。隨著近年來高速公路走進(jìn)山區(qū)，巖石邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象屢出不鮮，給工程建設(shè)帶來了嚴(yán)重危害，給人民生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失。在公路工程設(shè)計(jì)過程中，由于客觀原因無法全面了解巖體的內(nèi)部構(gòu)造，在基礎(chǔ)資料有限的前提下，如何恰當(dāng)?shù)貙?duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析是個(gè)急待研究的課題。

巖石邊坡；穩(wěn)定性；形成原因；分析方法

1 巖石邊坡破壞的類型及形成的原因

1.1 邊坡失穩(wěn)的外部因素

(1)邊坡開挖或超挖，改變了邊坡形態(tài)，破壞了原巖體的力學(xué)平衡條件，而又未能及時(shí)加固補(bǔ)強(qiáng)。

(2)人類活動(dòng)的影響，包括施工用水、動(dòng)荷載、爆破擾動(dòng)等。

(3)施工過程中，臨時(shí)荷載增大。

(4)自然因素影響，如地震、強(qiáng)降雨等。

1.2 邊坡失穩(wěn)的主要內(nèi)因

(1)在一定深度范圍內(nèi)存在軟弱結(jié)構(gòu)面。結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)較小，當(dāng)?shù)撞块_挖時(shí)支撐力減少，加之地下水的作用降低了滑動(dòng)面的抗剪強(qiáng)度，因而造成邊坡失穩(wěn)。

(2)開挖過程中由于應(yīng)力重分布使邊坡巖體產(chǎn)生塑性變形。研究邊坡失穩(wěn)因素旨在通過必要的設(shè)計(jì)、施工手段對(duì)邊坡失穩(wěn)加以預(yù)防，確保工程施工和運(yùn)營安全。而準(zhǔn)確的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果、正確的設(shè)計(jì)方法是減少失穩(wěn)誘因的關(guān)鍵所在。

2 邊坡穩(wěn)定性分析方法

2.1 工程地質(zhì)法

該法實(shí)際上是一種經(jīng)驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)沿線的工程地質(zhì)條件、巖體特點(diǎn)(結(jié)構(gòu)、產(chǎn)狀及巖性等)，進(jìn)行綜合調(diào)查，根據(jù)工程需求并參照當(dāng)?shù)匾延欣下愤吰聽顩r確定邊坡率。

就巖層層面與路基邊坡面兩者間的走向關(guān)系，有逆向坡、橫向坡和順向坡之分。一般條件下，逆向坡有利于邊坡的穩(wěn)定，但還應(yīng)結(jié)合其他地質(zhì)條件如：邊坡高度、巖石破碎程度等加以分析。順向坡時(shí)一般對(duì)邊坡的穩(wěn)定性不利，但當(dāng)巖層傾角ω<15°以及ω>50°時(shí)邊坡亦基本屬于穩(wěn)定，當(dāng)15°<ω<50°時(shí)邊坡不穩(wěn)定。橫向坡的情況較為復(fù)雜，其邊坡穩(wěn)定性一般介于上述兩者之間，視巖層與邊坡走向的交角θ，邊坡角α以及巖層傾角ω的三角關(guān)系而定。一般情況θ>50°時(shí)，邊坡穩(wěn)定；θ<50°時(shí)，視巖層傾角而定，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式：ω0=2.3(θ/10-0.35)-ω，由已知θ值解得ω0與實(shí)地ω值比較，如果ω<ω0表示邊坡穩(wěn)定，該邊坡不穩(wěn)定(ω=15°～50°)，或邊坡有條件穩(wěn)定(ω>50°)。

2.2 力學(xué)分析法

從簡化計(jì)算、便于操作的角度出發(fā)，一般認(rèn)為邊坡失穩(wěn)時(shí)巖體沿一斜面下滑，而對(duì)于層狀構(gòu)造的邊坡巖體，這個(gè)滑動(dòng)面的角度就是其巖層傾角。從而可以建立一個(gè)簡單的力學(xué)模型，利用極限平衡原理進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析。

順向坡時(shí)，如果邊坡角α大于巖層傾角ω，部分巖體在自重及可能存在的裂隙水的作用下，沿層面滑動(dòng)，此時(shí)滑動(dòng)體的重力為

Q=0.5.γ.L.h. sin(α-ω)/sinα

代入靜力平衡方程

K=Q.cosω.tanψ+cL/(sinQ.ω)

得到某一邊坡高度時(shí)滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)K值。對(duì)于高速公路，一般K≥1.35時(shí)認(rèn)為邊坡穩(wěn)定。

實(shí)際工程中，單一順向坡并不多見，多數(shù)情況下為橫向坡，而且?guī)r層往往具有兩組或多組結(jié)構(gòu)面。圖1所示為兩組結(jié)構(gòu)面ΔABD和ΔBCD的滑動(dòng)巖體，成半角錐體，其中巖層(主結(jié)構(gòu)面)走向AB與邊坡面的交角為θ，滑動(dòng)巖體在重力作用下產(chǎn)生新的斷裂面與層面交接線BD之傾角ω，同時(shí)坡角α方向一致。

圖中BD=H/sinωCD=H/sinα由ΔBCD按正弦定律及ΔABC正切關(guān)系得

AB=H.sin(α-ω)/CD=H/(sinα.sinω.tanθ)

ΔABD面積F1=BD.AB/2

ΔBCD面積F2=H.BC/2

滑動(dòng)巖體的錐形高度

Hz=CD.sin(α-ω)

