全強(qiáng)風(fēng)化邊坡破壞機(jī)理及加固措施研究

宋桂鋒，茶增云，王慶龍，喬文號 ，梁棟才

(1. 云南小磨高速公路改擴(kuò)建工程建設(shè)指揮部，云南 景洪 666100；2. 云南省交通投資建設(shè)集團(tuán)有限公司，云南 昆明650028；3. 中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國家重點試驗室，湖北 武漢 430071；4. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100000)

熱帶雨林地區(qū)獨特的自然地理條件使得該區(qū)氣候影響帶深度較大，風(fēng)化作用突出。全強(qiáng)風(fēng)化巖質(zhì)邊坡的變形破壞機(jī)制相對特殊，破壞具有明顯的牽引特征。若處治不當(dāng)，給交通工程安全會帶來極大的影響。因此，亟需研究雨林區(qū)全強(qiáng)風(fēng)化巖質(zhì)邊坡變形的破壞機(jī)制和工程處置技術(shù)。

目前，針對全強(qiáng)風(fēng)化巖質(zhì)邊坡的研究集中于2個方面：①穩(wěn)定性演化機(jī)理和破壞模式[1-8]；②不同的設(shè)計方法和加固防治措施[9-13]。這些研究在一定程度上保證了相關(guān)工程的順利實施，但沒有充分考慮邊坡的地理要素、地質(zhì)成因及主動與被動加固差異特征。

作者擬依托小磨高速公路建設(shè)中遇到的典型熱帶雨林區(qū)全強(qiáng)風(fēng)化巖質(zhì)邊坡，利用地質(zhì)力學(xué)方法，定性分析該類邊坡的物理力學(xué)機(jī)制。根據(jù)初始地形和改變地形邊坡的數(shù)值仿真試驗，揭示其變形破壞機(jī)理。基于安全和經(jīng)濟(jì)原則，對比主動和被動加固措施的優(yōu)、缺點，為雨林區(qū)類似工程的安全控制提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

1.1 工程簡介

昆磨高速公路小勐養(yǎng)至磨憨段(簡稱為小磨高速公路)位于云南省西雙版納州景洪市勐臘縣境內(nèi)，屬于熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，平均年降雨量為1 555.1 mm，雨季(5～10 月)降雨量為1 309.9 mm，占年降雨量的84.23%。強(qiáng)烈的風(fēng)化作用造成全強(qiáng)風(fēng)化層厚度較大，開挖路段邊坡問題突出。K110+410 邊坡位于小磨高速線路右側(cè)，深挖方長度約115 m，中線最大挖深約14.24 m，形成邊坡的最大高度約48.6 m，坡表為薄層第四系殘坡積粉質(zhì)黏土層，下部為厚度較大的全強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，再往下為中微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖如圖1 所示。

1.2 全強(qiáng)風(fēng)化巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的定性分析

K110+410 路段邊坡在下部臺階開挖過程中出現(xiàn)弧形變形裂縫，相關(guān)單位組織專家對其進(jìn)行調(diào)研后，提出了工程處理建議，本課題組也對其進(jìn)行了現(xiàn)場踏勘，邊坡概貌如圖2 所示。

圖1 小磨高速公路K110+410 路段典型全強(qiáng)風(fēng)化巖質(zhì)邊坡Fig.1 Typical fully strong weathered rock slope of K110+410 section of Xiaomao Expressway

圖2 破壞邊坡工程地質(zhì)調(diào)查Fig.2 Slope engineering geological survey

在自然條件下，斜坡處于穩(wěn)定或略高于平衡狀態(tài)，坡腳通常是這些自然斜坡的重要阻滑段，坡腳開挖的工程擾動使得斜坡臨空高度增加、抗滑力減小，導(dǎo)致切坡后的斜坡產(chǎn)生變形。巖體裂隙擴(kuò)張、結(jié)構(gòu)發(fā)生變化使得強(qiáng)度發(fā)生弱化，并且裂縫的擴(kuò)展也使得降雨對邊坡穩(wěn)定性更為不利。

