開(kāi)挖對(duì)順向巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性影響及錨索加固效果分析

馬淑芝，劉小浪，席人雙，王 哲

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，湖北 武漢 430074； 2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司道路交通設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430063)

0 引 言

順向巖質(zhì)邊坡廣泛存在于各類(lèi)工程建設(shè)中，其穩(wěn)定性問(wèn)題是眾多工程技術(shù)人員研究的熱點(diǎn)課題之一。在高速公路建設(shè)中，合理的邊坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)不僅對(duì)公路工程建設(shè)可行性決策產(chǎn)生重要的控制性作用，而且在很大程度上影響高速公路工程的建設(shè)投資和運(yùn)營(yíng)使用效益[1]。

實(shí)際工程中，巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析方法有赤平投影分析法、塊體理論分析法、極限平衡法、數(shù)值分析法等。Sarma法[2]是極限平衡法的一種，在國(guó)內(nèi)外很多邊坡工程中得到廣泛應(yīng)用[3-10]。基于傳統(tǒng)Sarma法，研究人員根據(jù)實(shí)際情況對(duì)該方法作出改進(jìn)。熊將等針對(duì)庫(kù)區(qū)巖體淹沒(méi)在水下的情況，在Sarma法中考慮了浮力的作用，得到合理的計(jì)算結(jié)果[11]；馮君等在Sarma法中考慮了巖質(zhì)邊坡開(kāi)挖地應(yīng)力釋放荷載，使該方法在分析高地應(yīng)力地區(qū)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性方面有較好的適宜性[12-13]；周志軍等將安全穩(wěn)定性系數(shù)與臨界加速度系數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系引入Sarma法，結(jié)果表明改進(jìn)后的Sarma法不存在收斂性問(wèn)題，使用方便[14]；孫少銳等改進(jìn)了Sarma法的假設(shè)條件，二次開(kāi)發(fā)了基于GOCAD三維地質(zhì)模型網(wǎng)格的Sarma法程序，實(shí)際應(yīng)用表明該程序可以分析多種介質(zhì)的復(fù)雜邊坡[15]；鄭文等開(kāi)發(fā)了可考慮基質(zhì)吸力的Sarma法條分程序，并用于非飽和土的滑坡穩(wěn)定性分析[16]；譙禮將蒙特卡洛(Monte Carlor)法與改進(jìn)的Sarma法耦合應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性可靠度的計(jì)算中[17]；徐昱將巖體結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬及連通率計(jì)算成果應(yīng)用于Sarma法，成功實(shí)現(xiàn)了在巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析中考慮巖體各向異性[18]；符貴軍等將地震加速度以方位角的形式施加到條塊上，結(jié)果表明改進(jìn)后的Sarma法可以滿(mǎn)足邊坡穩(wěn)定性工程評(píng)價(jià)需要[19]。目前在Sarma法中考慮加錨的研究相對(duì)較少，因此，本文在傳統(tǒng)Sarma法基礎(chǔ)上考慮錨固力的作用，以分析加錨巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性。

1 邊坡概況

廈沙高速公路ZK113+630～ZK113+805巖質(zhì)高邊坡位于福建省尤溪縣境內(nèi)肖板隧道北300 m，地層主要由石英片巖構(gòu)成，設(shè)計(jì)9級(jí)開(kāi)挖形成路塹，最大坡高約為78.5 m，坡度為39°～44°，屬于典型的順向巖質(zhì)高邊坡。該邊坡的穩(wěn)定性制約著廈沙高速公路建設(shè)的推進(jìn)及后續(xù)運(yùn)營(yíng)維護(hù)，因此，研究該邊坡的穩(wěn)定性及加固措施具有重要意義。