滑動(dòng)巖體的重力及其分布

Q=F1.Hz.γ/3

N=Q.cosω

T=Q.sinω

極限平衡狀態(tài)下，抗滑力與滑動(dòng)力相等，即：T=N.tanψ+F1.c1+F2.c2

式中：c1、c2為相應(yīng)結(jié)構(gòu)面的粘結(jié)力；ψ為其內(nèi)摩擦角。

將相關(guān)數(shù)值代入，整理后得

H=3.sinα. (c1+c2.sinω.tanθ)/γ.cosω(tanω- tanψ).sin(α-ω)

由上式可知：當(dāng)ω趨近于ψ或是趨近于90°時(shí)，H趨向于無窮大；c、ψ及增大，H隨之增大，H隨之增大；α=ω時(shí)，上圖H為無窮大，邊坡最穩(wěn)定。

圖1 兩組結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)圖

力學(xué)分析結(jié)論雖然較為可信，但其準(zhǔn)確性依賴于計(jì)算過程中各項(xiàng)巖土力學(xué)參數(shù)的選用。譬如軟弱結(jié)構(gòu)面上的c值，在很大程度上左右著計(jì)算結(jié)果。因而，在邊坡穩(wěn)定性分析的過程中，無論采用什么方法，準(zhǔn)確的地質(zhì)勘探資料十分重要。

3 保持邊坡穩(wěn)定的措施

(1)改變邊坡幾何形態(tài)。對(duì)于巖石質(zhì)邊坡通常采用在邊坡的上半部分開始邊坡坡度逐步放緩，或是從邊坡上部到下部從上到下逐漸放緩邊坡坡度。為了方便施工，要求控制邊坡的變化點(diǎn)，越少越好，要在設(shè)計(jì)上合理布局，盡量減少邊坡受雨水沖刷，從而保持邊坡的穩(wěn)定性，防止邊坡失穩(wěn)。

(2)邊坡排水。為了防止水不能及時(shí)排除而對(duì)邊坡產(chǎn)生滲透、加重邊坡的重量、土體強(qiáng)度低、有效的阻止水對(duì)邊坡的沖刷，要對(duì)邊坡的地表水，地面水進(jìn)行排除。在坡體四周修建環(huán)形排水溝，有支撐滲溝、邊坡滲溝、暗溝、平孔等。

(3)支擋結(jié)構(gòu)及內(nèi)部加強(qiáng)的措施綜合運(yùn)用。在邊坡腳處設(shè)置支擋結(jié)構(gòu)物以保護(hù)邊坡穩(wěn)定。采用加筋擋土墻、重力式擋土墻、錨桿擋土墻等。支擋結(jié)構(gòu)物的尺寸和位置應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，嚴(yán)禁擅自減小結(jié)構(gòu)尺寸、減短抗滑樁樁長、減短錨索長度等。

(4)改變邊坡工程基底的狀況。對(duì)邊坡基底的強(qiáng)度進(jìn)行加強(qiáng)，對(duì)邊坡滑動(dòng)面的摩擦力要進(jìn)行加強(qiáng)或增強(qiáng)邊坡的抗滑阻力，如對(duì)表層的松軟土進(jìn)行清理，邊坡的設(shè)置最好處于土質(zhì)良好的堅(jiān)實(shí)的硬土層上。

(5)植物防護(hù)。對(duì)于土質(zhì)邊坡來說，植物防護(hù)是最便捷的防護(hù)方法。可以在邊坡上種植草或鋪草坪等。植物防護(hù)既可以對(duì)環(huán)境進(jìn)行美化，又可以有效的防止邊坡失穩(wěn)。

4 結(jié) 語

基于巖土工程本身復(fù)雜的特點(diǎn)，目前還沒有很精確的邊坡穩(wěn)定性分析理論。本文所提出的方法的出發(fā)點(diǎn)是，在公路設(shè)計(jì)過程中基礎(chǔ)資料有限、巖石邊坡出現(xiàn)頻繁且?guī)r層結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單的情況下，如何利用簡易的手段對(duì)巖體穩(wěn)定進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，以便能夠較接近地估計(jì)實(shí)際工程量以及對(duì)施工和運(yùn)營中可能發(fā)生的事故進(jìn)行有效的前瞻并提出適當(dāng)防治措施。

[1] 石豫川,馮文凱,馮學(xué)鋼,等.國道108線某段緩傾角順層邊坡變形破壞機(jī)制物理模擬研究[J].成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003，(4).

[2] 欒茂田,武亞軍,年廷凱.強(qiáng)度折減有限元法中邊坡失穩(wěn)的塑性區(qū)判據(jù)及其應(yīng)用[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2003，(3).

[3] 高永利，張振文，代鳳紅，等.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的井泉滑坡穩(wěn)定性[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，(S2).

Discussion on analysis method of rock stratum side slope stabilit

HU Kai-zhi

(Heilongjiang Nenjiang High-grade Highway Management Office,Heihe,Heilongjiang 161400,China)

Side slope instability is an important problem of road construction. With more and more highway come into the mountain area, the phenomenon of rock stratum side slope instability exists frequently, which brings serious harm to construction and people’s life and property. In the process of road design, the internal structure of rock stratum can’t be changed for some objective causes. So how to correctly analyze the stability of side slope should be researched immediately based on the limited basic data.

rock stratum side slope; stability; formation cause; analysis method

2015-08-19

胡開智(1975-)，男，高級(jí)工程師，研究方向：道路與橋梁工程。

U417

C

1008-3383(2016)02-0012-02