多臺階巖質(zhì)邊坡破壞機理及加固技術(shù)

趙培清 劉昌松

湖南省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 湖南 長沙 410000

臺階狀巖質(zhì)邊坡的出現(xiàn)往往伴隨著人類活動，若是其出現(xiàn)失穩(wěn)問題，將會對人們的安全造成一定的威脅，因此對其破壞機理展開分析，探索其加固方式具有重要的現(xiàn)實意義。因多臺階巖質(zhì)邊坡自身的特性，在對其進行加固時，往往需要采取多種加固方式，從而獲得更好的加固效果，再對其加固過程中，也需要根據(jù)實際情況，確定合理的開挖、支護順序，從而獲得較好成效，以下對其相關(guān)內(nèi)容進行討論。

1 多臺階巖質(zhì)邊坡的特點

臺階狀的邊坡往往在露天開采中有所應(yīng)用，也就是對存在不同巖層的礦體，按照一定的層次展開開采，最終形成階梯狀的斜坡[1]。伴隨著我國工程建造業(yè)的不斷發(fā)展，該邊坡形式也出現(xiàn)在一些鐵路、公路、水利等多種行業(yè)之中。和自然形成的單臺階巖質(zhì)邊坡相比，多臺階巖質(zhì)邊坡也存在一些特點，如下所示：

從其形態(tài)以及結(jié)構(gòu)組成上來看，該類型的坡高往往較大，從幾十米到幾百米，且走向較長；該類巖質(zhì)邊坡是因人工開挖所造成的，因此形態(tài)上呈現(xiàn)出了一定的規(guī)則性。

從其穩(wěn)定性上來看，在邊坡開挖施工中，邊坡土體穩(wěn)定性勢必會受到一定的干擾，人工作業(yè)過程中的一些爆破、挖掘等活動，會導(dǎo)致整個邊坡的處于動態(tài)擾動變形之中，因此探究其開挖對坡體的影響至關(guān)重要。

從其變形和破壞規(guī)模上來看，對巖質(zhì)邊坡來說，其受到的變形是因滑動面上的應(yīng)力釋放和轉(zhuǎn)移。相比起普通的巖質(zhì)邊坡，多臺階巖質(zhì)邊坡雖然允許在單個臺階上進行小范圍破壞，但多個臺階的小范圍破壞會誘發(fā)邊坡整體破壞，所造成的規(guī)模和災(zāi)害性更強，因此需要對影響其穩(wěn)定性的因素展開探究。

2 巖質(zhì)邊坡巖體結(jié)構(gòu)分類

巖質(zhì)邊坡的巖體構(gòu)成類型存在一定的差異，其地質(zhì)結(jié)構(gòu)也存在一定的不同。其種類劃分可以根據(jù)其成因類型和強度特性，也可以根據(jù)其規(guī)模、地質(zhì)構(gòu)造運動、強度等對結(jié)構(gòu)面進行劃分[2]。巖體本身所呈現(xiàn)出來的諸多特性，其都是因巖體的某種關(guān)系組合并與巖石結(jié)合形成的結(jié)構(gòu)面對其穩(wěn)定性的破壞，這樣的結(jié)構(gòu)面對巖體整體強度會產(chǎn)生一定的負(fù)面影響，但也在無形之中增強了巖體變形能力。

2.1 塊狀巖體結(jié)構(gòu)

塊狀巖體結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)體為塊狀和柱狀，主要特征為：多以剛性結(jié)構(gòu)面、節(jié)理為主，少見貫穿性的軟弱結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)面不發(fā)育。相對的塊狀結(jié)構(gòu)邊坡，具有較高的強度，穩(wěn)定性較好，該巖體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的邊坡失穩(wěn)，常是因為沿某一軟弱結(jié)構(gòu)面復(fù)合結(jié)構(gòu)面出現(xiàn)滑動。對其邊坡失穩(wěn)展開研究主要從結(jié)構(gòu)面的強度、性狀、不利組合形式展開。

