軟巖深路塹邊坡工程問題綜述

高紅卓

（深圳市南華巖土工程有限公司，廣東 深圳 518020）

【其 他】

軟巖深路塹邊坡工程問題綜述

高紅卓

（深圳市南華巖土工程有限公司，廣東 深圳 518020）

國內(nèi)高速公路網(wǎng)和鐵路客運專線的新建，出現(xiàn)了一批軟巖深路塹邊坡工程，其中坡體的開挖、支護出現(xiàn)了前所未有的難題。通過對軟巖深路塹邊坡坡體變形力學特性研究、穩(wěn)定性評價、支護方法等關鍵技術進行綜述，提出了研究的重點、方法以及存在的問題，并探討了軟弱巖體和高邊坡應力的處置辦法，以期對軟巖深路塹邊坡工程問題的研究提供借鑒。

軟巖；深路塹邊坡；邊坡穩(wěn)定；錨固

1 前言

近幾年來，國內(nèi)高速公路網(wǎng)和鐵路客運專線的新建，出現(xiàn)了一批深路塹邊坡工程，其中一些巖體具有不同程度的軟弱特性，這使得巖體的開挖、支護出現(xiàn)了前所未有的困難。而高邊坡巖體普遍存在的應力軟化問題以及巖體本身的軟弱特性，造成邊坡的穩(wěn)定性問題愈加尖銳。如何解決軟巖深路塹邊坡工程所要面對的軟弱巖體和高邊坡應力，甚至是可能出現(xiàn)的軟巖隧道邊坡復合工程及其他邊坡工程形式，需要作進一步的探討。

目前，軟巖坡體的變形力學特性研究、穩(wěn)定性評價、支護方法等關鍵技術還未成熟，國內(nèi)外少有關于此類問題的報道。本文通過檢索相關的文獻資料，并結合邊坡工程的實際問題進行綜合分析，以期對軟巖深路塹邊坡工程問題的研究提供借鑒。

2 軟巖的變形力學特性研究

2.1 研究內(nèi)容

軟巖的變形力學特性研究一般有兩個途徑：①常規(guī)的巖石試驗研究；②工程實體研究，包括在特定的工程環(huán)境條件下，軟巖變形、強度的演變及力學參數(shù)的確定等。

目前軟巖坡體的研究主要集中在巖體結構面、邊坡幾何尺寸以及坡體參數(shù)受環(huán)境因素影響的程度等，變形力學特性研究強調(diào)軟巖的各向異性。軟巖邊坡巖體的研究除了參照坡體已有的研究成果之外，還要考慮軟巖的巖石特性。

2.2 研究現(xiàn)狀

吳剛等[1]、哈秋舲等[2]對復雜應力條件下巖體卸荷破壞做了大量的試驗，對巖體開挖進行了研究。在水巖作用方面，王錦國等[3]對粗糙裂隙中的溶質(zhì)運移采用特征有限元法進行了模擬；周翠英等[4]系統(tǒng)地探討了軟巖與水作用的力學損傷規(guī)律、時間效應模型及軟巖性質(zhì)軟化的標志性臨界閾值。在軟巖的流變特性方面，白武明等[5]為軟巖流變理論體系的建立作出了獨特的貢獻。齊偉等[6]對軟巖擴容及物化膨脹聯(lián)合作用進行試驗研究。此外還有學者采用新方法或建立新理論來研究一些出現(xiàn)過的問題，如：申晉等[7]對巖體裂隙分布的分形研究理論進行了總結；沈珠江等[8]針對各向異性的裂隙巖土介質(zhì)體提出“破損力學理論”。軟巖坡體研究主要停留在宏觀層面上，因此，還應加強從細觀層面了解坡體開挖的變形機理，如張裂隙的演變等，并借助巖石力學的基礎理論研究加快進程。

