降雨對(duì)凝灰?guī)r高邊坡穩(wěn)定性影響及防護(hù)措施分析

孫明超， 胡玉杰

(1.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院， 西安710064；2.濟(jì)南大學(xué)泉城學(xué)院， 山東蓬萊265600)

降雨對(duì)凝灰?guī)r高邊坡穩(wěn)定性影響及防護(hù)措施分析

孫明超1， 胡玉杰2

(1.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院， 西安710064；2.濟(jì)南大學(xué)泉城學(xué)院， 山東蓬萊265600)

凝灰?guī)r遇水會(huì)軟化、崩解，因此凝灰?guī)r高邊坡穩(wěn)定性受降雨影響大。結(jié)合高邊坡穩(wěn)定性已有研究理論和廣東省某高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目中凝灰?guī)r高邊坡工程實(shí)例，闡述了分布于廣東地區(qū)的凝灰?guī)r工程特性，分析了受降雨影響后凝灰?guī)r高邊坡失穩(wěn)的破壞機(jī)理，發(fā)現(xiàn)降雨是導(dǎo)致凝灰?guī)r高邊坡失穩(wěn)破壞的主要原因，阻止雨水入滲是確保凝灰?guī)r高邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵；通過對(duì)比分析工程實(shí)例中三次變更方案內(nèi)容，結(jié)合各個(gè)方案實(shí)施后的結(jié)果分析了各方案特點(diǎn)；結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)凝灰?guī)r高邊坡設(shè)計(jì)、阻止雨水入滲措施、采取合理防護(hù)等穩(wěn)定措施進(jìn)行了工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。

凝灰?guī)r高邊坡；降雨入滲；邊坡防護(hù)；邊坡穩(wěn)定性

引言

凝灰?guī)r在我國(guó)廣東等地分布較廣，凝灰?guī)r工程遇水易變，而廣東地區(qū)雨水豐沛，因此在該區(qū)進(jìn)行公路、鐵路建設(shè)施工，不可避免的要面臨凝灰?guī)r高邊坡穩(wěn)定性問題。邊坡若發(fā)生溜滑等病害，將給施工、運(yùn)營(yíng)帶來巨大損失，因此高邊坡穩(wěn)定性是重大工程建設(shè)的首要工程地質(zhì)問題和巖石力學(xué)問題[1-4]。本文依托廣東省某高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目，結(jié)合凝灰?guī)r高邊坡現(xiàn)場(chǎng)施工過程中發(fā)生的病害以及加固防護(hù)方式，對(duì)凝灰?guī)r高邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究，為今后在廣東省地區(qū)凝灰?guī)r高邊坡工程設(shè)計(jì)施工提供理論支持和工程借鑒。

1 工程概況

該高速公路沿線有多個(gè)凝灰?guī)r高邊坡，風(fēng)化程度較高、巖體破碎、裂隙發(fā)育，并具有明顯的土石界面；邊坡巖體工程地質(zhì)條件差，該區(qū)雨季長(zhǎng)、降雨多，施工與降雨雙重干擾，易誘發(fā)邊坡變形失穩(wěn)。選取沿線最典型的凝灰?guī)r高邊坡，該邊坡共5級(jí)邊坡，巖體主要為凝灰?guī)r，其中一級(jí)邊坡為微風(fēng)化凝灰?guī)r，二、三級(jí)邊坡為中風(fēng)化凝灰?guī)r，四、五級(jí)邊坡由凝灰?guī)r向第四系覆蓋層過度。由于邊坡巖性差，強(qiáng)降雨影響導(dǎo)致該邊坡開挖過程中共發(fā)生過大小2次溜滑，且防護(hù)措施多樣化，因此對(duì)研究降雨引起的凝灰?guī)r邊坡穩(wěn)定性具有較高的代表性。第一次溜滑如圖1 所示。

圖1 邊坡第一次溜滑全貌

2 凝灰?guī)r工程特性

凝灰?guī)r是一種火山碎屑巖，在廣東省內(nèi)分布較廣，根據(jù)地勘資料，該工程中涉及的凝灰?guī)r屬于軟質(zhì)巖石，工程特性較差，主要表現(xiàn)為：

(1)強(qiáng)度低。根本原因在于凝灰?guī)r的成巖作用差，或者后期變化使其強(qiáng)度降低，承載能力差，抗剪強(qiáng)度低。

(2)變形模量小。堆載、卸載、地震等外界影響下，易產(chǎn)生較大的沉陷或不均勻變形。

(3)水理性質(zhì)差。凝灰?guī)r遇水易軟化、崩解，含水量變化時(shí)易出現(xiàn)明顯的膨脹或收縮，長(zhǎng)期高水頭作用下，可能出現(xiàn)管涌或潛蝕等現(xiàn)象[5-6]。因此在廣東地區(qū)，水理性質(zhì)是影響凝灰?guī)r穩(wěn)定性的重要因素。

