含軟弱夾層順層巖質邊坡穩定性分析及處治研究

孫 磊

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司濟南設計院，山東濟南 250022)

在具有層狀結構的巖體中開挖邊坡，當坡面和巖體的層面二者走向和傾向相近時，就形成了順層巖質邊坡。順層邊坡常見的破壞模式主要有順層滑移破壞型、滑移-拉裂破壞型、滑移-彎曲破壞型、滑劈破壞型等，這些破壞模式主要與邊坡地層巖性、巖體結構與開挖面等有關。尤其是含軟弱夾層的順層邊坡，稍有擾動就會引起滑動，是順層邊坡中最易失穩的一種類型，此類邊坡的處治也成為工程中的重點和難點。目前，許多學者對含軟弱夾層的順層邊坡進行了深入研究：如李安洪[1]對順層邊坡破壞模式進行了分類，對滑移-拉裂型破壞發生的基本條件和破壞機理進行了總結；龔文惠[2]等分析了含軟弱夾層順層邊坡結構面強度、巖層傾角、巖層厚度等敏感性因素對邊坡穩定性的影響；許寶田[3]等通過大量剪切試驗，分析軟弱夾層抗剪力-變形的線性關系，得出了軟弱夾層抗剪變形的本構模型。陳正東[4]認為應盡早采取加固措施，避免軟弱夾層受到干擾和侵蝕。上述研究成果對深入研究含軟弱夾層順層邊坡的破壞機制、成因機理和處治措施有較大的理論指導意義。

以錦赤鐵路某含軟弱夾層的順層巖質邊坡為例，結合現場調查和地質資料，對該滑坡的成因機理進行分析。

1 工程概況

錦赤鐵路起自遼寧省錦州港口站，終至內蒙古自治區赤峰市，正線全長約300 km。錦赤鐵路為國鐵Ⅰ級鐵路。線路基本呈南東-北西向展布，沿線所經地貌主要為低山、丘陵、河谷、緩坡及平原，其中K169+200～K169+900段線路以挖方通過丘陵地段，地勢右高左低，路基面寬度為7.8 m，路線中心最大挖深約為10 m，平面位置見圖1。

圖1 邊坡平面位置

原設計右側邊坡共分三級，每級高度為6 m。第一級設置M7.5漿砌片石路塹墻支擋收坡，第二、三級邊坡采用錨桿框架梁防護，邊坡坡率為1∶1，每級邊坡設置寬2 m的平臺。拉槽開挖至第二級邊坡時適逢雨季，在錨桿尚未施作的情況下，出現了明顯的分層和分段滑移，坡面和塹頂后方出現較深的裂縫，嚴重影響了后續施工的順利進行。

2 工程地質特征

K169+200～K169+900段巖質邊坡工點位于朝陽市張營子村北側丘陵地帶，自然坡度為20°～25°。地勘資料表明，坡體內地層主要由第四系殘坡積層和元古界震旦系白云灰質巖組成。地層自上至下為：碎巖土，灰黃-褐黃色，硬塑-軟塑狀，飽和-稍濕，以黏性土為主，含強風化碎石，層厚0.2～1.0 m；白云質灰巖，灰色-灰白色，中厚層狀，節理較發育，層間平直且粗糙閉合，層面表部風化較明顯，巖層產狀為N51E°∠30.5°NW，傾向線路，為順層邊坡。地下水主要為基巖裂隙水，分布不均，埋藏較深，主要靠大氣降水補給。

勘察時未發現有明顯的軟弱夾層分布，故按1∶1分級刷坡，坡腳處設置路塹墻，坡面采用光面爆破，未采取防護加固措施。從現場巖層揭露情況看，邊坡中存在2～5 mm的層狀泥質灰巖軟弱夾層(位于地面下約8.5 m處)。當邊坡開挖到此層，受施工爆破及降雨的影響，沿夾層發生了蠕動性滑移。

對開挖后的巖層進行了補充勘察，該段邊坡巖土體物理力學指標如表1所示。

表1 坡體材料參數

3 滑坡成因機理分析

該滑坡屬于開挖坡角大于巖層傾角的順層巖質邊坡，開挖后，坡底巖層被切斷形成臨空面，在雨水侵蝕和施工擾動等作用下，軟弱夾層(泥化層)軟化，物理力學性質減弱，層間摩擦阻力減小，坡體平衡狀態受到破壞，滑體沿軟弱夾層向臨空面方向滑動，并在巖層中某個節理面拉開，由下而上逐漸滑移破壞。根據巖層破壞情況判斷，該段滑坡體為滑移-拉裂破壞模式[5-9]。施工期間降雨和爆破振動是坡體破壞的主要誘導因素。

