某巖溶泥槽邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及處治方案研究

朱賢鋼

(中鐵交通投資集團(tuán)有限公司 南寧 530200)

1 工程地質(zhì)概況

貴州地區(qū)多碳酸鹽巖，巖溶地貌十分發(fā)育，因此，施工過(guò)程對(duì)巖溶地質(zhì)災(zāi)害的處治十分具有代表性和實(shí)用性。貴陽(yáng)某市政工程路基邊坡開(kāi)挖后，邊坡中部一段發(fā)育較深溶槽，長(zhǎng)約80 m，內(nèi)部充填黏土夾碎石。為保證路基邊坡坡面整體一致，該段巖溶泥槽邊坡由上到下按1∶0.75→1∶0.5→1∶0.5坡率由上到下分3級(jí)開(kāi)挖，坡高約27.75 m。

泥槽周圍巖體受構(gòu)造影響產(chǎn)狀局部變化較大，巖體破碎，穩(wěn)定性較差，易發(fā)生滑塌[1]。該邊坡覆蓋層主要為素填土，局部有紅黏土，下伏基巖為三疊系下統(tǒng)安順組(T1a)泥質(zhì)白云巖，局部含灰?guī)r，薄至中厚層狀結(jié)構(gòu)，層間含黃色、紫紅色泥質(zhì)條帶，主要產(chǎn)狀為230°∠15°。覆蓋層1.1～5.0 m，強(qiáng)風(fēng)化層厚0.9～4.1 m，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，節(jié)理面泥質(zhì)充填發(fā)育；中風(fēng)化層巖體較破碎～較完整。按GB 50330-2013 《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》[2]要求，該邊坡為永久性支護(hù)，安全等級(jí)為一級(jí)，地區(qū)地震基本烈度為VI度，無(wú)需考慮地震工況。

2 邊坡開(kāi)挖穩(wěn)定性模擬分析

假定邊坡巖體應(yīng)力、應(yīng)變之間的本構(gòu)關(guān)系為彈塑性，巖土體的破壞服從摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則。即巖(土)體中任意一點(diǎn)在某一平面上的剪應(yīng)力達(dá)到巖(土)體的抗剪強(qiáng)度即發(fā)生剪切塑性破壞。采用有限元軟件GeoStudio中的巖土應(yīng)力-應(yīng)變分析模塊(SIGMA/W)模擬該邊坡開(kāi)挖后穩(wěn)定性和支護(hù)方案的效果[3-4]，從而為開(kāi)挖和支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。該邊坡模型共劃分了3個(gè)面域，包括2 224個(gè)節(jié)點(diǎn)和2 164個(gè)單元。邊坡模型下邊界固定，不允許模型水平豎向移動(dòng)；左右邊界水平向固定，允許模型豎向移動(dòng)；坡面為自由邊界，允許模型水平豎向移動(dòng)。巖土物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)表

注：黏土夾碎石一欄括號(hào)內(nèi)的值為飽和狀態(tài)下的物理力學(xué)參數(shù)。

開(kāi)挖后邊坡位移圖見(jiàn)圖1，開(kāi)挖后邊坡最小主應(yīng)力-塑性屈服區(qū)圖見(jiàn)圖2。由圖1、圖2可見(jiàn)，開(kāi)挖后邊坡坡腳第一級(jí)坡位移最大，最大值達(dá)到14.8 cm，整體位移較大；最小主應(yīng)力基本為正值，說(shuō)明整體呈受壓狀態(tài)，泥槽后緣黏土夾碎石層出現(xiàn)負(fù)值，最大值為-52.5 kPa，即出現(xiàn)受拉破壞；泥槽與強(qiáng)風(fēng)化巖層分界處應(yīng)力曲線分布密集，出現(xiàn)應(yīng)力明顯集中現(xiàn)象，塑性屈服破壞沿此界限由上向下開(kāi)展，塑性屈服區(qū)(圖3中陰影部分，下同)厚度達(dá)5～15 m，坡腳也出現(xiàn)局部塑性屈服現(xiàn)象，即出現(xiàn)受剪破壞。該段泥槽邊坡整體呈圓弧破壞趨勢(shì)[5]，潛在滑面為泥槽與強(qiáng)風(fēng)化巖層分界面，剪出口位于第一級(jí)坡腳。按簡(jiǎn)化Bishop圓弧滑動(dòng)法計(jì)算，邊坡開(kāi)挖后坡飽和工況下穩(wěn)定系數(shù)為1.002，天然工況下穩(wěn)定系數(shù)為1.126，故該邊坡開(kāi)挖后基本穩(wěn)定，但不滿足規(guī)范大于1.35的要求。

圖1 開(kāi)挖后邊坡位移圖(位移單位：m)

圖2 開(kāi)挖后邊坡最小主應(yīng)力-塑性屈服區(qū)圖(應(yīng)力單位：kPa)

