非線性強度準則下炭質泥巖路塹邊坡穩(wěn)定性分析

黃靜宇，黃新任

(1.湖南路橋建設集團有限責任公司，湖南 長沙 410004; 2.湖南省交通科學研究院，湖南 長沙 410015)

0 引言

為滿足現代化及經濟建設的需求，不可避免地高速公路網絡向不良工程地質區(qū)域布展。炭質泥巖屬于膨脹性軟巖，遇水易崩解、強度低、水理性強、受風化影響明顯，炭質泥巖的分布給高速公路的建設及運營安全提出了苛刻的要求。炭質泥巖主要分布于廣西、湖南及重慶等地區(qū)，并呈顯著的區(qū)域差異性。對炭質泥巖的研究罕見報道，主要集中于炭質泥巖的飽水軟巖力學性質［1］、降水入滲的穩(wěn)定性影響［2，3］、流變性質［4］及邊坡穩(wěn)定性、加固處理［5－8］及路堤穩(wěn)定性［9］等方面。炭質泥巖屬于極軟巖，同時因受工程環(huán)境及自然環(huán)境的影響，其力學性質隨時間均呈非線性變化，使用Mohr－Coulomb 準則具有一定的局限性。本文基于非線性Hoek－Brown 準則及地質強度指標GSI 系統(tǒng)獲取炭質泥巖的動態(tài)力學參數與穩(wěn)定性系數，具有快速辨識路塹邊坡穩(wěn)定性的優(yōu)點，為其處治方案的擬定提供理論支撐。

1 炭質泥巖路塹邊坡工程性質

泥巖為沉積巖，主要礦物成分為黏土礦物，屬膨脹性軟巖，其抗壓強度一般小于25 MPa。廣義的炭質泥巖為灰?guī)r、砂巖、泥巖等沉積巖中含黑色炭質即稱為炭質泥巖。炭質泥巖具有明顯的地域差異性，但其具有工程性質的共性。如易風化:炭質泥巖在溫度、風力及雨水等自然營力下一般易風化、易崩解、軟化效應明顯。尤其路塹邊坡因其開挖新裸露的炭質泥巖受風化影響較大，巖性劣化速率加大，邊坡穩(wěn)定性降低。受水影響大:炭質泥巖中含有親水性較強的膨脹性巖，吸水迅速膨脹，失水收縮開裂，且在降雨時容易因黏性物質起潤滑作用促進巖塊脫離母巖。節(jié)理裂隙發(fā)育:炭質泥巖形成年代較久遠，因地質作用混以其他物質并呈泥化狀態(tài)，節(jié)理面發(fā)育明顯并在開挖卸荷作用下，致使節(jié)理面張開，坡體破損傷與松動。礦物成分復雜、不易植被生長:炭質泥巖中因含大量碳、硫等礦物而呈酸性，且植物所需的氮、鉀、磷等缺乏，在炭質泥巖邊坡上鋪筑草皮一般難以成活，生態(tài)護坡困難。

2 基于GSI的Hoek－Brown準則

由于巖體性質的非連續(xù)性及具有時空效應，因而力學參數也隨之具有不均勻性、不確定性與不連續(xù)性，同時，因條件的制約室內試驗很難量測到與現場實際巖體力學參數，表現出顯著的差異性及隨機性;原位試驗因不可能布設整個巖體工程范圍從而代表性不足可信度偏低且費時費力。廣義H－B 強度準則綜合考慮了準則參數的多種影響因素，該強度準則巧妙結合定性與定量分析，具有簡便及適用等優(yōu)點，在巖體工程設計與科研中不斷得到驗證及改進。

基于GSI的Hoek－Brown 準則是在Hoek－Brown準則的基礎上通過引入GSI 系統(tǒng)后提出的［10］，該準則克服了M－C 準則不能解釋低應力及各向異性性質的不足，并能延用到破碎巖體，其表達式相對簡單且較大程度符合工程實際，因而在巖體工程中得到廣泛應用。其表達式為 σ1=σ3+σci(mb× σ3/σci+s)a，式中:σ1、σ3分別代表巖體屈服時的最大主應力及最小主應力;σci為完整巖石的單軸抗壓強度;半經驗參數mb，s 與 a 計算式分別為 mb=mi×exp［(GSI－100)/(28－14D)］、s = exp ［(GSI －100)/(9 －3D)］與a=0.5+［exp(－GSI/15)－exp(－20/3)］/6。其中:D 為擾動系數，表征施工荷載對巖體的作用影響程度，mi為巖石常數，由巖石種類確定。

3 路塹邊坡防治技術

路塹邊坡的穩(wěn)定性同時受自身材料性質、結構及外界環(huán)境等密切相關，因此其穩(wěn)定性評價及處治為一項系統(tǒng)工程。路塹開挖后，巖體原有的受力破壞，在達到新的平衡時往往會發(fā)生坍塌、滑坡等地質災害，因此需采取措施確保路塹邊坡的穩(wěn)定性。邊坡的防治措施分為“防護”與“治理”，在實際邊坡設計時往往將其融合，秉承“以防為主，防治結合”的設計施工理念。只有當防護措施不能夠完全達到邊坡穩(wěn)定目的或邊坡有失穩(wěn)跡象或己發(fā)生失穩(wěn)則需進行治理。炭質泥巖路塹邊坡穩(wěn)定性的防治措施基于炭質泥巖的性質有如下幾種常用防治技術:

1)防水排水:對于膨脹性炭質泥巖邊坡，水是影響其穩(wěn)定性重要的因素之一，進行邊坡的防護和治理應對水重點治理。防排水的原則是:以防為主、防治結合;因地制宜，考慮經濟、環(huán)保等要求;多種方式綜合使用。常用的邊坡防排水方式是設置排水溝、截水溝、邊溝、滲溝、平孔等，在邊坡工程中往往綜合使用。

2)坡面防護:對于易風化的巖體邊坡，適合在巖坡表面抹面護坡或噴射混凝土，也可通過客土植草的方法，防止雨水的沖刷及巖體的劣化。

3)邊坡受力:最常用的是開挖放坡，在挖方較大引起經濟、環(huán)境影響時則選用擋土墻、抗滑樁及錨桿等。

炭質泥巖路塹邊坡的滑坡處治應根據炭質泥巖的工程性質，因地制宜，綜合使用，盡量做到安全、經濟及環(huán)保等各項要求。

4 工程實例分析

湖南省某高速公路全長140 km，設計時速100 km/h，為完善區(qū)域交通系統(tǒng)，擢升地區(qū)經濟發(fā)展有著較大的促進作用。該高速公路沿線婁底區(qū)域炭質泥巖分布較為普遍，炭質泥巖風化帶中，節(jié)理發(fā)育，含較豐富的裂隙水，在降雨作用下易發(fā)生崩塌、滑坡、泥石流地質災害。受亞熱帶季風氣候的影響，該路段地表風化程度較強烈，全風化～強風化巖體破碎，并含有一定滲水性。其中某右邊路塹坡段的情況如下:該段邊坡坡高大約10 m，坡長約40 m，中厚層狀，劈理發(fā)育，經地質調查鑒定為炭質泥巖路段，分化程度不一，節(jié)理裂隙較發(fā)育，節(jié)理面較粗糙，節(jié)理間距0.2～0.5 m，延展性一般，單條延伸長度約為4.5～6.0 m，發(fā)育密度為 3.5～4.5 條/m，經開挖卸荷后開挖面可見拉裂縫。為保障該炭質泥巖路塹施工與運營期的安全，進行穩(wěn)定性分析與加固設計。

4.1 路塹邊坡穩(wěn)定性數值計算分析

Slide 軟件是具有通用性適用性強、操作簡便的邊坡分析軟件。該軟件內含良好界面的前后處理與求解器，且實現了圓弧、折線滑面、組合畫面等自動搜索，并且在保持高精度計算結果時使計算時間減少并能直觀形象地表示出安全系數等值線與可靠性指標。本文基于極限平衡分析使用Slide 軟件建模如圖1，從上往下依次為強～全風化炭質泥巖、弱～微風化炭質泥巖與未風化炭質泥巖。

圖1 邊坡穩(wěn)定性計算模型

Slide 軟件中具有廣義Hoek－Brown 材料屈服準則，同時該軟件中含有各巖體力學參數取值標準，炭質泥巖的巖體力學參數也采用廣義Hoek－Brown 準則進行選取。根據現場炭質泥巖地質實際情況，可選取如下參數:其中全～強風化泥巖取GSI =10，mi=6，σci=25 MPa，D =0.4;微～弱風化巖泥巖 GSI取15;未風化炭質泥巖(含碎石、塊石黏土)GSI =25，mi=6，σci=25 MPa，D =0.2(取值方法參見文獻［11］)。邊坡穩(wěn)定性如圖2所示。

圖2 廣義H－B 準則下的邊坡穩(wěn)定性

根據圖2:該炭質泥巖路塹邊坡穩(wěn)定性系數為0.803，這與應用強度折減法［12］所得的結果相近。表明在當前狀況下處于不穩(wěn)定狀態(tài)，考慮炭質泥巖易風化、崩解、蠕變性較大等特性，其邊坡穩(wěn)定性必然會進一步劣化，故需立即采取防治措施，保障高速公路的正常安全運營［13］。

4.2 路塹邊坡綜合防治措施

通過以上計算分析可知該炭質泥巖邊坡安全儲備較小，并經風化、崩解及蠕變作用可能隨著時間的增長進一步劣化，且剩余下滑力較大，故采用預應力錨索進行加固。根據已有的滑坡處治經驗［14］，在該工序完成后，再進行坡面抹面、排水防水的綜合處治措施。