應力集中效應造成泥質夾層產生順層變形，促進了前段應力集中段的坡體持續變形，直至坡體前段首先產生滑移拉裂破壞。前段坡體破壞后，后段坡體產生臨空斷面，由此又產生新的應力集中，直至全部破壞[10]。另一方面，后緣裂縫內的靜水壓力給滑坡后部施加了一個水平推力，使得下滑力增大。因此，應盡量避開雨季施工，并提前施作防排水措施。

路塹爆破引起的振動極大地削弱了邊坡的自穩定性。爆破動力產生的層裂效應將在一定程度上降低邊坡的安全系數，使邊坡更容易出現牽引式順層滑動[11]。因此，應避免大劑量爆破方案，盡量減小爆破的影響范圍。

4 滑坡穩定性分析

4.1 計算模型的建立

對該滑坡進行極限穩定性分析。該邊坡走向與巖層走向基本一致，可將此邊坡簡化為平面問題，采用靜力平衡法進行分析，計算模型如圖2所示。

圖2 計算模型示意

滑體沿軟弱層面向臨空面方向滑動，并在巖層中某個節理面拉開，當停止開挖時，滑動到一定程度的失穩坡體就不再往上發展，故存在一個失穩橫向極限長度L[12]。滑動面以上所有巖層失穩破壞形成的后緣拉斷邊界，構成了順層滑動巖體范圍的內邊界，最底層失穩巖層底面則構成順層滑動巖體范圍的底邊界，以上邊界范圍內的滑動巖體即為該類邊坡穩定性分析及防護支擋結構設計的研究對象。順層邊坡抗滑力R與下滑力S可用式(1)、式(2)進行計算

R=(Gcosθ-Usinθ)tanφ+cL

(1)

S=Gsinθ+Ucosθ

(2)

式中：c、φ為軟弱夾層面的黏聚力和內摩擦角，θ、L為軟弱夾層的傾角和失穩橫向長度，G為滑坡體總重量，U為滑面的靜水壓力。應考慮增加一個安全系數F來確保邊坡的安全性，通常采用增大下滑力的方式實現，故剩余下滑力E可采用式(3)進行計算

E=F(Gsinθ+Ucosθ)-(Gcosθ-Usinθ)tanφ-cL

(3)

4.2 安全系數F

根據《鐵路路基設計規范》TB10001—2016的要求，一般工況下，永久性邊坡最小穩定安全系數應為1.15～1.25[13]。結合本項目的實際情況，取安全系數F=1.20。

4.3 軟弱層結構面抗剪強度參數(c、φ)

軟弱結構層抗剪強度參數的取值是含軟弱夾層順層巖質邊坡穩定性分析評價的關鍵，在滑坡力學定量分析和支護工程設計中，抗剪強度參數的微小取值差異，可能會引起下滑力計算結果的成倍變化。因此，選取恰當的方法進行取值尤為重要。目前，確定軟弱結構面參數的方法主要有土工試驗法、工程類比法和反算法。以下將通過室內試驗法對結構面參數進行估算，并結合工程類比法最終確定結構面參數。

由勘察報告可知，軟弱夾層結構面存在2～4 mm厚的泥化薄層充填物，此種結構面的抗剪強度主要由填充物的抗剪強度、結構面壁的強度、充填厚度和結構面的起伏程度決定，其中充填厚度為主要影響因素。本邊坡軟弱夾層近似為平直結構面，根據已有試驗研究[14-15]，平直結構面的抗剪強度可以近似取填充物的黏結力，摩擦角介于巖體基本摩擦角與填充物摩擦角之間，且當填充物厚度大于1 mm時，可認為結構面的摩擦角近似等于填充物的摩擦角。通過室內試驗，確定填充物抗剪強度參數為φ=18°，c=68 kPa。根據《公路邊坡防護與治理》[16]，各類軟弱夾層的抗剪強度參數按表2選取。

表2 各類軟弱結構面的抗剪強度參數一般變化范圍

綜合參考上述各方法，確定本順層邊坡軟弱夾層抗剪強度參數為：φ=18°，c=50 kPa。

4.4 巖層失穩橫向極限長度L

邊坡開挖揭露，軟弱夾層位于地面以下8.5 m處，可認為滑體后緣拉裂深度H約為8.5 m。令滑體處于極限平衡狀態，巖層沿后緣節理面拉開，反算出巖層失穩橫向極限長度L=59.5 m，與實測塹頂后方牽引裂縫長度L=58.9 m基本一致，故滑坡體計算時，后緣拉裂深度H取8.5 m，巖層失穩橫向長度L取59.5 m。