2.2 層狀巖體結(jié)構(gòu)

層狀巖體結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)體為板狀和模形狀，主要特征為：多以層理、片理、節(jié)理為主，軟弱夾層和層間錯動帶一般為貫穿性軟弱結(jié)構(gòu)面，其結(jié)構(gòu)面較發(fā)育。相對的層狀結(jié)構(gòu)邊坡，是一種常見形式，其巖體為層狀，具有較高強度，該巖體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的邊坡失穩(wěn)，往往是以沿著貫穿性軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生。對其邊坡失穩(wěn)展開研究主要是對坡面和優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的關(guān)系進行。

2.3 碎裂巖體結(jié)構(gòu)

碎裂巖體結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)體為碎塊狀，主要特性為：節(jié)理、斷層、斷層破壞交叉出現(xiàn)從而將巖體分割成相對破碎的巖石，結(jié)構(gòu)面短小且分布不規(guī)則，其結(jié)構(gòu)面發(fā)育。因該巖體的特性，其巖體的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面很難做出清晰地劃分。相對的碎裂結(jié)構(gòu)邊坡，常出現(xiàn)在巖石易被風(fēng)化的區(qū)域，其巖體完整性交叉，強度較低，因此整體穩(wěn)定性較差，在外部環(huán)境因素的影響下，很容易出現(xiàn)局部滑移和落實。對其邊坡失穩(wěn)展開研究主要從巖塊間的鑲嵌情況和咬合力展開。

2.4 散體巖體結(jié)構(gòu)

散體巖體結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)為碎屑狀、顆粒狀、鱗片狀，主要特征為：結(jié)構(gòu)面大多是斷層破碎帶、風(fēng)化帶、次生結(jié)構(gòu)面，該巖體結(jié)構(gòu)之中高度密集的結(jié)構(gòu)面導(dǎo)致其軟弱結(jié)構(gòu)面呈現(xiàn)出網(wǎng)狀。由于巖體強度和其完整性之間存在正相關(guān)，由于該巖體結(jié)構(gòu)為松散破碎的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此該邊坡的強度極低且穩(wěn)定性極差，對其邊坡失穩(wěn)展開分析可采取土質(zhì)邊坡的方法。

3 多臺階巖質(zhì)邊坡破壞機理分析

因巖體自身的結(jié)構(gòu)性狀復(fù)雜，因此對其穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的因素也是多樣性的，大致可以歸納為兩類：一是巖坡破壞的主導(dǎo)因素，也就是內(nèi)部要素，如巖體結(jié)構(gòu)、邊坡形態(tài)等；二是誘發(fā)巖坡破壞的外部因素，也就是外部要素，如人類活動、風(fēng)化、地震等[3]。具體如下：

3.1 內(nèi)部影響因素

3.1.1 巖體結(jié)構(gòu)

對巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性造成影響的最大因素就是結(jié)構(gòu)面，即使巖體本身強度夠高，但是在結(jié)構(gòu)面分割后，仍會存在失穩(wěn)問題。結(jié)構(gòu)面會影響坡體之內(nèi)的應(yīng)力傳遞，導(dǎo)致應(yīng)力集中在結(jié)構(gòu)面周圍，從而造成劇烈變形和破壞。巖體結(jié)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)面組數(shù)和數(shù)量越多，對于巖體造成的切割破壞越嚴(yán)重，巖體自由變形能力越大，邊坡失穩(wěn)出現(xiàn)的可能越大。

3.1.2 地質(zhì)構(gòu)造

邊坡所具有的地質(zhì)構(gòu)造也會造成邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象。巖體出現(xiàn)褶皺的位置會產(chǎn)生構(gòu)造應(yīng)力從而導(dǎo)致破碎帶的出現(xiàn)，因裂隙節(jié)理發(fā)育，將會導(dǎo)致穩(wěn)定性變差。節(jié)理就是巖體中的不同裂縫，其出現(xiàn)導(dǎo)致巖體完整性被破壞，從而發(fā)生失穩(wěn)破壞現(xiàn)象；斷層是巖體出現(xiàn)明顯位移，不僅造成巖體完整性被破壞，也影響巖體連續(xù)性，邊坡會在斷層面上出現(xiàn)滑動破壞。