1.1 邊坡的構(gòu)成

經(jīng)前期勘察，邊坡工程地質(zhì)剖面圖如圖1所示。Qel+dl為第四系殘坡積層碎塊石土，AnZ為前震旦系石英片巖，片理面傾角大于自然坡角和開(kāi)挖后坡角。根據(jù)鉆孔資料，邊坡表層為約1 m厚的殘坡積層，下伏分別為6～18 m厚的強(qiáng)風(fēng)化層、7～10 m厚的中等風(fēng)化層，揭露最深為微風(fēng)化層。

圖1 廈沙高速公路某段邊坡工程地質(zhì)剖面Fig.1 Engineering Geological Section of Slope in a Segment of Xia-Sha Expressway

1.2 邊坡巖體的物理力學(xué)參數(shù)

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)不同風(fēng)化程度的石英片巖采樣，進(jìn)行密度測(cè)試、單軸抗壓試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)荷載強(qiáng)度測(cè)試，得到石英片巖物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。對(duì)巖樣進(jìn)行結(jié)構(gòu)面剪切試驗(yàn)，不同風(fēng)化程度石英片巖片理力學(xué)強(qiáng)度建議值見(jiàn)表2。

表1 石英片巖物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and Mechanical Parameters of Quartz Schists

表2 石英片巖片理力學(xué)強(qiáng)度建議值Tab.2 Recommended Mechanical Strength Values of Quartz Schists Foliation

1.3 邊坡巖體的工程分類(lèi)

根據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50218—2014)[20]和RMR分類(lèi)法[21]，石英片巖工程分類(lèi)結(jié)果見(jiàn)表3，可見(jiàn)強(qiáng)風(fēng)化和中等風(fēng)化石英片巖工程性質(zhì)差，微風(fēng)化石英片巖工程性質(zhì)相對(duì)較好。

1.4 邊坡可能的變形破壞形式

由試驗(yàn)參數(shù)和工程分類(lèi)結(jié)果可見(jiàn)，石英片巖風(fēng)化越嚴(yán)重，其巖塊和片理面強(qiáng)度越低。微風(fēng)化石英片巖片理面強(qiáng)度較高，相對(duì)而言不容易剪切破壞，強(qiáng)風(fēng)化和中等風(fēng)化石英片巖片理面在剪切力的作用下容易形成破裂面。中等風(fēng)化與微風(fēng)化石英片巖強(qiáng)度差異較大，因此，易在其分界面上形成貫通的滑動(dòng)面，與片理面的破裂面結(jié)合起來(lái)，導(dǎo)致巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)。

表3 石英片巖工程分類(lèi)結(jié)果Tab.3 Engineering Classification Results of Quartz Schists

圖2 巖質(zhì)邊坡模型Fig.2 Lithological Slope Model

圖3 第i塊體單元受力分析模型Fig.3 Mechanical Analysis Model of Slice i

2 加錨Sarma法基本原理

圖2為一個(gè)巖質(zhì)邊坡模型，邊坡被結(jié)構(gòu)面分割成n個(gè)塊體單元。第i塊體單元受力分析模型如圖3所示。其中，Kc為臨界加速度系數(shù)；Wi為作用在第i塊體單元上的重力；Ei、Ei+1分別為作用在第i塊體單元左、右側(cè)面正壓力；Xi、Xi+1分別為作用在第i塊體單元左、右側(cè)面剪切力；Ni為作用在第i塊體單元底面正壓力；Ti為作用在第i塊體單元底面剪切力；Ci為作用在第i塊體單元上的錨索錨固力；αi為第i塊體單元底面的傾角；δi、δi+1分別為第i塊體單元左、右側(cè)面與垂直面的夾角；li為第i塊體單元底面的長(zhǎng)度。

圖4 邊坡計(jì)算剖面Fig.4 Computed Sections of Slope

根據(jù)第i塊體單元極限平衡條件，垂直方向力平衡方程為

(1)

水平方向力平衡方程為

-Nisinαi+Ticosαi+Xisinδi+Eicosδi-

Xi+1sinδi+1+Ei+1cosδi+1=KcWi+Cix

(2)