強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖孔隙發(fā)育，富水性強(qiáng)；強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖孔隙性較差，具相對隔水性。上部強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖中的地下水在強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖頂部富集，導(dǎo)致強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖遇水強(qiáng)度急劇變低，造成滑體滑動。滑動面多位于強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖與強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖的不整合接觸面位置。所以公路路塹的坡腳開挖是全強(qiáng)風(fēng)化巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)的主要誘發(fā)因素，而開挖后降雨尤其是強(qiáng)降雨的作用，加劇了邊坡的變形破壞。

2 全強(qiáng)風(fēng)化巖質(zhì)邊坡的破壞機(jī)理

2.1 數(shù)值模型、計算參數(shù)和模擬工況

利用Phase2D 軟件，考慮設(shè)計開挖條件下邊坡穩(wěn)定性的變形破壞機(jī)理，采用強(qiáng)度折減法，得到不同開挖步的安全系數(shù)。

利用Geostudio2007 軟件的SEEP/W 模塊，在考慮西雙版納地區(qū)歷史降雨資料的基礎(chǔ)上，設(shè)計了累積降雨量為100 mm/(1 d)，100 mm/(10 h)和100 mm/(5 h)3 種降雨強(qiáng)度和歷時工況。采用非飽和非穩(wěn)定滲流方法，計算了降雨對K110+410 初始和開挖改變地形過程中全強(qiáng)風(fēng)化巖質(zhì)邊坡的滲流場變化情況。再將滲流場導(dǎo)入SLOPE/W 模塊，通過計算，找到流固耦合條件下的邊坡穩(wěn)定性演化規(guī)律。

計算所用巖土力學(xué)參數(shù)見表1。有限元數(shù)值計算工況如圖3 所示。

表1 邊坡不同階段巖體力學(xué)性質(zhì)Table 1 Mechanical properties of rock mass at different stages of slope

2.2 考慮工程擾動影響的全強(qiáng)風(fēng)化巖質(zhì)邊坡變形破壞機(jī)理

K110+410 邊坡開挖分5 步進(jìn)行，開挖過程中邊坡安全系數(shù)演化曲線如圖4 所示。不同開挖步對應(yīng)的剪應(yīng)變增量云圖如圖5 所示。該破壞模式在工程區(qū)具有一定的代表性，利用剪應(yīng)變增量云圖，揭示了開挖對邊坡變形破壞的影響機(jī)制。

圖3 有限元數(shù)值計算工況Fig.3 Finite element numerical calculation

圖4 開挖過程中邊坡安全系數(shù)演化曲線Fig.4 Slope safety factor evolution curve during excavation

從圖4 中可以看出，初始坡安全系數(shù)為1.25。第1 步邊坡開挖期間，由于卸荷減載，邊坡安全系數(shù)較自然坡的有所增加，變形機(jī)制主要為回彈變形；第2 步邊坡開挖期間，安全系數(shù)微降；第3 步邊坡開挖期間，安全系數(shù)急劇下降，降低至1.12；第4 步邊坡開挖期間，安全系數(shù)降至1.04，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；第5 步邊坡開挖期間，安全系數(shù)降至0.98，邊坡失穩(wěn)。

從圖5 中可以看出，在邊坡第1 步邊坡開挖后，開挖面附近巖體已卸荷松弛變形，對應(yīng)的最大剪應(yīng)變?yōu)?.000 48；第2 步邊坡開挖時，以拉張塑性屈服為主，對應(yīng)的最大剪應(yīng)變?yōu)?.001 20；第3 步邊坡開挖的坡腳應(yīng)力集中，出現(xiàn)剪切塑性屈服，對應(yīng)的最大剪應(yīng)變?yōu)?.004 80；第4 步邊坡開挖期間，塑性區(qū)逐步向深部發(fā)展，對應(yīng)的最大剪應(yīng)變0.191 00；第5 步邊坡開挖后，剪切塑性區(qū)迅速貫通，變形劇增并牽引后部斜坡松動變形，坡體后緣表現(xiàn)為拉破壞，邊坡臨近極限狀態(tài)。

