考慮巖體強度演化的全強風(fēng)化巖質(zhì)邊坡主動加固設(shè)計方法

馮志秀，李大茂，袁從華，吳振君

(1.云南公投建設(shè)集團有限公司， 云南 昆明 650034； 2.云南省公路開發(fā)投資有限責(zé)任公司， 云南 昆明 650200；3.云南小磨高速公路改擴建工程建設(shè)指揮部， 云南 景洪 666100；4.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室， 湖北 武漢 430071)

考慮巖體強度演化的全強風(fēng)化巖質(zhì)邊坡主動加固設(shè)計方法

馮志秀1,3，李大茂2,3，袁從華4，吳振君4

(1.云南公投建設(shè)集團有限公司， 云南 昆明 650034； 2.云南省公路開發(fā)投資有限責(zé)任公司， 云南 昆明 650200；3.云南小磨高速公路改擴建工程建設(shè)指揮部， 云南 景洪 666100；4.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室， 湖北 武漢 430071)

全強風(fēng)化巖質(zhì)邊坡由于巖體破碎，易受工程擾動和降雨影響而導(dǎo)致強度發(fā)生弱化，因此在公路路基開挖過程中極易失穩(wěn)。以某公路全強風(fēng)化巖質(zhì)邊坡為例，通過對處于不同階段的邊坡穩(wěn)定性進行反分析，分別得到巖體初始強度和弱化后強度，獲取了巖體強度的演化過程。通過主動加固和被動加固工程措施的對比分析，表明主動加固設(shè)計能夠有效利用巖體原始強度，大大降低加固工程量。對于受工程擾動和降雨影響較大的全強風(fēng)化巖質(zhì)邊坡，采用主動加固設(shè)計十分必要且有效，可為全強風(fēng)化巖質(zhì)邊坡設(shè)計提供參考。

全強風(fēng)化巖體；邊坡穩(wěn)定性；工程擾動；巖體強度演化；主動加固

邊坡穩(wěn)定問題一直是巖土工程的一個重要研究內(nèi)容。對于全強風(fēng)化巖質(zhì)邊坡，長期的風(fēng)化作用使巖體的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生很大變化，工程擾動后坡體變形顯著，且遇水易弱化，進而降低巖體強度，導(dǎo)致路基開挖過程中全強風(fēng)化巖邊坡極易發(fā)生破壞[1]。

目前國內(nèi)外對于邊坡穩(wěn)定性的分析方法主要是安全系數(shù)評價法，其發(fā)展主要體現(xiàn)在以下方面：極限平衡方法作為最經(jīng)典的確定性方法逐步得到完善[2-3]；各種數(shù)值方法通過計算巖體邊坡內(nèi)部的變形特性和應(yīng)力狀態(tài)對邊坡穩(wěn)定進行評價[4-6]；此外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估算法[7]、可靠度分析法[8]、模糊綜合評判法[9]、灰色系統(tǒng)理論等非確定性的方法也逐漸應(yīng)用到邊坡穩(wěn)定的研究中。在實際工程中常采用加固方法，主要包括錨桿、預(yù)應(yīng)力錨索、抗滑擋土墻、抗滑樁等[10-12]。

對全強風(fēng)化巖質(zhì)邊坡來說，工程開挖擾動和降雨易使全強風(fēng)化巖體強度發(fā)生弱化，路基開挖過程中極易發(fā)生邊坡失穩(wěn)，因此，對于全強風(fēng)化巖體邊坡，開挖之前采取主動加固設(shè)計顯得極為重要。然而在現(xiàn)在的很多邊坡設(shè)計中，通常是基于某一特定狀態(tài)進行設(shè)計，并沒有考慮巖體強度在工程擾動及降雨等因素影響下弱化過程。因此，本文以某公路工程全強風(fēng)化巖質(zhì)邊坡為例，充分考慮不同階段的巖體強度演化過程，采用極限平衡分析方法進行了巖體強度參數(shù)反分析，提出此類邊坡的主動加固設(shè)計方法，進行了主動加固和被動加固工程措施的對比分析。