臨界加速度系數(shù)Kc表達(dá)式為

(3)

ai=θi[Wisin(φi-αi)+Ricosφi+si+1sin(φi-

αi-δi+1)-sisin(φi-αi-δi)]

(4)

pi=Wiθicos(φi-αi)

(5)

(6)

(7)

Ri=cili-Uitanφi

(8)

(9)

3 邊坡穩(wěn)定性及加固分析

3.1 計(jì)算模型簡(jiǎn)化

根據(jù)邊坡工程地質(zhì)剖面中巖體風(fēng)化情況和工程分類(lèi)結(jié)果假設(shè)可能的滑動(dòng)面，經(jīng)計(jì)算對(duì)比找出穩(wěn)定性系數(shù)最低的潛在滑動(dòng)面。前7級(jí)開(kāi)挖潛在滑動(dòng)面見(jiàn)圖4(a)，第8級(jí)開(kāi)挖潛在滑動(dòng)面見(jiàn)圖4(b)，第9級(jí)開(kāi)挖潛在滑動(dòng)面見(jiàn)圖4(c)。殘坡積層較薄，在模型中忽略不計(jì)。地下水埋深較大，故不考慮地下水的作用。

3.2 Sarma法計(jì)算結(jié)果

不加錨索工況下，各級(jí)開(kāi)挖邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。前兩級(jí)開(kāi)挖邊坡穩(wěn)定性系數(shù)比未開(kāi)挖時(shí)略有提高，推測(cè)這是因?yàn)檫吰麻_(kāi)挖卸荷減輕條塊自重，體系下滑力減小程度大于抗滑力的減小程度。開(kāi)挖到第3級(jí)，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)發(fā)生明顯的下降，這是因?yàn)榇罅块_(kāi)挖卸荷后，條塊底面正壓力降低，導(dǎo)致抗滑能力減弱。

圖5為不加錨索工況下前7級(jí)開(kāi)挖過(guò)程中各條塊底面正壓力隨開(kāi)挖過(guò)程的變化曲線。越靠近邊坡頂部，正壓力受到開(kāi)挖卸荷的影響越大，總體上處于快速減小的趨勢(shì)；底部較為平穩(wěn)，在開(kāi)挖達(dá)到第5級(jí)時(shí)才受到明顯影響。圖5所示規(guī)律可解釋表4中穩(wěn)定性系數(shù)的變化趨勢(shì)。

表4 不加錨索工況下各級(jí)開(kāi)挖邊坡穩(wěn)定性系數(shù)Tab.4 Stability Coefficients of Slope in Excavation at Different Levels Without Anchor Cable

圖5 條塊底面正壓力隨開(kāi)挖過(guò)程變化Fig.5 Changes of Positive Pressure of Slice Bottom with Excavation Process

圖6 施加錨索和不加錨索工況下條塊底面正壓力對(duì)比Fig.6 Comparisons of the Positive Pressure of Slice Bottom with and Without Anchor Cable

考慮到開(kāi)挖至第3級(jí)后邊坡穩(wěn)定性系數(shù)明顯持續(xù)下降，至第9級(jí)時(shí)降到1.243，小于《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》[22]規(guī)定的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)1.35，應(yīng)對(duì)邊坡進(jìn)行處理。本工程擬采取邊開(kāi)挖邊加固治理措施，在第3、5、6、8級(jí)開(kāi)挖后分別設(shè)計(jì)兩排錨索，布置間距2 m，錨索長(zhǎng)28 m，錨固段長(zhǎng)12 m，入射角30°，設(shè)計(jì)錨固力700 kN。