圖5 剪應(yīng)變增量云圖揭示的邊坡變形破壞機(jī)制Fig.5 Slope deformation and failure mechanism revealed by shear strain incremental cloud

數(shù)值模擬中的剪切破壞帶與實際滑動面的非常接近，數(shù)值模擬中的拉破壞區(qū)與邊坡破壞后坡頂?shù)拇罅坷芽p相對應(yīng)，證明了該類坡應(yīng)該控制在3～4 級。

2.3 考慮降雨影響的全強(qiáng)風(fēng)化巖質(zhì)邊坡變形破壞機(jī)理

2.3.1 初始地形

在不同的降雨強(qiáng)度和歷時條件下，初始地形邊坡對應(yīng)的4 個階段的滲流場如圖6 所示。從圖6 中可以看出，當(dāng)初期降雨強(qiáng)度大于強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖的滲透系數(shù)時，坡體淺層會出現(xiàn)較少的暫態(tài)飽和區(qū)。隨著雨水不斷入滲巖體，其滲透性逐漸增加。隨著時間的增加，暫態(tài)飽和區(qū)繼續(xù)向下移動，接近地下水位，使得地下水位隨之升高。坡腳處地下水位距離地表最近，故該水位響應(yīng)最快。降雨結(jié)束后，坡體內(nèi)部滲流場仍然由上至下淋濾疏干。表明：邊坡整體穩(wěn)定性仍受降雨影響。

從圖7 中可以看出，隨著降雨入滲的增加，邊坡穩(wěn)定性逐漸下降，在初期第20 000 秒，降雨條件對其影響一致，可認(rèn)為是坡體的自然響應(yīng)。隨后，降雨條件對其影響開始出現(xiàn)明顯的不同。降雨強(qiáng)度越大，對邊坡的危害越大。表現(xiàn)為：曲線降速快，但最終的邊坡安全系數(shù)還是一致的。

2.3.2 開挖改變地形

在不同降雨強(qiáng)度和歷時條件下，改變地形邊坡對應(yīng)的4 個階段的滲流場如圖8 所示。從圖8 中可以看出，邊坡開挖后坡形的變化改變了地下水的滲流路徑，與自然坡降雨入滲的過程不同。開挖邊坡的降雨入滲表現(xiàn)：隨降雨時間的不斷增加，暫態(tài)飽和區(qū)逐漸向下移動并接近地下水位，后緣的地下水位先抬升；隨著滲流場逐步調(diào)整，坡腳處地下水位開始升高，坡腳開挖導(dǎo)致坡腳處的浸潤線較陡。滲流場的響應(yīng)符合坡體的變性破壞影響機(jī)制，后緣容易產(chǎn)生拉裂縫，滲流場的表現(xiàn)也突出。

圖6 不同降雨強(qiáng)度和歷時條件下初始地形邊坡滲流場云圖Fig.6 Cloud map of initial terrain slope seepage under different rainfall intensities and durations

圖7 不同降雨條件下邊坡安全系數(shù)演化曲線Fig.7 Evolution curve of safety factor of slope under different rainfall conditions

在降雨和工程擾動下，邊坡安全系數(shù)演化曲線如圖9 所示。從圖9 中可以看出，從降雨開始，開挖邊坡的安全性已經(jīng)處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，降雨入滲立即造成坡體穩(wěn)定狀態(tài)急劇下降。降雨強(qiáng)度越大，曲線觸底時間越短。之后，邊坡穩(wěn)定性由于滲透場逐步疏干有所升高，并趨于一致。所以該區(qū)邊坡的破壞是由坡體全強(qiáng)風(fēng)化造成的地質(zhì)差異決定的，開挖會造成不整合接觸面的暴露，降雨只是在此基礎(chǔ)上引起坡體穩(wěn)定狀態(tài)的急劇下降。因此，不整合接觸面是加固的重點，雨水的疏、排、截措施為輔助措施。