1 工程開挖擾動和降雨引起的巖體強度演化過程

1.1 工程開挖擾動影響

在自然條件下，全強風(fēng)化巖體邊坡往往處在穩(wěn)定或略高于極限平衡狀態(tài)，坡腳成為最重要的阻滑段。公路路基通常通過邊坡坡腳，當(dāng)工程開挖切除坡腳后，邊坡臨空的高度增加，有些軟弱結(jié)構(gòu)面可能被揭露出來，這導(dǎo)致開挖后的邊坡向外側(cè)變形且逐漸發(fā)展，這種臨空方向的變形使得巖體節(jié)理、裂隙發(fā)生張開變形，裂隙張開直接導(dǎo)致巖體抗剪強度下降。隨著工程開挖的進行，巖體強度逐漸發(fā)生弱化。

1.2 降雨影響

工程經(jīng)驗表明，多數(shù)工程滑坡的發(fā)生都是降雨誘發(fā)的，暴雨和持續(xù)時間較長的降雨最易誘發(fā)滑坡。全強風(fēng)化巖邊坡由于坡體破碎，加之工程開挖后邊坡產(chǎn)生的變形裂縫等條件為雨水的下滲提供了有利通道。降雨入滲后對全強風(fēng)化巖體的軟化作用明顯，使得巖體的抗剪強度大幅降低。文獻[13]中的試驗結(jié)果表明了這種不利影響，如自然條件下泥巖夾層的室內(nèi)試驗結(jié)果：內(nèi)摩擦角為22°～26°，黏聚力為30 kPa～50 kPa，遇水軟化后內(nèi)摩擦角僅為6°，黏聚力下降到6 kPa～12 kPa。文獻[14]中大型剪切試驗成果顯示：巖體中軟弱夾層遇水軟化后，摩擦系數(shù)下降5%～30%，c值下降可達30%～80%。此外，在持續(xù)降雨作用下，巖體重度增加、靜水或動水壓力增加，這導(dǎo)致下滑力增加，進一步降低邊坡的穩(wěn)定性。

2 邊坡主動加固設(shè)計方法

不管采用何種穩(wěn)定性分析方法，根據(jù)邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果，當(dāng)其穩(wěn)定系數(shù)不能滿足邊坡自穩(wěn)的要求時，就要采取一定的工程措施進行加固。對于開挖后巖體強度發(fā)生明顯弱化的邊坡，為有效利用巖體初始強度，采用主動加固設(shè)計方法非常必要。

主動加固是袁從華等[12]提出的一種針對易發(fā)生軟化巖體邊坡的設(shè)計方法，其核心觀點是巖體強度在工程建設(shè)過程中不是一成不變的，而是隨著工程的進行而逐漸發(fā)展演化的，處于不同階段的邊坡，巖體強度是不同的。通過對比分析可以得到：采用目前工程上常用的被動加固設(shè)計方法，由于邊坡的開挖施工改變了原斜坡地表形態(tài)，使得斜坡體發(fā)生卸荷變形，巖體裂隙張開，雨水下滲使滑帶抗剪強度下降，降低了邊坡的抗滑力，邊坡由自然條件下的穩(wěn)定狀態(tài)過渡到極限平衡狀態(tài)，一旦發(fā)生破壞造成很多連鎖反應(yīng)，工程損失巨大。在邊坡開挖前根據(jù)初步判斷，若開挖后坡體有滑動可能，需要在邊坡開挖前就采取主動加固設(shè)計方法，避免潛在滑帶性質(zhì)弱化，通過支護手段預(yù)先增加邊坡抗滑力，使邊坡穩(wěn)定性滿足工程要求。