3 軟巖邊坡穩(wěn)定性評價

3.1 破壞類型

軟巖可能發(fā)生的破壞形態(tài)可以概括為四種：巖體塑性流動、巖體受拉開裂、結構面剪切滑移和結構面受拉開裂。在軟巖邊坡，這四種破壞形式都有可能發(fā)生。實測數(shù)據(jù)表明，巖體的塑性區(qū)在開挖之初是很少的，但隨著時間推移逐漸擴大，直到最終導致巖體松動而失穩(wěn)。

巖體的破壞往往取決于軟弱層或軟弱結構面的性質(zhì)、分布和組合形式，因為它們控制著巖體內(nèi)部應力狀態(tài)的分布。許多巖土工程設計人員和研究者在處理巖體穩(wěn)定問題時，傾向于所謂“弱面控制”的觀點。對軟巖邊坡來說，大多數(shù)破壞是滑坡，也可能發(fā)生潰曲，這主要由坡體失穩(wěn)的內(nèi)外因素控制。邊坡失穩(wěn)的內(nèi)部因素主要取決于巖石特性、不連續(xù)面的存在及其與坡面之間的空間組合關系，其外部因素包括降雨與地表水的滲入、地震和人類活動三大類。

3.2 穩(wěn)定性理論

分析邊坡的穩(wěn)定性可以有兩個途徑：①忽略加載或卸載的過程，直接分析邊坡在破壞那一刻的極限荷載，即極限平衡法和極限分析法；②模擬邊坡加載或卸載的全過程，通過嚴格的應力、應變分析求解邊坡的極限荷載，即數(shù)值分析法[9]。由于巖體內(nèi)通常都存在著一組陡傾角的結構面，在發(fā)生滑動時，一方面沿底滑面滑動，一方面也沿這些陡傾角結構面錯動。薩爾瑪法[10]采用斜條分法，假定條塊傾斜界面之間也達到了極限平衡，認為除平面和圓弧面外，滑動體必須先破裂成相互滑動的塊體后才能滑動，靜力平衡方程和未知數(shù)的數(shù)目恰好匹配。因此，它是一個分析巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性較合理的方法。剩余推力法適用于滑動由結構面控制的折線形滑坡，并假定滑面兩側摩擦力和滑動體自身擠壓作用，在巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析中也得到廣泛的應用。

3.3 穩(wěn)定性評價

Morgenstern[11]指出，邊坡的穩(wěn)定性評價包括：工程地質(zhì)特征勘查、破壞模式的確定、材料性質(zhì)試驗、孔隙水壓力特征模型的建立、數(shù)值分析模型的建立。黃宏偉等[12]出了完整邊坡穩(wěn)定性的評價方法，具體包括研究巖體結構，進行穩(wěn)定計算，確定發(fā)展趨勢。對于裂隙介質(zhì)的軟巖邊坡工程，其變形破壞通常是從巖體內(nèi)弱面局部剪應力集中的區(qū)域開始，然后逐漸擴展到整體破壞，因此正確選取穩(wěn)定分析方法至關重要，其關鍵是分析巖體軟弱面的組合形式。

為準確地對軟巖邊坡的穩(wěn)定性進行評價，在重大復雜的邊坡工程中，往往采用可靠性分析法和極限分析法，以便互相印證，提高分析精度，且把可靠性分析的破壞概率或可靠指標與極限平衡分析的安全系數(shù)一并作為邊坡安全性的評價指標。此外，還有風險分析法、多目標決策分析法、計算機模擬法等。

4 軟巖邊坡支護理論及實踐中存在的問題

4.1 研究內(nèi)容

邊坡的支護方法很多，如抗滑樁、擋墻、錨桿和錨索等，其中由于錨桿錨索等巖土錨固技術能體現(xiàn)主動支護的概念，得到了廣泛的重視。對于軟巖高邊坡，單一的錨固方法往往不能很好地起到支護作用，所以經(jīng)常采用復合錨固甚至是錨固結構與抗滑樁聯(lián)合工作的復合結構。此外，軟巖較低的抗剪強度以及可能存在的破碎巖層常常使得錨固的效果不能得到充分發(fā)揮，軟巖高邊坡的錨固應該配合以其他處理方法，注漿是其中較為有效的一種。