3 支護(hù)方案模擬結(jié)果分析

根據(jù)GB 50330-2013 《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》要求，取安全系數(shù)1.35，計(jì)算飽和工況及天然工況下剩余下滑力最大值Fmax=379.6 kN/m。考慮到剩余下滑力不大及保證坡面整體一致，在第一、二級(jí)坡設(shè)計(jì)采用6排格構(gòu)錨索[6]主動(dòng)加固，抵抗全部剩余下滑力。錨固段長(zhǎng)8 m，自由段應(yīng)至中風(fēng)化巖層以下1.5 m以上，設(shè)計(jì)張拉力500 kN。為防止坡頂出現(xiàn)淺層碎落及局部滑移失穩(wěn)，在第三級(jí)坡設(shè)置格構(gòu)錨桿防護(hù)坡面，錨桿長(zhǎng)9 m，錨至巖層。由于泥槽中黏土夾碎石較為破碎，錨索格構(gòu)梁空隙較大，松散巖土體可能從格構(gòu)梁中外落，故開(kāi)挖后先采用掛網(wǎng)噴射混凝土封閉坡面，再采用格構(gòu)錨索、錨桿加固。在建立模型中，錨桿采用梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬，錨索自由段采用桿單元，錨固段采用梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬。

表2 錨索(桿)物理力學(xué)參數(shù)表

對(duì)此加固方案進(jìn)行分析，支護(hù)后邊坡開(kāi)挖位移圖見(jiàn)圖3，支護(hù)后邊坡最小主應(yīng)力-塑性屈服區(qū)圖見(jiàn)圖4。

圖3 支護(hù)后邊坡開(kāi)挖位移圖(位移單位：m)

圖4 支護(hù)后邊坡最小主應(yīng)力-塑性屈服區(qū)圖(應(yīng)力單位：kPa)

由圖3、圖4可見(jiàn)，邊坡位移明顯減小，坡腳位移最大值減小為6.2 cm，邊坡中部基本小于4 cm，變形得到有效控制；邊坡泥槽后緣拉應(yīng)力區(qū)基本消失，邊坡整體呈受壓狀態(tài)，受力條件得到顯著改善；泥槽與強(qiáng)風(fēng)化巖層分界處的塑性屈服區(qū)基本消失，坡腳處的則明顯縮小，邊坡整體處在彈性狀態(tài)下。計(jì)算支護(hù)后邊坡的安全系數(shù)為1.713，滿足規(guī)范安全儲(chǔ)備要求。

4 支護(hù)完成后邊坡監(jiān)測(cè)成果分析

先采用掛網(wǎng)噴射混凝土封閉坡面，再采用格構(gòu)錨索、錨桿加固，約20 d完成施工，支護(hù)完成后邊坡現(xiàn)場(chǎng)照片見(jiàn)圖5。為驗(yàn)證防護(hù)效果，從邊坡開(kāi)始防護(hù)到結(jié)束較長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)共布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)6個(gè)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)每天進(jìn)行3次監(jiān)測(cè)。選取坡腳第一級(jí)、中部第二級(jí)、坡頂?shù)谌?jí)坡各1處具有代表性監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，支護(hù)完成后邊坡水平位移監(jiān)測(cè)圖見(jiàn)圖6。從圖6整體來(lái)看，邊坡變形穩(wěn)定后，邊坡下部第一級(jí)坡位移最大，最大值約44 mm，中部第二級(jí)坡位移約為16 mm，坡頂?shù)谌?jí)坡位移約為19 mm。邊坡變形總體與分析結(jié)果趨勢(shì)較為一致，位移總量相近。從第22 d施工完成后來(lái)看，第一級(jí)坡位移增大約9 mm，第二級(jí)坡位移增約4 mm，第三級(jí)坡位移增約5 mm。監(jiān)測(cè)結(jié)果滿足規(guī)范的要求，表明該處治方案作用效果良好。采用生態(tài)袋植草綠化1年后，植被生長(zhǎng)旺盛，綠化景觀較好。

圖5 支護(hù)完成后邊坡現(xiàn)場(chǎng)照片

圖6 支護(hù)完成后邊坡水平位移監(jiān)測(cè)圖

5 結(jié)論

1) 模擬顯示開(kāi)挖后邊坡下部第一級(jí)坡位移最大，最大值達(dá)到14.8 cm；泥槽與強(qiáng)風(fēng)化巖層分界處應(yīng)力集中，出現(xiàn)塑性破壞；邊坡整體呈受壓狀態(tài)，泥槽后緣黏土夾碎石層出現(xiàn)受拉破壞。泥槽巖體為結(jié)構(gòu)松散，整體呈圓弧破壞趨勢(shì)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)最小值為1.126，基本穩(wěn)定，但安全儲(chǔ)備不足。

2) 采用格構(gòu)錨索處治加固后，模擬顯示邊坡變形得到了有效控制，邊坡泥槽后緣拉應(yīng)力區(qū)基本消失，邊坡整體呈受壓狀態(tài)，受力條件得到顯著改善，邊坡安全系數(shù)提高到1.713，滿足安全儲(chǔ)備要求。

3) 根據(jù)支護(hù)后邊坡監(jiān)測(cè)成果，邊坡變形總體與分析結(jié)果趨勢(shì)較為一致，位移總量相近。施工完成后邊坡位移增量滿足規(guī)范要求，表明該支護(hù)方案作用效果良好。