利用本文施加錨索巖質(zhì)邊坡Sarma法，將施加錨索工況下第3、5、6、8級(jí)各條塊底面正壓力和剪切力與不加錨索工況進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果分別見(jiàn)圖6、7。從第3級(jí)到第6級(jí)開(kāi)挖，施加錨索使得條塊5、條塊4、條塊3底面的正壓力顯著增大(圖6)，可以提高條塊底面的抗滑力。施加錨索降低了條塊底面受到的剪切力，且隨著開(kāi)挖加固的深入，這種降低表現(xiàn)得越明顯(圖7)。以條塊1為例，第3級(jí)開(kāi)挖施加錨索使剪切力降低65 kN，第5級(jí)開(kāi)挖降低147 kN，第6級(jí)開(kāi)挖降低155 kN。

圖7 施加錨索和不加錨索工況下條塊底面剪切力對(duì)比Fig.7 Comparisons of the Shear Force of Slice Bottom with and Without Anchor Cable

圖8 施加錨索和不加錨索工況下條塊右側(cè)正壓力對(duì)比Fig.8 Comparisons of the Positive Pressure at the Right of Slice with and Without Anchor Cable

圖9 施加錨索和不加錨索工況下條塊右側(cè)剪切力對(duì)比Fig.9 Comparisons of the Shear Force at the Right of Slice with and Without Anchor Cable

將施加錨索工況下第3、5、6、8級(jí)各條塊右側(cè)正壓力和剪切力與不加錨索工況對(duì)比，結(jié)果分別見(jiàn)圖8、9。施加錨索增大條塊底面的抗滑力，限制了上部條塊的滑動(dòng)趨勢(shì)，減小其對(duì)下部條塊的擠壓和相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，因此，施加錨索后條塊右側(cè)正壓力和剪切力都不同程度地減小。條塊間正壓力減小使得條塊下滑力減小，條塊間剪切力減小使得條塊間不易發(fā)生剪切破壞。

綜上所述，對(duì)某個(gè)條塊而言，施加錨索可以提高底面抗剪強(qiáng)度，降低底面和側(cè)面剪切力、條塊下滑力，從而達(dá)到加固巖質(zhì)邊坡的目的。

圖10 施加錨索與不施加錨索穩(wěn)定性系數(shù)對(duì)比Fig.10 Comparison of the Stability Coefficients with and Without Anchor Cable

將計(jì)算出的施加錨索后邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與未施加錨索穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行對(duì)比(圖10)，結(jié)果顯示不加錨索工況下，最低穩(wěn)定性系數(shù)為1.243，施加錨索后的最低穩(wěn)定性系數(shù)提高至1.630，大于《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》[22]規(guī)定的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)(1.35)的要求。施加錨索使得開(kāi)挖邊坡穩(wěn)定性系數(shù)顯著提高，說(shuō)明系統(tǒng)錨桿穿過(guò)潛在滑動(dòng)面與滑床基巖結(jié)合作用，提高了邊坡巖體的抗剪強(qiáng)度，降低了軟弱結(jié)構(gòu)面之間的剪切力，使得邊坡整體更穩(wěn)定。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)巖質(zhì)邊坡開(kāi)挖卸荷使條塊底面正壓力降低，從而影響到抗滑力；當(dāng)抗滑力減小幅度大于下滑力減小幅度時(shí)，邊坡穩(wěn)定性會(huì)降低。

(2)施加錨索能夠增大條塊底面的正壓力，提高條塊底面抗剪強(qiáng)度；邊坡上某個(gè)條塊加固穩(wěn)定對(duì)下部條塊擠壓作用力降低，使下部條塊下滑力降低。上述兩方面綜合作用提高了邊坡的整體穩(wěn)定性。

(3)廈沙高速公路ZK113+630～ZK113+805巖質(zhì)邊坡開(kāi)挖會(huì)降低其穩(wěn)定性。當(dāng)開(kāi)挖揭露到微風(fēng)化石英片巖時(shí)，形成7級(jí)邊坡，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)降低到1.243，施加錨索加固后邊坡最小穩(wěn)定性系數(shù)提高至1.630，加固效果顯著，達(dá)到規(guī)范要求。