降雨滲流及干濕循環(huán)作用下紅砂巖順層邊坡穩(wěn)定性分析

呂奧云

（四川江源工程咨詢有限公司， 四川 成都 610000）

1 順層滑移破壞演變過程分析

在自然條件下，邊坡會(huì)受到地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和外部影響因素的共同作用，坡體內(nèi)應(yīng)力場實(shí)行優(yōu)化調(diào)整和重新分布，直至內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。在人類活動(dòng)影響作用下，坡體內(nèi)應(yīng)力場會(huì)重新進(jìn)行分布，此時(shí)就會(huì)導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)和破壞影響。對(duì)于順層巖質(zhì)邊坡來說，其最常見的破壞表現(xiàn)為順層滑移破壞。對(duì)于存在緩傾和中傾的順層巖質(zhì)邊坡來說，在開挖期間容易受到臨空面情況，降低抗滑力。再加上受到開挖載荷，爆破，地震和雨水滲透等影響作用，會(huì)導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)參數(shù)出現(xiàn)惡化問題，持續(xù)降低抗滑力，還會(huì)增加下滑力。若抗滑力降低至一定范圍之后，將無法確保順層邊坡穩(wěn)定性。此時(shí)就會(huì)導(dǎo)致邊坡沿著軟弱滑動(dòng)面剪除，從而發(fā)生順層滑移問題。

2 干濕循環(huán)作用下紅砂巖結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

對(duì)于暴露在外的邊坡來說，由于會(huì)受到降雨滲流及干濕循環(huán)作用而降低巖體和結(jié)構(gòu)面，進(jìn)一步降低順層邊坡穩(wěn)定性。順層邊坡主要受到巖體滲透阻力，壁面拖拽力，軟弱滑帶揚(yáng)壓力和靜水壓力，且邊坡所受水力作用與充水高度為正比關(guān)系。按照相關(guān)研究能夠看出，結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度會(huì)直接影響順層邊坡穩(wěn)定性，所以需要充分考慮結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度衰減問題，并以此對(duì)順層邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。在此次研究中主要是利用結(jié)構(gòu)面試件，并且通過浸水烘干實(shí)驗(yàn)對(duì)干濕循環(huán)過程進(jìn)行模擬，以此作為結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)依據(jù)。

2.1 制備試件

為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，需要優(yōu)先選擇差異比較小的結(jié)構(gòu)面，并且注重試件尺寸選擇。若尺寸比較小將會(huì)加大試驗(yàn)結(jié)果的離散性。根據(jù)剪切盒尺寸的相關(guān)要求，將試件尺寸確定為長寬為30cm，高為20cm。在制作試件時(shí)需要利用木模實(shí)現(xiàn)，將砂漿涂抹在試件內(nèi)部，并且按照剪切方向?qū)⒕哂薪Y(jié)構(gòu)面的巖塊置于木模砂漿中，并且預(yù)留一半以上砂漿。之后將鋸末鋪設(shè)在木模四周，厚度控制在0.5cm，這樣能夠?qū)羟忻孢M(jìn)行控制。完成上述操作之后需要對(duì)上部砂漿進(jìn)行抹平處理，待用。

將完成養(yǎng)生的試件浸泡在水中，確保水沒過試件頂部，浸泡24小時(shí)之后需要取出試件，并且將表面水漬擦拭干凈，放置在 100攝氏度烘箱內(nèi)進(jìn)行烘干處理。根據(jù)上述方法對(duì)干濕循環(huán)進(jìn)行模擬。

2.2 分析試驗(yàn)結(jié)果

應(yīng)用直剪儀對(duì)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行剪切試驗(yàn)，在試驗(yàn)時(shí)將豎向壓力選取在10kN，30kN和50kN，之后按照實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角和粘聚力進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表1：

表1 結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角和粘聚力數(shù)值

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，會(huì)相應(yīng)降低結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角和粘聚力，并且前期降低速度比較快，后期降低速度比較慢。其次，相比于內(nèi)摩擦角來說，干濕循環(huán)對(duì)粘聚力的影響比較大，在干濕循環(huán)20次之后，內(nèi)摩擦角下降22.3%，粘聚力下降71.6%。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，內(nèi)摩擦角呈二次函數(shù)衰減，粘聚力呈冪指數(shù)衰減。

3 降雨滲流及干濕循環(huán)作用下順層邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

選取一定長度邊坡作為研究對(duì)象，在最差狀態(tài)下順層邊坡穩(wěn)定性系數(shù)如公式所示：在上式中，c表示粘聚力，φ表示內(nèi)摩擦角；G表示重力，α表示巖層傾角；L表示滑面長度。

將巖層傾角數(shù)值選取在30°，在飽水狀態(tài)下，巖體重度為24.6kN/m3；在自然狀態(tài)下，巖體重度為23.7kN/m3，滑面長度數(shù)值為15m，厚度為2.4m。裂隙寬度為 3cm，對(duì)降雨滲流及干濕循環(huán)作用下紅砂巖順層邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表 2所示：按照邊坡安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果能夠看出，隨著干濕循環(huán)次數(shù)和充水高度的增加，順層邊坡穩(wěn)定性系數(shù)均會(huì)發(fā)生變化，并呈現(xiàn)出逐漸衰減趨勢。

表2 邊坡安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

結(jié)果可知，隨著干濕循環(huán)次數(shù)和充水高度的增加，順層邊坡穩(wěn)定性系數(shù)均呈現(xiàn)出下降趨勢。在循環(huán)次數(shù)為20次，充水高度在2m時(shí)，順層邊坡穩(wěn)定性系數(shù)在1.01。相比于單一影響因素作用下，順層邊坡穩(wěn)定性系數(shù)從下降幅度比較低。其次，隨著干濕循環(huán)次數(shù)指數(shù)和充水高度衰減，順層邊坡穩(wěn)定性系數(shù)呈現(xiàn)出線性衰減趨勢。最后，相比于充水高度影響因素來說，干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)于順層邊坡穩(wěn)定性的影響比較大。

4 工程實(shí)例分析

此次工程主要是為某省高速公路，選取一段范圍內(nèi)邊坡進(jìn)行研究。此處邊坡最大開挖高度在 39m，地質(zhì)勘察報(bào)告顯示邊坡自上而下依次為耕植土、塊石和砂巖。按照室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場勘察的邊坡力學(xué)參數(shù)可知，在自然狀態(tài)下，順層邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為2.23，具有良好的穩(wěn)定性能。由于存在降雨滲流和干濕循環(huán)影響作用，順層邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為0.74，處于失穩(wěn)狀態(tài)。

為了有效驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果，工程隊(duì)對(duì)施工段邊坡實(shí)行穩(wěn)定性監(jiān)測。此段邊坡于2013年8月施工，至2014年2月竣工。在竣工兩個(gè)月后遭遇暴雨，在雨水過后邊坡出現(xiàn)嚴(yán)重失穩(wěn)問題。通過順層邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測結(jié)果能夠?qū)碚摲治鼋Y(jié)果的合理性進(jìn)行驗(yàn)證。

5 結(jié)束語

綜上所述，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，會(huì)相應(yīng)降低結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角和粘聚力，并且前期降低速度比較快，后期降低速度比較慢。其次，相比于內(nèi)摩擦角來說，干濕循環(huán)對(duì)粘聚力的影響比較大。隨著干濕循環(huán)次數(shù)指數(shù)和充水高度衰減，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)呈現(xiàn)出線性衰減趨勢。相比于充水高度影響因素來說，干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)于邊坡穩(wěn)定性的影響比較大。