3 主動加固的工程應(yīng)對措施和檢驗

3.1 主動和被動加固措施

主動和被動主要是涉及到一個時間點的問題，其內(nèi)涵與土壓力主動和被動的含義類似。主動加固定義為先進(jìn)行施工加固措施再開挖；被動加固定義為開挖后再進(jìn)行施工加固措施。它們的區(qū)別在于對邊坡的變形控制效果和坡體力學(xué)性質(zhì)劣化影響不同。主動加固為初始巖體參數(shù)，被動加固為擾動劣化參數(shù)。

3.1.1 主動加固設(shè)計

K110+410 全強(qiáng)風(fēng)化巖質(zhì)變坡主動加固時，內(nèi)聚力取33 kPa，摩擦角為24°，將邊坡設(shè)計為5 級坡。采用抗滑樁加固，坡面設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索，錨索細(xì)的部分代表自由段，錨索粗的部分代表錨固段。錨索自上而下分布為：35 m 3 排；12 m 3 排；35 m 3 排；40 m 6 排。加固設(shè)計斷面如圖10 所示(表層放坡線)。

圖8 不同降雨強(qiáng)度和歷時條件下改變地形邊坡滲流場云圖Fig.8 Seepage field cloud map under different rainfall intensities and durations

圖9 在降雨和工程擾動下，邊坡安全系數(shù)演化曲線Fig.9 Slope safety factor evolution curve under different rainfall and engineering disturbance

在第1 級坡設(shè)置抗滑樁，第2～5 級坡設(shè)置錨索框架梁，均為先進(jìn)行施工加固措施再開挖，或者開挖第1 級坡后再開挖下1 級坡，第1～3 級坡坡比為1:1.00，第4～5 級坡坡比為1:1.25，每級坡馬道和坡頂外側(cè)設(shè)置截水溝，第1 級坡坡面處設(shè)置仰斜式排水孔。工程邊坡在正常工況和非正常工況I 下的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.453 和1.275，滿足正常工況下安全系數(shù)大于1.2～1.3和非正常工況I下安全系數(shù)大于1.1～1.2 的穩(wěn)定性要求。

3.1.2 被動加固設(shè)計

若工程邊坡開挖后沒有及時采取加固措施，而開挖擾動后巖體性質(zhì)發(fā)生了較大幅度的下降，開挖至第1 級坡時，邊坡整體失穩(wěn)。失穩(wěn)后的補(bǔ)救措施為：采取被動加固時，邊坡土體內(nèi)聚力降為10 kPa，摩擦角降為22°，將邊坡設(shè)計為7 級坡。首先對滑體部分削方減載，并在第1 級坡平臺進(jìn)行了抗滑樁施工。將第2～4 級坡采用預(yù)應(yīng)力錨索框架梁進(jìn)行加固，坡面為1:1.00 的坡率整形。將第5 級邊坡采用8 m 寬平臺進(jìn)行卸載并釋放應(yīng)力，坡比為1:1.00。在第6～7 級邊坡設(shè)置錨桿和錨索框架梁進(jìn)行加固，坡比為1:0.75。其截排水措施與主動加固設(shè)計的一致。

3.2 加固措施優(yōu)化

將主動和被動工程處治技術(shù)所用參數(shù)、設(shè)計坡率、加固工作量和土石方量進(jìn)行了統(tǒng)計，見表2。基于費效比原則，對其進(jìn)行了對比優(yōu)化。

從表2 中可以看出，主動加固設(shè)計所選參數(shù)為坡體未擾動參數(shù)，相對較高，坡體施工過程穩(wěn)定，工作量相對可控；被動加固設(shè)計所用參數(shù)為坡體變形擾動劣化參數(shù)，相對較低，坡體施工過程中安全性不可控，工作量相對不可控。若采用被動加固設(shè)計，將會增加土石開挖方量，破壞自然坡植被，額外征用土地，延長工期，導(dǎo)致工程費用的顯著增加。因此，對于該類邊坡，采取主動工程處治技術(shù)相對可靠。

3.3 基于優(yōu)化措施的加固邊坡安全性和措施有效性的監(jiān)測檢驗

為檢驗主動加固設(shè)計方法的可靠性，對優(yōu)化加固后的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性監(jiān)測。傳感器布置如圖11 所示，下部用抗滑樁鋼筋計監(jiān)測(2 根樁)，中、上部用錨索應(yīng)變計監(jiān)測(2 孔錨索)。