3.1.3 邊坡形態(tài)

在邊坡的坡高、坡角、坡面之中，前兩者對邊坡穩(wěn)定性的影響較大。坡高不同會造成巖體內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)不同，從而影響穩(wěn)定性；坡角不同也會造成巖體內(nèi)應(yīng)力不同，其變化會引發(fā)坡肩和坡面的張力帶變大，其坡角越大，張力帶范圍越大，失穩(wěn)破壞現(xiàn)象出現(xiàn)概率越大。

3.2 外部影響因素

3.2.1 地震

地震發(fā)生會對巖體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)造成影響，其本質(zhì)是對巖體施加慣性力，從而增加滑體下滑力，也會減弱巖體內(nèi)部原有的軟弱結(jié)構(gòu)面的咬合力，影響結(jié)構(gòu)面發(fā)育，從而破壞邊坡穩(wěn)定性。

3.2.2 水

水包含地下水和雨水，其是較難治理的一個問題。水位上升會造成孔隙水，從而加大巖體中的壓力，增加滑體下滑力，影響其穩(wěn)定性。水也會與巖體的造巖礦物產(chǎn)生水化反應(yīng)，影響巖體的礦物成分，改變巖性，影響其穩(wěn)定性。當(dāng)水和氣溫產(chǎn)生共同作用時，會加速裂隙面的開裂成都和巖體的破碎程度，最終都會影響巖體穩(wěn)定性。

3.2.3 風(fēng)化

風(fēng)化主要對巖體表面產(chǎn)生作用，會引起巖體礦物成分改變，擴大內(nèi)部張烈裂隙，增大巖體自身的破碎度，影響巖體完整性，減弱巖體強度，從而造成邊坡變形和破壞。長期的風(fēng)化作用也將對邊坡原有形態(tài)造成影響，將會誘發(fā)邊坡失穩(wěn)破壞。

4 巖質(zhì)邊坡加固方法

在對巖質(zhì)邊坡完成狀態(tài)評定之后，若是其不能滿足施工需求或者存在失穩(wěn)概率，且邊坡存在的問題會對人類活動產(chǎn)生危害、對經(jīng)濟造成損失后，就需要采取有效措施對其展開修正，從而轉(zhuǎn)變其穩(wěn)定狀態(tài)，確保其安全性[4]。

4.1 坡率法

該方法是對原始邊坡的形狀進行改變，主要針對其主要高度、坡角，通過轉(zhuǎn)變改善滑體在潛在破壞面上的受力狀態(tài)，最終提升巖質(zhì)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。其主要針對滑坡，采用減載的方式，通過對滑體超重部分進行削減，從而降低其滑力。但是該方法存在較大局限性，易受到周圍環(huán)境影響，且并不能阻止巖體下滑的可能性，常用于交通、水利工程出現(xiàn)的邊坡治理中。

4.2 混凝體支擋

該方法是使用鋼筋混凝土材料，根據(jù)設(shè)計要求進行澆筑的一種相對被動的加固結(jié)構(gòu)，其有擋墻和抗滑樁兩種。抗滑樁是依靠深入巖體的錨固段，從而提供側(cè)向地基抗力來對懸臂段承擔(dān)土的壓力或者滑體滑動力進行抵抗的一種結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)有部分處于巖體之中，因此其為樁結(jié)構(gòu)。依托于樁體和巖體之間的摩擦力，可以更好與接觸巖體進行結(jié)合，共同承受壓力，緩解巖體結(jié)構(gòu)壓力。擋墻是長度相對較長的一種連續(xù)板狀結(jié)構(gòu)，借用墻體實現(xiàn)對滑體移動的阻止，墻體構(gòu)件根據(jù)不同承載方式劃分為不同類型。