3 工程實例

3.1 工程概況

以某二級公路K126段失穩(wěn)全強風(fēng)化巖質(zhì)邊坡為例，獲取不同階段巖體強度參數(shù)，并對主動加固和被動加固進行對比分析。K126段自然坡的坡度35°～45°，高約80 m，匯水面積大，按原設(shè)計方案削坡，邊坡開挖后形成一個約6 m～9 m的臨空面，坡體發(fā)生臨空變形，在雨水下滲條件下，潛在滑動面巖體軟化而造成大面積滑坡，滑動范圍在坡段之外90 m(見圖1、圖2)。

圖1 K126段滑坡圖

圖2 K126滑坡剖面

3.2 巖體強度演化過程反分析

根據(jù)勘察得到的全強風(fēng)化巖體結(jié)構(gòu)和膠結(jié)情況，通過工程類比得到巖體強度參數(shù)的分布范圍?；謴?fù)邊坡的原始地形，自然坡穩(wěn)定系數(shù)取1.2，采用極限平衡方法反演全強風(fēng)化巖體強度參數(shù)[15]，通過兩個相似剖面的邊坡穩(wěn)定性方程聯(lián)立求解，可得到巖體初始強度c1=30 kPa、φ1=28°。邊坡開挖后，若巖體強度參數(shù)不發(fā)生軟化，此時邊坡的安全系數(shù)為1.05～1.1，邊坡是能夠穩(wěn)定的。實際邊坡開挖后，一段時間之后失穩(wěn)，穩(wěn)定系數(shù)取值范圍為0.95～1.0，通過兩個相似剖面的邊坡穩(wěn)定性方程聯(lián)立求解，得到邊坡失穩(wěn)時巖體軟化后強度為c2=26 kPa，φ2=27°，穩(wěn)定系數(shù)為0.97。實際情況是初始設(shè)計方案下邊坡失穩(wěn)，因此巖體強度至少已經(jīng)演化到軟化后的強度。

3.3 主動加固和被動加固對比分析

主動加固是預(yù)先采取加固措施，盡量減少對坡體的擾動，一方面需要限制坡體產(chǎn)生較大的變形，另一方面需要補償切坡后造成的抗滑力降低。主動加固工程措施為：6 m高擋墻，設(shè)計加固力200 kN/m，嵌入基巖2 m。分段開挖邊坡，開挖后即施工擋墻，擋墻施工完畢后再開挖路基，并做好相應(yīng)的截排水措施。 采用反分析確定的巖體初始強度參數(shù)(c1、φ1)，對擋墻加固的開挖邊坡進行穩(wěn)定性計算，由于邊坡的破壞是由前緣開挖后導(dǎo)致的牽引滑動，這里我們分別計算了三個典型滑面的穩(wěn)定性，計算得到邊坡滑面1、2、3的安全系數(shù)分別為1.76、1.35、1.16，滑動面如圖3所示?？梢姡捎弥鲃蛹庸檀胧┖蟮倪吰聺M足工程穩(wěn)定性要求。

圖3 典型滑面的穩(wěn)定性計算結(jié)果

若不采用主動加固措施，采用有限元軟件Rocscience Phase 2建立邊坡的數(shù)值計算模型，對斜坡體在不同的工程狀態(tài)下進行分析。圖4給出邊坡開挖后坡體的變形計算結(jié)果。當(dāng)坡腳因工程開挖后，斜坡體原有平衡被破壞，坡體呈現(xiàn)牽引式滑動模式。

實際邊坡開挖后未采取加固措施，當(dāng)巖體強度下降后，首先坡腳失穩(wěn)，隨著變形發(fā)展，破壞范圍逐漸向后緣擴展，邊坡失穩(wěn)后，不得不清理坡面重新進行設(shè)計，工程損失巨大。若要保證開挖后邊坡整體(圖3中滑面3)穩(wěn)定系數(shù)大于1，需要一排間距5 m的3 m×2 m抗滑樁(樁長15 m)對邊坡進行加固，才能使邊坡安全系數(shù)滿足工程穩(wěn)定性要求。被動加固措施下滑面1、滑面2和滑面3的安全系數(shù)見表1。