4.2.1 坡面預應力錨索加固

該邊坡含三層巖性不同的炭質泥巖，分別為強風化、微風化及未風化，考慮錨根的承載力以及施工的難易程度，選用800 kN 級錨索，錨索束體為5 ×7Φ5 鋼絞線。按照0.85 的設計折減系數，需要采用24 根錨索，間距取3～3.5 m，在坡面呈梅花形分布?？紤]超拉荷載，錨固段長度取為4.2～5.4 m，錨索的埋設深度可設為4.8～17.5 m，從下往上埋設深度依次增長。外錨頭以現澆砼進行加固設計，底面積為 1.0 × 1.0 m2，頂面積為 0.3 × 0.3 m2，高為0.35 m。經預應力錨索支護后邊坡穩(wěn)定性如圖3所示，穩(wěn)定性系數為1.427，大于1.3，符合工程邊坡安全要求。

4.2.2 坡面與坡頂防護

坡面采用C15 素混凝土進行噴射防護，厚度為50 mm，水灰比為0.4，砂率為50%。同時做好防水排水措施，坡頂采用截水溝、排水溝、邊溝，并于坡頂鋪設混凝土網格，客土移植草皮，防止雨水沖刷，抑制路塹邊坡炭質泥巖的劣化。

圖3 路塹邊坡支護結構圖

5 結論

炭質泥巖是具有遇水易崩解及風化的膨脹性軟巖，在開挖卸荷的損傷與裸露風化作用下將劣化其工程力學性質，其穩(wěn)定性得不到保障，威脅到高速公路的安全建設及營運。因此，本文以湖南境內某高速公路某炭質路塹邊坡為工程背景，基于非線性的H－B 準則及地質強度指標GSI 系統(tǒng)獲取炭質泥巖的動態(tài)力學參數與路塹邊坡的穩(wěn)定性系數，通過此次研究得出以下結論:

1)炭質泥巖由于其強度低、水理性強、易風化等特性，作為路塹邊坡必須進行處治，方能保證高速公路的建設及營運安全。

2)基于GSI 的Hoek－Brown 準則能夠較好地反映炭質泥巖等軟巖的非線性性質，可彌補Mohr－Coulomb 準則這一缺陷，同時GSI 系統(tǒng)的引入，可實現路塹邊坡開挖及暴露期間巖體力學參數的動態(tài)辨識，為邊坡穩(wěn)定性評估提供便捷。

3)使用 Slide 軟件內置的廣義 Hoek－Brown 巖體屈服準則及GSI 取值系統(tǒng)，獲取開挖后的炭質泥巖路塹邊坡穩(wěn)定性系數為0.803，經預應力錨索加固后，穩(wěn)定性系數升至1.427，滿足工程邊坡穩(wěn)定性要求，同時為防止炭質泥巖的進一步劣化，采用C15素混凝土噴射防護坡面，并設置防排水系統(tǒng)。

［1］周翠英，鄧毅梅，譚祥韶，等.飽水軟巖力學性質軟化的試驗研究與應用［J］.巖石力學與工程學報，2005，24 (1):33 －38.

［2］李 躍.降雨入滲條件下非飽和土邊坡穩(wěn)定性動態(tài)評價方法研究［D］.馬鞍山:中鋼集團馬鞍山礦山研究院，2010.

［3］余志剛.考慮降雨入滲條件下邊坡穩(wěn)定性的研究進展［J］.工程建設與設計，2013(6):82 －84.

［4］楊天鴻，芮勇勤，朱萬成.炭質泥巖泥化夾層的流變特性及長期強度［J］.試驗力學，2008，23(5):396 －402.

［5］何忠明，吳 維，付宏淵.基于應變軟化模型的軟巖高邊坡過程穩(wěn)定性研究［J］.中南大學學報(自然科學版)，2013，44(3):1203 －1208.

［6］劉龍武.公路膨脹土路塹邊坡的破壞特征及勘察技術研究［D］.長沙:長沙理工大學，2011.

［7］彭富強，袁 昕，袁 航.婁新高速復雜地質邊坡治理研究及穩(wěn)定性分析［J］.鐵道科學與工程學報，2013，10(4):106 －111.

［8］田洪寧.六盤水月照機場跑道高填方及下伏順層邊坡穩(wěn)定性研究［D］.成都:西南交通大學，2011.

［9］莫 凱，付宏淵，曾 鈴.車輛荷載作用下炭質泥巖路堤動力變形特征分析［J］.中外公路，2014，34(1):14 －18.

［10］Hoek E，Carranza.T C，Corkum.B.Hoek－Brown failure criterion －2002 edition［A］.Proceedings of the Fifth North American Rock Mechanics Symposium［C］.Toronto，Canada，2002.

［11］Sonmez.H，Gokceoglu.C，Ulusay.R.An application of fuzzy sets to the Geological Strength Index (GSI)system used in rock engineering［J］.Engineering Applications Artificial Intelligence，2003，16(3):251 －269.

［12］林 杭，曹 平，李江騰，等.基于 Hoek－Brown 準則的三維邊坡變形穩(wěn)定性分析［J］.巖土力學，2010，31(11):3656 －3660.

［13］羅 旋，楊 威.路塹邊坡地質勘察和穩(wěn)定性分析［J］.公路工程，2013，38(1):34 －37.

［14］彭響蘭，鐘明鍵.張花高速公路某邊坡滑坡處治技術分析［J］.湖南交通科技，2013，39(4):42 －45.