無確定性滑動面的裂隙巖體邊坡潛在滑動范圍確定方法及治理措施研究

(河北省高速公路管理局，河北 石家莊　050043)

0　引言

河北省自2000年以后，高速公路建設(shè)得到了極大的發(fā)展，尤其是高速公路開始從平原向山區(qū)延伸，線形指標高、路面寬、開挖量大，因而不可避免地出現(xiàn)了大量的高邊坡。通過對張承高速、張涿高速、承赤高速和承朝高速等沿線的高邊坡進行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，裂隙發(fā)育型巖體高邊坡在所有類型的邊坡中占有較大的比例。該類型邊坡的最大特點就是巖體被各種裂隙切割，降低了坡體的整體完整性，使邊坡容易在外力作用下發(fā)生掉塊、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，由于邊坡的裂隙分布具有隨機性，較難事先明確其潛在的滑動面位置，從而給邊坡的治理帶來一定的難度。因此，對無確定性滑動面的裂隙巖體邊坡的潛在滑動范圍進行研究，并提出針對性的治理措施，具有重要的工程意義。

當(dāng)前邊坡穩(wěn)定性的方法主要分為兩類：極限平衡法和強度折減法[1]。前者是把某一個特定潛在滑動面以上的土體看作剛體，并將其劃分為若干條塊，假定各個條塊間相互作用力方向和位置，采用一定的簡化條件使之轉(zhuǎn)化為靜定問題，然后降低巖體強度參數(shù)使之達到極限平衡狀態(tài)，通過求解靜力平衡方程來得到邊坡的安全系數(shù)。這種方法最大的缺陷就是需要事先假定滑動面的位置，對于裂隙發(fā)育型巖體邊坡而言，假定的滑動面位置和形狀較難反映真實的潛在滑動面，因而，極限平衡法不適用于該類型邊坡的穩(wěn)定性分析。強度折減法是邊坡穩(wěn)定性分析的另一種方法，是由Zienkiewicz在1975年提出的，其基本原理就是采用式(1)與式(2)不斷折減巖土體的強度指標c與φ(式中，cf為折減后的粘結(jié)力，φf為折減后的摩擦角，f為折減系數(shù))，然后進行數(shù)值分析，反復(fù)計算，直至邊坡達到臨界狀態(tài)，此時的折減系數(shù)f即為安全系數(shù)[2]。這種方法最大的特點是不需要提前假定滑動面，可同時得出安全系數(shù)與潛在滑動面位置。因此，強度折減法可應(yīng)用于此類型邊坡的穩(wěn)定性分析中。

(1)

(2)

在裂隙巖體邊坡的安全防護方面，擋墻是一種有效的治理措施，此種措施屬于主動防護形式，既可以對坡面小范圍的掉塊、落石進行防護，又可以對大范圍的滑塌進行治理。根據(jù)擋墻材料和支護形式，擋墻可以分為重力式擋墻、懸臂式擋墻、扶壁式擋墻、錨桿式擋墻、錨定板擋墻、加筋土擋墻、樁板式擋墻等，《公路路基設(shè)計規(guī)范》JTG D30—2015 指出錨桿擋墻宜用于墻高較大的巖質(zhì)邊坡，可用作抗滑擋墻[3-5]。

以承朝高速某裂隙發(fā)育型巖體邊坡為研究對象，首先通過現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查手段獲取節(jié)理、裂隙的地質(zhì)信息，并基于蒙特卡洛法模擬坡體內(nèi)部節(jié)理、裂隙的分布，然后，采用強度折減法對邊坡進行穩(wěn)定性分析，根據(jù)滑移和張開節(jié)理的貫通狀態(tài)確定邊坡的滑塌范圍，最后，擬采用錨桿擋墻的形式對該處邊坡進行治理，并通過反復(fù)試算確定各項具體設(shè)計參數(shù)(錨桿長度、錨桿間距、錨桿直徑、擋墻厚度、擋墻配筋等)。