軟巖高邊坡的開挖支護是軟巖邊坡工程的核心問題，支護方案多種多樣，影響因素也不同，其理論研究不僅應該考慮軟巖邊坡的支護方法，了解其工作機理，還要考慮支護效果的分析，其理論基礎是前文所述的邊坡穩(wěn)定性理論。

4.2 設計計算

抗滑樁作為一種承受巖土體側向位移的被動樁，國外的研究多側重于土坡變形對樁體的影響，尤其是對于海港工程、堤壩工程中承受軟粘土變形的被動樁的研究較多。國內(nèi)對于抗滑樁的計算研究主要集中于加固巖土體邊坡方面，尤其以加固大、中型破碎巖體滑坡為主。抗滑樁計算方法歸納起來有壓力法、位移法和有限單元法。

預應力錨索抗滑樁的計算方法普遍采用簡支梁式結構，假定頂端鉸支、下端彈性固結。也有一些學者提出了改進的計算方法，總的說來，預應力錨索抗滑樁的計算方法主要區(qū)別在于是否考慮錨索與抗滑樁的協(xié)調(diào)變形。

對于預應力錨索(桿)地梁(包括單梁和框架梁)的設計計算，肖世國等[13]、夏雄[14]進行了較為詳盡的論述。計算方法主要是沿用建筑地基基礎中計算連續(xù)基礎的剛性梁或連續(xù)梁和一般彈性地梁的方法。計算的難點在于如何綜合考慮地梁與坡體之間的協(xié)調(diào)變形作用及框架各節(jié)點荷載之間的相互影響，尤其是在將其拆分為單梁計算時，如何考慮節(jié)點處兩個方向的轉(zhuǎn)角相容條件及縱橫梁相交產(chǎn)生的扭矩影響。此外，由于軟巖巖體性質(zhì)較為復雜，地梁在施工完成后的受力狀態(tài)可能會隨著環(huán)境的變化而改變，目前的設計計算方法沒有考慮地梁的這種工作特性。

4.3 錨固機理

由于工程介質(zhì)的復雜性以及錨固方式的多樣性，至今尚未出現(xiàn)統(tǒng)一的錨固理論。國內(nèi)外巖土錨固理論研究主要圍繞以下兩方面展開：①巖錨荷載傳遞機理，特別是注漿錨索(桿)中索(桿)體與注漿體、注漿體與圍巖間粘結應力的分布狀態(tài)及傳遞機理的研究；②從錨固體加固效果角度出發(fā)研究巖錨作用機理。

巖錨荷載傳遞機理的研究表明，一般情況下，錨索(桿)本身強度很高且其表面粗糙性很好，力的傳遞由錨索(桿)到灌漿體，再由灌漿體到圍巖體的過程中，漿體和錨索(桿)界面的性質(zhì)不是研究的重點，研究重點應放在漿體自身的性質(zhì)以及漿體與圍巖體界面的性質(zhì)上。添加劑(包括速凝劑，膨脹劑)對錨索(桿)承載力的影響還值得進一步研究。巖錨荷載傳遞機理研究的目的是如何取得最大錨固力，但是從工程上講，得到最大錨固力并非最終目的，最終目的應是確保工程安全的同時，力求經(jīng)濟、快速。這就要求研究如何有效、合理的利用錨固力，即從加固效果角度出發(fā)研究錨固作用機理。

由于錨固工程是一項隱蔽工程，錨索(桿)的工作狀態(tài)的好壞不能直接觀察得出，因此采取何種檢驗手段來評價錨固的效果顯得至關重要。針對軟巖坡體的低抗剪、多空隙、抗擾動能力差等特點，其支護工程一般是以注漿和錨固工程為主，支檔、排水工程為輔，此外還要加強加固效果的檢驗，并對加固后坡體的安全度進行合理的評估。