為檢驗主動加固工程措施的有效性和加固邊坡的安全性，對監(jiān)控邊坡進(jìn)行了1 a 的監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖12 所示。

圖10 K110+410 邊坡典型斷面工程處治措施Fig.10 Treatment measures for typical section engineering of the K110+410 slope

表2 主動和被動工程處治技術(shù)對比Table 2 Active and passive engineering treatment technology comparison

圖11 K110+410 邊坡監(jiān)測傳感器布置示意Fig.11 Slope monitoring sensor layout for the K110+410 slope

從圖12 中可以看出，鋼筋計和應(yīng)變計均在2個月后趨于穩(wěn)定。加固后15 d 內(nèi)，應(yīng)力和應(yīng)變的變化劇烈，表明：工程措施開始起作用了。2016 年11 月以后，鋼筋受力趨于穩(wěn)定。表明：抗滑樁和巖體達(dá)到一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，巖體變形得到了有效的控制，抗滑樁工作狀態(tài)正常。2016 年11 月以后，錨索應(yīng)變測值趨于穩(wěn)定，這與抗滑樁鋼筋拉力趨于穩(wěn)定相一致，自由段錨索拉力為104～115 kN，錨固段前段拉力為44～46 kN，錨固段后端拉力較小(僅為4～9 kN)。表明：錨索受力狀態(tài)良好，拉力較為均勻地分散到錨固段，各鋼絞線所受拉力相同，錨固深度也滿足要求。

圖12 加固邊坡監(jiān)測曲線Fig.12 Monitoring curve of reinforced slope

1 a 的監(jiān)測結(jié)果表明：各類數(shù)據(jù)表現(xiàn)出較好的相關(guān)性，抗滑樁和錨索框架均起到限制邊坡變形發(fā)展的作用，受力狀態(tài)良好，加固措施有效。

4 結(jié)論與建議

對熱帶雨林地區(qū)全強(qiáng)風(fēng)化巖質(zhì)邊坡進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)查和數(shù)值仿真分析，得到其變形破壞機(jī)制。對比研究了主動和被動工程的應(yīng)對措施，得出的結(jié)論為：

1) 根據(jù)熱帶雨林地區(qū)全強(qiáng)風(fēng)化巖質(zhì)邊坡工程地質(zhì)分析，上層強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖孔隙發(fā)育，富水性強(qiáng)；下層強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖孔隙性較差，具相對隔水性。滑動面多位于強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖與強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖的不整合接觸面位置。

2) 根據(jù)開挖改變地形下全強(qiáng)風(fēng)化巖質(zhì)邊坡數(shù)值仿真分析，公路路塹的坡腳開挖是全強(qiáng)風(fēng)化巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)的主要控制因素，而開挖后降雨尤其是強(qiáng)降雨的作用加劇了邊坡的變形破壞。

3) 主動加固設(shè)計對邊坡的變形擾動進(jìn)行主動控制，設(shè)計參數(shù)為自然參數(shù)，環(huán)境擾動可控，工程量相對較小；被動加固設(shè)計對已產(chǎn)生問題或者變形邊坡進(jìn)行被動應(yīng)對，設(shè)計參數(shù)為擾動劣化參數(shù)，環(huán)境擾動不可控，工程量對較大。該區(qū)邊坡建議采用主動加固措施。

4) 經(jīng)過對加固邊坡的2 個雨季的監(jiān)測，抗滑樁鋼筋計監(jiān)測的應(yīng)力趨于穩(wěn)定，且遠(yuǎn)小于筋材強(qiáng)度，樁體安全；錨索應(yīng)變計監(jiān)測的應(yīng)變趨于穩(wěn)定，錨巖系統(tǒng)協(xié)調(diào)承載，證明工程措施合理，坡體安全。抗骨樁+錨索組合加固措施可用于與該地區(qū)類似的高邊坡設(shè)計。