(4)流變效應(yīng)明顯，長(zhǎng)期強(qiáng)度低，因此凝灰?guī)r高邊坡長(zhǎng)期穩(wěn)定性較差。

3 降雨對(duì)凝灰?guī)r邊坡穩(wěn)定性影響

3.1 凝灰?guī)r邊坡穩(wěn)定性相關(guān)研究

高邊坡穩(wěn)定性是巖土工程界研究的一個(gè)重要課題，而降雨又是影響邊坡穩(wěn)定的重要因素，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了深入的研究。

Schulze O[7]基于巖鹽、Oda M T[8]基于花崗巖、Wang J A[9]基于沉積巖研究了巖體中水的滲透規(guī)律。劉力英[10]結(jié)合廣東地區(qū)工程實(shí)例，用surfer軟件生成實(shí)際地形曲面，采用有限元軟件計(jì)算分析了強(qiáng)降雨和地震作用對(duì)巖質(zhì)高邊坡的影響。劉洪磊[11]通過全應(yīng)力應(yīng)變過程滲透性試驗(yàn)，對(duì)凝灰?guī)r破壞全過程滲流演化規(guī)律進(jìn)行研究。尚濤[12]通過對(duì)凝灰?guī)r質(zhì)高邊坡調(diào)查分析，研究了凝灰?guī)r質(zhì)高邊坡的特性。張卓[13]采用非飽和土抗剪強(qiáng)度理論與有限單元法，對(duì)降雨入滲條件下巖體邊坡穩(wěn)定問題進(jìn)行研究。平揚(yáng)[14]結(jié)合工程實(shí)例，提出了一種降雨入滲條件下，考慮巖土體開裂邊坡穩(wěn)定性分析方法。付宏淵[15]運(yùn)用二維滲流數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)降雨條件下的邊坡穩(wěn)定性變化進(jìn)行了模擬。

3.2 該邊坡失穩(wěn)破壞過程

該凝灰?guī)r高邊坡兩次失穩(wěn)破壞皆因持續(xù)多日強(qiáng)降雨所致，發(fā)展過程幾近相同，病害起始部位都位于三級(jí)邊坡，在降雨初期，病害表征為平臺(tái)開裂，水溝開裂，坡面有沖刷痕跡；隨著降雨的持續(xù)，雨水灌入裂縫中，平臺(tái)裂縫不斷加寬、延長(zhǎng)，坡面出現(xiàn)裂縫，繼而平臺(tái)邊緣開始溜滑，然后發(fā)展為坡體局部溜滑，溜滑物為軟化崩解后的凝灰?guī)r，強(qiáng)度低至徒手可捏碎；三級(jí)邊坡溜滑區(qū)不斷擴(kuò)大，牽動(dòng)上部四級(jí)、五級(jí)邊坡分別發(fā)生溜滑?，F(xiàn)場(chǎng)該邊坡第二次溜滑病害發(fā)展如圖2 ～圖4 所示。

圖2 巖體開裂

圖3 平臺(tái)下沉邊緣溜滑

圖4 三級(jí)坡溜滑牽動(dòng)四級(jí)坡

3.3破壞機(jī)理分析

凝灰?guī)r遇水軟化、崩解后，工程性質(zhì)介于巖質(zhì)與土質(zhì)之間，凝灰?guī)r高邊坡受降雨影響失穩(wěn)破壞，與“漸變式破壞機(jī)理”較為吻合。首先，降雨初期雨水不斷增加，根據(jù)飽和-非飽和理論，降雨會(huì)改變巖土體含水量，在邊坡表層形成暫態(tài)飽和區(qū)，改變巖土體的孔隙水壓力，增加自重力；隨著降雨持續(xù)，邊坡接受雨水不斷補(bǔ)給，凝灰?guī)r邊坡表層風(fēng)化巖體裂隙發(fā)育，滲透系數(shù)較大，邊坡表層巖體內(nèi)雨水瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)和水壓分布會(huì)進(jìn)而影響邊坡穩(wěn)定狀態(tài)，增大滑動(dòng)土體的剪應(yīng)力，雨水軟化巖土體，潤(rùn)滑滑動(dòng)面，同時(shí)雨水入滲也會(huì)降低巖土體的抗剪強(qiáng)度和基質(zhì)吸力，凝灰?guī)r本身具有遇水崩解、軟化特性，強(qiáng)度迅速降低，凝灰?guī)r軟化后以溜滑物形式溜滑，最終誘發(fā)邊坡失穩(wěn)破壞。

4 防護(hù)措施分析

4.1 邊坡設(shè)計(jì)方案

該邊坡按原有設(shè)計(jì)方案施工過程中，由于降雨和開挖擾動(dòng)影響發(fā)生第一次失穩(wěn)破壞，然后對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行變更，按變更方案施工后三級(jí)邊坡仍因降雨發(fā)生了第二次溜滑，再次對(duì)病害區(qū)進(jìn)行變更，最后完成邊坡開挖。設(shè)計(jì)方案匯總見表1 ，方案概略圖如圖5 、圖6 所示。