圖4 開挖后邊坡的牽引滑動模式表1 加固前和抗滑樁加固后的邊坡穩(wěn)定性

綜上對比邊坡的主動加固措施和被動加固措施(見表2)，主動加固措施在邊坡開挖之前進行擋墻施工，對坡體的擾動小，可充分利用巖體的初始強度，加固工程量較小，也能有效保護坡面的原有植被。被動加固措施中，由于巖體強度下降，需要更強的加固手段才能保證邊坡的穩(wěn)定性。因此及時采取主動加固措施是必要、合理的。

表2 主動加固和被動加固措施對比

4 結(jié) 論

傳統(tǒng)的邊坡設(shè)計方法通常基于某一特定狀態(tài)進行設(shè)計，未考慮公路路基開挖過程中巖土強度受擾動后的演化過程，這樣的設(shè)計可能是偏于冒險的，也導(dǎo)致一些邊坡失穩(wěn)災(zāi)害。全強風(fēng)化巖質(zhì)邊坡由于巖體破碎，受工程擾動和降雨影響其強度大大弱化，邊坡設(shè)計中需考慮施工過程中巖體強度的演化過程。本文以某公路工程全強風(fēng)化巖質(zhì)邊坡為例，反分析不同階段的巖體強度，結(jié)果表明邊坡失穩(wěn)時巖體強度較初始強度有較大下降，若采用主動加固設(shè)計方法，邊坡開挖前采用擋墻加固，可滿足工程穩(wěn)定性；若開挖后采用被動加固措施，需采用抗滑樁加固才能滿足穩(wěn)定性要求。對于巖體強度若受工程開挖和降雨影響而弱化的邊坡，采用主動加固設(shè)計非常必要。

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Active Reinforcement Method for Highly Weathered Rock Slope Considering the Evolution of Rock Mass Strength

FENG Zhixiu1，3， LI Damao2，3， YUAN Conghua4， WU Zhenjun4

(1.ConstructionGroupofYunnanHighwayDevelopmentandInvestmentCo.,Ltd.,Kunming,Yunnan650034,China;2.YunnanProvinceHighwayInvestmentandDevelopmentCo.,Ltd.,Kunming,Yunnan650200,China;3.YunnanXiaomoExpresswayExtensionProjectConstructionHeadquarters,Jinghong,Yunnan666100,China;4.StateKeyLaboratoryofGeomechanicsandGeotechnicalEngineering,InstituteofRockandSoilMechanics,ChineseAcademyofSciences,Wuhan,Hubei430071,China)

The strength of highly weathered rock slope is very weak due to engineering disturbance and rainfall, so slope failure usually occurs in highly weathered rock slope mass during highway construction. In previous research slope design is often based on a certain state which cannot reflect the evolution process of rock mass strength under the influence of engineering disturbance and rainfall. In this paper the strength of rock mass at different stages is analyzed by back-analysis method, and the results of active and passive reinforcement for a highway engineering slope are compared and analyzed. The results show that active reinforcement design can effectively utilize the original rock mass strength, thus greatly reduce the amount of reinforcement works.

highly weathered rock; slope stability; engineering disturbance； evolution of rock strength; active reinforcement

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.024

2016-12-09

2017-01-17

云南省交通科技項目(云交科教[2016]163號一(三))，(云交科[2014](A)01)；陸地交通氣象災(zāi)害防治技術(shù)國家工程實驗室開放基金項目(NELBP201601)

馮志秀(1973—)，女，云南巧家人，高級工程師，經(jīng)濟師，主要從事交通工程管理工作。E-mail：1016090006@qq.com

TU457

A

1672—1144(2017)02—0124—04