1　蒙特卡洛法模擬隨機裂隙的原理

相關(guān)研究成果表明，節(jié)理裂隙的跡場、間距通常服從負指數(shù)分布或?qū)?shù)型正態(tài)分布，其傾角多服從正太分布或均勻分布[6]，基于以上分布特征，可以采用蒙特卡洛法(隨機模擬方法)來模擬邊坡中的隨機裂隙網(wǎng)絡(luò)分布，其基本步驟如下：

(1) 根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，獲得節(jié)理、裂隙的節(jié)理組數(shù)以及各個節(jié)理組的傾角、間距、巖橋長度、跡長的平均值、最小值和最大值。

(2) 建立隨機變量的統(tǒng)計概率模型，確定與其相匹配的隨機數(shù)。

(3) 通過抽樣統(tǒng)計得到服從統(tǒng)計模型規(guī)律的估算值，得到與實際裂隙網(wǎng)絡(luò)在統(tǒng)計特征上相同的近似網(wǎng)絡(luò)。

(4) 利用UDEC軟件重構(gòu)上述隨機裂隙網(wǎng)絡(luò)。在UDEC軟件中模擬隨機裂隙網(wǎng)絡(luò)的示意圖見圖1。設(shè)跡長為L1，巖橋長度為L2，間距為D，傾角為α；A點坐標為(Xt,Yt)，B點坐標為(Xt+1,Yt)，C點坐標為(Xt+1,Yt+1)，則有

(3)

節(jié)理A兩個端點的坐標(X1,Y1)，(X2,Y2)為

(4)

2　工程地質(zhì)概況

采用三維激光掃描技術(shù)，并結(jié)合地質(zhì)羅盤、皮尺、相機等傳統(tǒng)工具對該邊坡進行了現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查和地形測繪。根據(jù)三維激光掃描得到的效果見圖2。現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，山體中間為沖溝，沖溝由斷層經(jīng)長期地質(zhì)作用而成。在溝口經(jīng)過人工開挖形成一個三面環(huán)坡的U型平地，并修建有3層建筑。人工開挖形成的巖質(zhì)邊坡呈直立狀態(tài)，平均坡高約為15 m，坡體表面巖體裸露，無任何防護措施，坡體離建筑極近，約為1.5 m。邊坡巖體為沉積巖，巖層呈明顯的層狀分布。面對建筑物，左側(cè)坡體的坡角約為85°，平均坡高約為16 m，主要發(fā)育有4組節(jié)理，節(jié)理幾何參數(shù)詳見表1。右側(cè)坡體的坡角為90°，平均坡高約為20 m，主要發(fā)育有3組節(jié)理，節(jié)理幾何參數(shù)詳見表2。建筑物左側(cè)和右側(cè)巖體的現(xiàn)場照片見圖3。

圖1　節(jié)理模擬示意圖[5]

圖2　三維激光掃描效果圖

圖3　巖體現(xiàn)場圖片

節(jié)理組傾角/(°)跡長/m巖橋長度/m間距/mⅠ905.81.00.7Ⅱ848.00.20.15Ⅲ8貫通0.00.5Ⅳ458.00.50.4

表2　右側(cè)坡體節(jié)理幾何參數(shù)(表中數(shù)據(jù)為平均值)

由于坡體表面巖體裸露，無任何防護措施，坡體離建筑極近，約為1.5 m，給建筑結(jié)構(gòu)帶來較大的風(fēng)險，主要的安全風(fēng)險問題如下：

(1) 從整體來看，邊坡直立且高度較大，巖體裂隙較發(fā)育且無任何防護措施，邊坡巖體在風(fēng)化作用下強度進一步降低，容易發(fā)生局部掉塊或者崩塌現(xiàn)象，隨著時間的推移，有可能發(fā)生較大的邊坡垮塌。

(2) 從局部部位來看，建筑結(jié)構(gòu)的右邊存在懸臂式危巖體，懸挑端長度約為1.0 m，且懸挑端后部存在近似貫通的豎直節(jié)理，該危巖體存在極大的崩塌風(fēng)險。