4.3 排水措施

由于外部環(huán)境因素對于巖體結(jié)構(gòu)會造成較大影響，水往往會對巖體結(jié)構(gòu)造成破壞，從而引發(fā)邊坡失穩(wěn)問題，因此可通過良好的排水措施來阻止或降低雨水、地下水等水對巖體的侵蝕。常見的有坡內(nèi)排水、表面排水，前者是通過在巖體結(jié)構(gòu)中設(shè)置排水井，在坡面上安置排水孔，從而實現(xiàn)控制地下水位和消解孔隙水壓力的效果；后者是通過在坡頂和坡面上設(shè)置截水溝，在坡地修建排水溝的方式來實現(xiàn)截取、排泄地面水的目的，其將阻止地表水下滲產(chǎn)生孔隙水壓力，從而對巖體結(jié)構(gòu)進行保護，減輕邊坡巖體的變形。

4.4 生態(tài)防護技術(shù)

該方法是近些年來借鑒國外經(jīng)驗的一種新方法，其也將對項目建設(shè)中對生態(tài)環(huán)境造成的破壞進行修復(fù)。其主要是種植植物來形成植被護坡，通過植物根系與巖體內(nèi)部形成合力，來實現(xiàn)穩(wěn)定的作用。植物根系在其生長過程中，能對裂隙內(nèi)的水壓力起到消解的作用，也能緩解坡面上水流速度，實現(xiàn)固土的效果，在防止雨水侵蝕巖質(zhì)，降低空隙水壓力等方面具有明顯成效，是一種相對環(huán)保且成效良好的方法。

4.5 錨固手段

該方法是當(dāng)前應(yīng)用范圍較廣的一種加固手段，其具有成本低、治理成效好的優(yōu)勢，在工程界受到了廣泛好評。該方法是用過將錨桿或者錨索深入到巖體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的穩(wěn)定區(qū)域之中，從而將巖體作用在錨頭結(jié)構(gòu)上的力通過拉桿的方式傳輸至深層穩(wěn)定的巖體之中，實現(xiàn)力的分散，錨固體和其周圍巖體的粘結(jié)力和摩擦力提供拉力，實現(xiàn)穩(wěn)定[5]。預(yù)應(yīng)力錨索加固方式屬于主動加固方式，其施加的預(yù)應(yīng)力通過錨頭緊固裝置進行分壓，轉(zhuǎn)變巖體內(nèi)部原有的應(yīng)力場，不僅可以提升巖體完整度，也將增強滑面上的抗滑能力，轉(zhuǎn)變邊坡穩(wěn)定狀態(tài)，具有較好成效。

5 多臺階巖質(zhì)邊坡的加固案例

5.1 工程概況

該邊坡工程為某新建小區(qū)北側(cè)所形成的人工巖質(zhì)邊坡，標(biāo)高在130m～180m之間，屬平緩丘陵地貌。該小區(qū)建設(shè)在四面環(huán)山的盆地上，北側(cè)坡體標(biāo)高為138.32m～177.55m之間，靠近坡底位置上為一排六層居民樓，距離坡腳7m左右。工程建設(shè)中，在北側(cè)形成了多臺階巖質(zhì)邊坡，邊坡劃分為四級，采取臺式邊坡，各級開挖面從上至下坡率為：1:10、1:10、1:0.75、1:0.75；臺高為10m、10m、8m、6m，臺寬為4m。

該坡體中下部表面巖體存在風(fēng)化，呈破裂結(jié)構(gòu)，巖層為單斜結(jié)構(gòu)，平均高度約36m，坡面水平向約42.5m，邊坡走向長度約195m，總坡角為40.2°。

5.2 坡體穩(wěn)定性情況

根據(jù)現(xiàn)場勘查，該多臺階巖質(zhì)邊坡中，二、三級臺階上受人工開挖和風(fēng)化的影響，其表面巖體結(jié)構(gòu)存在破裂結(jié)構(gòu)特征，巖體完成性較大，強度也低，穩(wěn)定性較差，在惡劣天氣的影響之下，該邊坡較容易發(fā)生局部滑落或者落石現(xiàn)象。