4.5 剩余下滑力計算

選取K169+500邊坡挖方高度最大處作為邊坡計算的代表性斷面，該斷面附近也是滑移較為明顯的段落。工程地質剖面如圖3所示。考慮邊坡安全系數F=1.2，滑動面水平傾角θ=22°，滑坡失穩橫向長度取L=59.5 m，拉裂后緣深度H=8.5 m，滑動面抗剪強度φ=18°，c=50 kPa，經計算，此順層邊坡的下滑力S=4 789 kN/m，抗滑力R=4 062 kN/m，故此順層邊坡的剩余下滑力為E=FS-R=1 684.8 kN/m，下滑力角度為22°。

圖3 計算斷面工程地質剖面

5 處治方案研究

本著“提前支護，強腰固腳”的治理原則，結合刷方減重和截排水等工程措施，首先對開挖坡腳進行反壓回填，封閉臨空面，清理坡面開裂巖體，減少下滑力，并夯填后緣張拉裂縫，盡早施作截水溝，防止地表水侵入坡體。考慮到抗滑樁承受下滑力的能力遠大于路肩墻，且具有抗彎、抗剪性能好，能有效減少變形等優點，采用“預加固抗滑樁+錨桿框架梁”對邊坡進行支擋防護[17-18]。

5.1 抗滑樁設計

在第一級邊坡距中心線7.45 m處設置C35抗滑樁進行預支護，樁長18 m，樁截面為2.25 m×2 m，樁間距6 m，樁間凈距4 m，懸臂段長8 m，嵌入段長10 m。樁間為C35鋼筋混凝土掛板，掛板截面為0.5 m×0.5 m。采用理正巖土抗滑樁設計模塊計算抗滑樁內力。因抗滑樁嵌入較完整巖層(白云質灰巖)，計算采用K法，白云質灰巖飽和單軸抗壓強度為20 MPa，KV取3.0×105(kN/m3)，樁底支撐為鉸接，推力分布類型為矩形，剩余下滑力按1 685 kN/m進行設計，計算結果見表3。

表3 抗滑樁計算結果

根據計算結果進行抗滑樁結構設計，抗滑樁縱筋為直徑32 mm的HRB400鋼筋，抗滑樁配筋為面側縱筋n1≥AS/as≥12 000/804.2=14.9，取16，背側縱筋n2≥AS/as≥19 204/804.2=23.9，取24。

5.2 錨桿框架梁設計

采用錨桿框架梁進行邊坡第二、三級坡面防護。錨索框架梁可以加固坡腰，同時也能有效分擔坡體部分剩余下滑力，減輕了抗滑樁負荷，提高了邊坡的安全儲備。

錨桿設置應充分考慮軟弱結構面分布及破壞模式，分散均勻布設，并且要穿過軟弱層面一定深度。框架錨桿間距設為3.6 m，菱形布置，每級邊坡布置3排錨桿，錨桿采用直徑32 mm的HRB400螺紋鋼筋制作，與水平面夾角25°(下傾)。注漿材料選用M30水泥砂漿，注漿壓力不小于0.4 MPa。設定錨桿張拉力為800 kN，并考慮穿越軟弱層面，確定錨桿錨固段長度為12 m。在各級框架梁之間植草皮，既可以防止坡面沖刷，又可以美化環境。邊坡防護立面布置見圖4，邊坡防護橫斷面見圖5。

圖4 邊坡防護立面布置(單位：m)

圖5 邊坡防護橫斷面(單位：m)

5.3 滑坡治理效果

在坡體開挖時，抗滑樁封閉了順層巖體的臨空面，錨索框架梁起到了加固邊坡的作用，增加了坡體的自穩能力，有效地防止了地表水滲入滑動帶，使滑動帶強度參數不會進一步降低。采用以上治理措施后，雖然施工期間歷經了幾次強降雨天氣，坡面均未出現大的變形。地表位移監測數據表明，邊坡變形已基本被控制，邊坡一直處于穩定狀態。

6 結論

(1)順層巖質邊坡存在軟弱夾層時，人工開挖產生臨空面，極易發生滑移破壞。對滑坡成因的機理分析表明，軟弱結構面和開挖臨空面為巖層滑動提供了內部條件，而施工期間降雨和爆破振動則是邊坡滑動的誘導因素。

(2)對此類順層邊坡建立力學模型并進行穩定性分析，通過室內試驗結合工程類比法確定了軟弱夾層結構面參數，通過極限平衡狀態法反算出失穩橫向極限長度。經過力學計算，得出該邊坡的剩余下滑力為1 684.8 kN/m。

(3)針對此類順層邊坡的破壞形式，本著“提前支護，強腰固腳”的治理原則，提出反壓回填、刷方減重、夯填裂縫，設置預加固樁和錨桿框架梁的綜合處治方案。采用定量分析法，得出抗滑樁的布置形式為：截面尺寸2.25 m×2 m、樁長18 m、樁間距6 m；錨桿框架梁布置形式為：錨桿間距3.6 m，菱形布置。