表1 邊坡設(shè)計(jì)方案匯總

圖5 邊坡原設(shè)計(jì)方案

圖6 邊坡變更方案

4.2設(shè)計(jì)方案分析

對(duì)比分析三個(gè)方案的內(nèi)容變化，針對(duì)該高邊坡凝灰?guī)r工程特性及裂隙發(fā)育，主要從以下三個(gè)角度增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性：

(1)坡率放緩。原有設(shè)計(jì)方案坡率較小，凝灰?guī)r遇水軟化、崩解，強(qiáng)度降低，易使得邊坡失穩(wěn)破壞。變更方案1將邊坡坡率放緩后，在一定程度上增大了邊坡的安全系數(shù)。

(2)平臺(tái)加寬。變更方案1中二級(jí)邊坡平臺(tái)放寬至15 m，能有效增大三級(jí)邊坡下部對(duì)上部的支撐力，防止上部發(fā)生溜滑時(shí)溜滑物向下滾落至高速公路影響安全運(yùn)營(yíng)。

(3)“工程+植被”綜合防護(hù)。素混凝土護(hù)壁有效的阻止了降雨入滲三級(jí)、二級(jí)邊坡破體內(nèi)部，錨桿格梁加固使得安全系數(shù)增大，邊坡穩(wěn)定性增強(qiáng)，兩側(cè)急流槽能將坡面雨水排出，排水管可排出坡體雨水，有效阻止或減輕凝灰?guī)r遇水軟化、崩解。三維網(wǎng)植草不僅能根固土壤，一定程度防降雨入滲巖隙之中，還可以美化邊坡、保護(hù)生態(tài)。

5 結(jié)論

本文通過借助工程實(shí)例，對(duì)凝灰?guī)r高邊坡在降雨入滲后的穩(wěn)定性變化，以及如何采取支護(hù)措施進(jìn)行研究，所得結(jié)論如下：

(1)凝灰?guī)r遇水軟化、崩解的內(nèi)在特性，是凝灰?guī)r高邊坡受降雨影響失穩(wěn)破壞的根本原因，因此阻止雨水入滲是確保凝灰?guī)r高邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵。

(2)在多雨地區(qū)做凝灰?guī)r邊坡設(shè)計(jì)時(shí)，下部邊坡平臺(tái)可寬于上部邊坡平臺(tái)，坡率應(yīng)根據(jù)邊坡設(shè)計(jì)高度進(jìn)行放緩。

(3)阻止雨水入滲。坡面進(jìn)行生態(tài)綠化時(shí)，應(yīng)種植優(yōu)良品質(zhì)的植被，例如紫穗槐、胡枝子、馬棘、鹽膚木、多花木藍(lán)、夾竹桃、枸骨、火棘、山桅子，上述植被混合種植綠化效果更佳；若邊坡不具備植被存活條件，采用素混凝土封閉坡面，防止雨水從坡面入滲坡體；截、排水溝以及急流槽等排水設(shè)施應(yīng)完備，能及時(shí)排除坡面、坡體雨水。

(4)支護(hù)措施應(yīng)合理。對(duì)于微風(fēng)化凝灰?guī)r邊坡可采用“錨桿(索)框架梁+噴混植生”，對(duì)中風(fēng)化凝灰?guī)r邊坡可采用“錨桿(索)框架梁+素混凝土護(hù)壁”。

(5)在凝灰?guī)r高邊坡開挖過程中，施工工序要合理，支護(hù)措施要隨挖隨支；對(duì)已出現(xiàn)開裂的坡面、平臺(tái)，可采用水泥漿臨時(shí)封縫避免病害進(jìn)一步惡化。

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Analysising and Protection Measures of the Rainfall Effect on Stability of Tuff High Slope

SUNMingchao1,HUYujie2

(1.School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, China; 2.University of Jinan Quancheng College,Penglai 265600, China)

The tuff in water will be softening and disintegration, so the stability of high slope influenced by the rainfall. Combining the existed theory concerned the stability of high slope and making tuff high slope of Guangdong province expressway extension project as an engineering example, the engineering characteristics of tuff in the Guangdong area are expounded and the destruction mechanism of tuff high slope because of raining is analysed. Stopping the rain infiltration is found to be the key to ensure the tuff slope stability, comparing three solutions of tuff high slope in the instance. Engineering experiences of designing tuff high slope, preventing the rain infiltration and adopting the reasonable supporting measures are concluded.

tuff high slope; rainfall infiltration; slope support; slope stability

2016-10-23

孫明超(1990-)，男，山東青州人，碩士生，主要從事巖土工程方面的研究，(E-mail)987904690@qq.com； 胡玉杰(1991-)，女，山東濰坊人，碩士生，主要從事管理學(xué)方面的研究，(E-mail)642441906@qq.com

1673-1549(2017)01-0084-04

10.11863/j.suse.2017.01.16

TU444

A