運用傳遞系數(shù)法對該多臺階巖質(zhì)邊坡的二、三級階梯的穩(wěn)定性安全參數(shù)進行計算，計算結(jié)果為：在天然狀態(tài)下的二級邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.27、三級邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.087；在地震工況下的二級邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.086、三級邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為0.912。根據(jù)結(jié)果表明，地震對于該邊坡的影響較為明顯，易導(dǎo)致邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，因此需要對其采取相應(yīng)措施來增強其安全。

采取強度折減的FLAC3D模擬計算對開挖后邊坡整體完全系數(shù)進行計算，值為1.37，根據(jù)模擬計算發(fā)現(xiàn)該多臺階巖質(zhì)邊坡中的二、三、四級邊坡在開挖過程中，其應(yīng)力場、位移場變化較為強烈，容易產(chǎn)生拉應(yīng)力區(qū)而破壞巖體完整性。在坡面形成后，第四級邊坡的坡面和坡腳存在位移變形量較大的問題。

綜合評估后，需要對該多臺階巖石邊坡的二、三、四級實施加固處理，降低局部破壞對邊坡整體的影響，提高其穩(wěn)定性。

5.3 多臺階巖石坡體的加固方案

5.3.1 加固方法

本次加固考慮到該多臺階巖質(zhì)邊坡的特點和其表面將經(jīng)過人孔開挖以及風(fēng)化成破碎化結(jié)構(gòu)的現(xiàn)實情況，考慮該邊坡自身具有較高安全等級，對其采取“預(yù)應(yīng)力錨索+噴射混凝土面層”的加固方案。

5.3.2 主結(jié)構(gòu)設(shè)計

錨索材料選用1×7Φ15.2型鋼絞線，其力學(xué)參數(shù)如表1所示，錨索為4束預(yù)應(yīng)力鋼絞線。

表1 7絲標(biāo)準(zhǔn)型鋼絞線參數(shù)表

錨索傾角20°，二、三級設(shè)置三排預(yù)應(yīng)力錨索，四級設(shè)置兩排，每級錨索豎向間距3m。錨索成孔直徑150mm。灌漿材料選取普通硅酸鹽水泥，灌注形式為M30純水泥漿，水灰比為0.45。坡面掛設(shè)鋼筋網(wǎng)并噴射混凝土，混凝土選擇C30，厚度為12mm，選擇直徑為6mm的螺紋鋼筋，鋼筋網(wǎng)的網(wǎng)格尺寸為200mm。

5.4 其他加固方法

除了主要加固設(shè)施外，也需要采取一定的輔助設(shè)施，本項目采取增加排水設(shè)施作為輔助。應(yīng)該多臺階巖質(zhì)邊坡下方為居民區(qū)，為減小雨水傷害，坡頂增設(shè)截水溝，坡地增加排水溝，坡面安置排水孔，從而排除坡體內(nèi)部裂隙水并降低地下水位。

6 總結(jié)

多臺階巖質(zhì)邊坡作為一種人類活動后出現(xiàn)的巖質(zhì)邊坡類型，文中可知，巖質(zhì)邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)的因素包含內(nèi)部因素和外部因素，人類活動會對巖體本身的結(jié)構(gòu)造成影響，因此多臺階巖質(zhì)邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)問題是較常見的。目前巖質(zhì)邊坡的加固方法包含坡率法、混凝土支擋結(jié)構(gòu)、錨固手段、排水措施、生態(tài)防護技術(shù)，本文以某工程案例對其應(yīng)用做了簡要呈現(xiàn)。總的來說，因多臺階巖質(zhì)邊坡的特性，在加固技術(shù)的選擇和應(yīng)用中，需要根據(jù)實際進行確定，以此來提高其應(yīng)用成效。