(3) 建筑結(jié)構(gòu)右邊靠近公路的巖體發(fā)育兩條張開度約為0.3～0.5 m的張拉裂縫，近似直立，且貫通，存在傾倒變形破壞的風(fēng)險，給公路上的行車帶來安全風(fēng)險。

3　裂隙巖體邊坡破壞模式及潛在滑塌范圍的確定

為了評價此處裂隙巖體邊坡的穩(wěn)定性并確定其潛在的滑塌范圍，選取4個剖面采用離散元分析方法進行分析，4個剖面的位置示意圖及編號見圖2?；诿商乜宸ê捅?、表2中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，利用編寫的fish語言生成4個剖面的隨機裂隙網(wǎng)絡(luò)圖，見圖4。由于此處巖體邊坡的穩(wěn)定性主要由節(jié)理、裂隙控制，因此，在分析其穩(wěn)定性時，假設(shè)巖塊為彈性模型，節(jié)理為彈塑性模型，采用Mohr庫倫準則進行模擬。巖塊和節(jié)理的力學(xué)參數(shù)如下所述：

(1) 巖塊：重度為23 kN/m3，彈性模量為0.5 GPa，泊松比為0.25。

(2) 節(jié)理：法向和切向剛度為0.1 GPa，摩擦角取16°，忽略粘結(jié)力。

圖4　邊坡巖體的隨機裂隙網(wǎng)絡(luò)

采用強度折減法對節(jié)理的抗剪強度參數(shù)不斷進行折減，并不斷進行彈塑性計算，直到巖塊發(fā)生明顯的位移錯動或者張開、滑移的裂隙呈現(xiàn)明顯的貫通狀態(tài)，此時的折減系數(shù)即為邊坡的安全系數(shù)，得到邊坡狀態(tài)即為臨界狀態(tài)。4個剖面的安全系數(shù)分別是1.06、1.03、1.01、0.97，由此表明，邊坡已處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)。把節(jié)理的強度參數(shù)除以安全系數(shù)得到新的強度參數(shù)，并重新進行彈塑性計算，由此得到4個剖面的臨界狀態(tài)，其臨界狀態(tài)的位移云圖見圖5。由圖5可知，剖面1在重力作用下，邊坡淺表層松動巖體崩落至路面，同時，在臨空面后約3 m范圍內(nèi)存在直立的錯動面，呈鼓屈、傾倒破壞形態(tài)；剖面2處淺表層松動巖體崩落至既有擋墻平臺上面，同時，在臨空面后約3 m范圍內(nèi)存在直立的錯動面；剖面3處邊坡巖體沿垂直主控節(jié)理發(fā)生傾覆破壞(距離初始臨空面位置約為5～6 m)，進而誘發(fā)后面的巖體發(fā)生錯動滑移；剖面4處邊坡巖體沿傾斜節(jié)理發(fā)生滑動，從而使后緣產(chǎn)生張拉裂縫(張拉裂縫距離臨空面約6～7 m)。

圖5　臨界狀態(tài)破壞模式及滑塌范圍

4　裂隙巖體邊坡的治理措施

由第4節(jié)的分析可知，當(dāng)前邊坡已接近臨界狀態(tài)，存在較大的失穩(wěn)風(fēng)險，另外，根據(jù)松動巖體的范圍或貫通的節(jié)理、裂隙可以確定潛在滑塌范圍，為邊坡的治理指明了方向。根據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》JTG D30—2015表5.4.1的建議，錨桿擋土墻宜用于墻高較大的巖質(zhì)邊坡，此處宜采用錨桿擋土墻進行處置。下面采用離散元分析程序?qū)ι鲜?個剖面的設(shè)計參數(shù)進行詳細的計算分析，以使邊坡達到穩(wěn)定性要求。