4.4 存在的問題

(1) 獲得合理的參數(shù)比較難。一般來講，要經(jīng)過工程地質(zhì)勘察、現(xiàn)場測試、室內(nèi)試驗及數(shù)值反饋分析，最終通過優(yōu)化處理，才能得到比較合理的參數(shù)。

(2) 數(shù)值分析模型的建立不夠理想。軟巖工程中，通過變化著的物理力學參數(shù)所顯示出來的軟巖非線性性質(zhì)起因于諸多因素，如應力狀態(tài)、裂隙和夾泥層的存在、加載歷時、溫度以及裂隙孔隙中液體的性質(zhì)等，而這些因素起因于細觀和微觀的構造特性。非線性性質(zhì)對巖體的破壞有重要影響。由于普遍缺乏對這些問題的充分考慮，盡管非線性彈性理論至今已取得較大的進展，但是用來分析軟巖的變形失穩(wěn)問題效果差強人意。

(3) 工程運營的安全性評價需進一步完善。軟巖邊坡工程較早地出現(xiàn)在采礦、水利等部門，其安全運營情況已得到一定程度的檢驗，但由于穩(wěn)定性分析理論本身的不足和評價模式的缺陷，安全性評價工作往往不能充分反映新建工程的安全儲備、已建工程老化程度、受損工程安全情況及工程抵抗外部作用力的能力。

(4) 缺少規(guī)范及規(guī)程的說明。目前國內(nèi)路基、邊坡相關規(guī)范標準對軟巖高邊坡的論述太少，以至于軟巖邊坡的設計趨于保守，造成了大量的浪費。隨著軟巖邊坡工程的全面興建，如何應對可能出現(xiàn)的問題是迫切需要解決的問題。

5 結語

軟巖深路塹邊坡工程是一項特殊的邊坡工程，巖體抗擾動能力差，巖質(zhì)各向異性程度高，坡體高陡支護難等，尋求一套合理的施工設計方案絕非探囊取物。邊坡工程研究百年有余，邊坡穩(wěn)定分析方法研究已近一個世紀，巖體支護理論也隨著巷道開挖技術的發(fā)展逐漸完善并很好地服務于邊坡工程，可以說，軟巖深路塹邊坡工程的研究雖然起步伊始，但是已有較為雄厚的理論研究背景，相信在解決實際工程問題中可以取得更大的研究進展。

[1]吳剛.復雜應力狀態(tài)下巖體卸荷破壞的機理及其應用研究[D].上海：同濟大學，1995.

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[4]周翠英，彭澤英，尚偉，等.論巖土工程中水—巖相互作用研究的焦點問題——特殊軟巖的力學變異性[J].巖土力學，2002，23 (1)：123-247.

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[6]齊偉，賈志遠，肖裕行.軟巖擴容及物化膨脹聯(lián)合作用的研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，1994(6)：1-3.

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[14]夏雄.預應力錨索地梁的設計理論及工程應用[D].成都：西南交通大學，2002.

【修回日期】2014-06-16

Problems of High Weak-rock Slope

GAO Hong-zhuo
(Shenzhen Nanhua Geotechnical Engineering Co., Ltd., Shinzhen 518020, China)

Problems in excavation and support of high weak-rock slope were come up with the newly constructions of highway nets and passenger dedicated line including many high weak-rock slopes. Reviews of many key techniques about high weak-rock slopes engineering are done, such as the rock distortion mechanism, slope stability estimation and slope support methods. The emphases and means of research are proposed as well as unsolved problems. Besides, methods and theories are discussed to deal with the weakness of rock and complex stress condition of high slope. Results mentioned above can be used for references about problems of high weak-rock slope.

weak-rock; high cut slope; stability of slope; anchorage

U416.13；U416.14

A

1007-9386(2014)05-0053-03

2014-03-07