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB 50010—2010和《公路路基設(shè)計規(guī)范》JTG D30—2015的相關(guān)設(shè)計要求和參數(shù)建議取值，混凝土擋墻、錨桿和注漿體的力學(xué)取值如下[3,8]：(1) 混凝土擋墻：采用C20混凝土，重度為25 kN/m3，彈性模量為25.5 GPa，泊松比為0.2，厚度為0.3 m；(2) 錨桿：HRB335螺紋鋼，重度為75 kN/m3，彈性模量為200 GPa，極限抗拉強度455 MPa；(3) 注漿體：抗剪剛度0.1 GPa，抗剪強度1.5 MPa。在已知以上參數(shù)的情況下，通過離散元分析軟件進行不斷試算，進而確定錨桿的長度、間距以及混凝土擋墻的配筋率，其主要計算步驟如下：

(1) 根據(jù)蒙特卡洛法建立4個剖面的裂隙網(wǎng)絡(luò)模型，見圖4。

(2) 在裂隙網(wǎng)絡(luò)模型的臨空面(即坡面)設(shè)置混凝土擋墻，擋墻采用彈性模型，同時，設(shè)置錨桿并連接到混凝土擋墻上，錨桿的初始長度要穿過潛在滑塌范圍區(qū)，其初始間距取《公路路基設(shè)計規(guī)范》JTG D30—2015中的建議值，與水平面呈20°傾角朝下，其初始直徑取20 mm。

(3) 《公路路基設(shè)計規(guī)范》JTG D30—2015規(guī)定邊坡在正常工況下的安全系數(shù)達到1.2時才符合穩(wěn)定性要求，因此，對節(jié)理、裂隙網(wǎng)絡(luò)的抗剪強度參數(shù)除以1.2后，進行彈塑性計算，判斷整個邊坡模型是否失穩(wěn)(即錨桿是否破壞、張開和滑移的節(jié)理裂隙是否貫通、巖塊是否出現(xiàn)滑塌)。

(4) 若此時邊坡模型未發(fā)生整體破壞，則利用自編的fish語言提取混凝土擋墻的彎矩，并繪制彎矩圖，用于抗彎配筋計算；若此時邊坡模型發(fā)生了整體破壞，則需用重新調(diào)整錨桿的間距、長度和直徑，并重新計算第(3)的計算，直到邊坡達到整體穩(wěn)定狀態(tài)，然后再提取混凝土擋墻的彎矩。

(5) 根據(jù)第(4)步提取的彎矩對混凝土擋墻進行配筋計算。

根據(jù)以上計算步驟對4個剖面進行反復(fù)試算，最終確定4個剖面的錨桿幾何參數(shù)值見表3，4個剖面的混凝土擋墻的彎矩圖見圖6。由圖6可知，剖面1的臨空面?zhèn)茸畲髲澗貫?4.63 kN·m，靠近邊坡側(cè)的最大彎矩為42.33 kN·m；剖面2的擋墻朝臨空面?zhèn)葟澢?，最大彎矩?1.62 kN·m；剖面3的擋墻朝臨空面?zhèn)葟澢?，最大彎矩?35.9 kN·m；剖面4的擋墻朝臨空面?zhèn)葟澢淖畲髲澗貫?72.4 kN·m，朝山體側(cè)彎曲的最大彎矩為34.5 kN·m。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB 50010—2010，4個計算剖面均選用選用HPB235光圓鋼筋作為受拉筋，保護層厚度取20 mm，抗彎配筋計算截面取2.0 m×0.3 m，由此得到4個剖面的配筋率及布筋示意圖，如下所述：

剖面1：臨空面一側(cè)配筋面積為1 416 mm2(直徑取10 mm，數(shù)量為18根，間距取110 mm)，靠近山體側(cè)的配筋面積為1 416 mm2(直徑取10 mm，數(shù)量為18根，間距取110 mm)，如圖7(a)所示。

剖面2：臨空面一側(cè)配筋面積為1 416 mm2(直徑取10 mm，數(shù)量為18根，間距取110 mm)，另外，雖然靠近山體側(cè)不承受彎矩，但仍需要布置構(gòu)造鋼筋，構(gòu)造鋼筋采用HPB235光圓鋼筋(直徑取10 mm，間距取200 mm)如圖7(b)所示。

剖面3：臨空面一側(cè)配筋面積為2 428 mm2(直徑取10 mm，數(shù)量為31根，間距取66 mm)，另外，雖然靠近山體側(cè)不承受彎矩，但仍需要布置構(gòu)造鋼筋，構(gòu)造鋼筋采用HPB235光圓鋼筋(直徑取10 mm，間距取200 mm)，如圖7(c)所示。

剖面4：臨空面一側(cè)配筋面積為5 150 mm2(66根，間距取30 mm)，靠近山體側(cè)配筋面積為1 416 mm2(18根，間距取110 mm)，如圖7(d)所示。

表3　錨桿間距、長度和直徑

圖6　混凝土擋墻彎矩圖

圖7　混凝土擋墻縱向受力鋼筋布置示意圖(單位：mm)

為了驗證以上設(shè)計參數(shù)的可靠性，根據(jù)以上設(shè)計參數(shù)重新建立4個剖面的地質(zhì)力學(xué)模型，并把節(jié)理的抗剪切強度參數(shù)恢復(fù)到實際值，重新進行離散元分析，由此計算得到治理后4個剖面的位移變形圖，見圖8。對比分析圖5和圖8可知，采取上述治理措施后，有效地抑制了坡體表面松動巖體的掉塊、傾覆和滑移破壞，提高了邊坡巖體的穩(wěn)定性。

圖8　治理后邊坡的位移變形圖

5　結(jié)論

以承朝高速某裂隙發(fā)育型巖體邊坡為研究對象，通過地質(zhì)調(diào)查和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對此處邊坡的穩(wěn)定性進行了分析，提出了針對性的治理措施，并對具體支護參數(shù)進行了設(shè)計，取得的主要結(jié)論如下：

(1) 對于無確定性滑移面的裂隙發(fā)育型巖質(zhì)邊坡而言，極限平衡法較難確定其潛在滑塌范圍。但是，基于離散元法和強度折減法，通過對節(jié)理、裂隙的抗剪切強度參數(shù)進行折減試算，根據(jù)張拉和滑移的裂隙呈貫通狀態(tài)、巖塊發(fā)生顯著滑塌現(xiàn)象，可判斷裂隙巖體邊坡臨界狀態(tài)的潛在滑塌范圍，為邊坡的治理指明方向。

(2) 從治理后的數(shù)值模擬結(jié)果來看，擋墻的彎曲方向朝臨空面外面，因此，在臨空面外側(cè)需要根據(jù)彎矩大小進行配筋，在臨空面內(nèi)側(cè)只需根據(jù)構(gòu)造要求配筋。

(3) 節(jié)理裂隙面的產(chǎn)狀是決定裂隙巖體邊坡穩(wěn)定性和治理方案的一個重要影響因素，剖面1和剖面2的近似垂直節(jié)理被近似水平節(jié)理切割，而剖面3和剖面4的近似垂直節(jié)理被順傾節(jié)理切割。因此，剖面3和剖面4中的巖體穩(wěn)定性存在往臨空面滑移的趨勢，其穩(wěn)定性比剖面1和剖面2差，其擋墻所受彎矩亦大于剖面1和剖面2。

(4) 錨桿擋墻適用于高陡巖質(zhì)邊坡的治理，采用離散元軟件，通過反復(fù)試算確定各項設(shè)計參數(shù)(錨桿長度、錨桿間距、錨桿直徑、擋墻厚度、配筋率等)，計算結(jié)果表明，錨桿擋土墻的治理方式可以有效約束住裂隙巖體的變形，同時，使裂隙巖體邊坡的安全系數(shù)提高到1.2以上，符合規(guī)范的要求。因此，所設(shè)計的支護措施是合理有效的。

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