含軟弱夾層順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析及處治研究

孫 磊

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司濟(jì)南設(shè)計(jì)院，山東濟(jì)南 250022)

在具有層狀結(jié)構(gòu)的巖體中開挖邊坡，當(dāng)坡面和巖體的層面二者走向和傾向相近時(shí)，就形成了順層巖質(zhì)邊坡。順層邊坡常見的破壞模式主要有順層滑移破壞型、滑移-拉裂破壞型、滑移-彎曲破壞型、滑劈破壞型等，這些破壞模式主要與邊坡地層巖性、巖體結(jié)構(gòu)與開挖面等有關(guān)。尤其是含軟弱夾層的順層邊坡，稍有擾動就會引起滑動，是順層邊坡中最易失穩(wěn)的一種類型，此類邊坡的處治也成為工程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。目前，許多學(xué)者對含軟弱夾層的順層邊坡進(jìn)行了深入研究：如李安洪[1]對順層邊坡破壞模式進(jìn)行了分類，對滑移-拉裂型破壞發(fā)生的基本條件和破壞機(jī)理進(jìn)行了總結(jié)；龔文惠[2]等分析了含軟弱夾層順層邊坡結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度、巖層傾角、巖層厚度等敏感性因素對邊坡穩(wěn)定性的影響；許寶田[3]等通過大量剪切試驗(yàn)，分析軟弱夾層抗剪力-變形的線性關(guān)系，得出了軟弱夾層抗剪變形的本構(gòu)模型。陳正東[4]認(rèn)為應(yīng)盡早采取加固措施，避免軟弱夾層受到干擾和侵蝕。上述研究成果對深入研究含軟弱夾層順層邊坡的破壞機(jī)制、成因機(jī)理和處治措施有較大的理論指導(dǎo)意義。

以錦赤鐵路某含軟弱夾層的順層巖質(zhì)邊坡為例，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查和地質(zhì)資料，對該滑坡的成因機(jī)理進(jìn)行分析。

1 工程概況

錦赤鐵路起自遼寧省錦州港口站，終至內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市，正線全長約300 km。錦赤鐵路為國鐵Ⅰ級鐵路。線路基本呈南東-北西向展布，沿線所經(jīng)地貌主要為低山、丘陵、河谷、緩坡及平原，其中K169+200～K169+900段線路以挖方通過丘陵地段，地勢右高左低，路基面寬度為7.8 m，路線中心最大挖深約為10 m，平面位置見圖1。

圖1 邊坡平面位置

原設(shè)計(jì)右側(cè)邊坡共分三級，每級高度為6 m。第一級設(shè)置M7.5漿砌片石路塹墻支擋收坡，第二、三級邊坡采用錨桿框架梁防護(hù)，邊坡坡率為1∶1，每級邊坡設(shè)置寬2 m的平臺。拉槽開挖至第二級邊坡時(shí)適逢雨季，在錨桿尚未施作的情況下，出現(xiàn)了明顯的分層和分段滑移，坡面和塹頂后方出現(xiàn)較深的裂縫，嚴(yán)重影響了后續(xù)施工的順利進(jìn)行。

2 工程地質(zhì)特征

K169+200～K169+900段巖質(zhì)邊坡工點(diǎn)位于朝陽市張營子村北側(cè)丘陵地帶，自然坡度為20°～25°。地勘資料表明，坡體內(nèi)地層主要由第四系殘坡積層和元古界震旦系白云灰質(zhì)巖組成。地層自上至下為：碎巖土，灰黃-褐黃色，硬塑-軟塑狀，飽和-稍濕，以黏性土為主，含強(qiáng)風(fēng)化碎石，層厚0.2～1.0 m；白云質(zhì)灰?guī)r，灰色-灰白色，中厚層狀，節(jié)理較發(fā)育，層間平直且粗糙閉合，層面表部風(fēng)化較明顯，巖層產(chǎn)狀為N51E°∠30.5°NW，傾向線路，為順層邊坡。地下水主要為基巖裂隙水，分布不均，埋藏較深，主要靠大氣降水補(bǔ)給。

勘察時(shí)未發(fā)現(xiàn)有明顯的軟弱夾層分布，故按1∶1分級刷坡，坡腳處設(shè)置路塹墻，坡面采用光面爆破，未采取防護(hù)加固措施。從現(xiàn)場巖層揭露情況看，邊坡中存在2～5 mm的層狀泥質(zhì)灰?guī)r軟弱夾層(位于地面下約8.5 m處)。當(dāng)邊坡開挖到此層，受施工爆破及降雨的影響，沿夾層發(fā)生了蠕動性滑移。

對開挖后的巖層進(jìn)行了補(bǔ)充勘察，該段邊坡巖土體物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 坡體材料參數(shù)

3 滑坡成因機(jī)理分析

該滑坡屬于開挖坡角大于巖層傾角的順層巖質(zhì)邊坡，開挖后，坡底巖層被切斷形成臨空面，在雨水侵蝕和施工擾動等作用下，軟弱夾層(泥化層)軟化，物理力學(xué)性質(zhì)減弱，層間摩擦阻力減小，坡體平衡狀態(tài)受到破壞，滑體沿軟弱夾層向臨空面方向滑動，并在巖層中某個(gè)節(jié)理面拉開，由下而上逐漸滑移破壞。根據(jù)巖層破壞情況判斷，該段滑坡體為滑移-拉裂破壞模式[5-9]。施工期間降雨和爆破振動是坡體破壞的主要誘導(dǎo)因素。

應(yīng)力集中效應(yīng)造成泥質(zhì)夾層產(chǎn)生順層變形，促進(jìn)了前段應(yīng)力集中段的坡體持續(xù)變形，直至坡體前段首先產(chǎn)生滑移拉裂破壞。前段坡體破壞后，后段坡體產(chǎn)生臨空斷面，由此又產(chǎn)生新的應(yīng)力集中，直至全部破壞[10]。另一方面，后緣裂縫內(nèi)的靜水壓力給滑坡后部施加了一個(gè)水平推力，使得下滑力增大。因此，應(yīng)盡量避開雨季施工，并提前施作防排水措施。

路塹爆破引起的振動極大地削弱了邊坡的自穩(wěn)定性。爆破動力產(chǎn)生的層裂效應(yīng)將在一定程度上降低邊坡的安全系數(shù)，使邊坡更容易出現(xiàn)牽引式順層滑動[11]。因此，應(yīng)避免大劑量爆破方案，盡量減小爆破的影響范圍。

4 滑坡穩(wěn)定性分析

4.1 計(jì)算模型的建立

對該滑坡進(jìn)行極限穩(wěn)定性分析。該邊坡走向與巖層走向基本一致，可將此邊坡簡化為平面問題，采用靜力平衡法進(jìn)行分析，計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型示意

滑體沿軟弱層面向臨空面方向滑動，并在巖層中某個(gè)節(jié)理面拉開，當(dāng)停止開挖時(shí)，滑動到一定程度的失穩(wěn)坡體就不再往上發(fā)展，故存在一個(gè)失穩(wěn)橫向極限長度L[12]?；瑒用嬉陨纤袔r層失穩(wěn)破壞形成的后緣拉斷邊界，構(gòu)成了順層滑動巖體范圍的內(nèi)邊界，最底層失穩(wěn)巖層底面則構(gòu)成順層滑動巖體范圍的底邊界，以上邊界范圍內(nèi)的滑動巖體即為該類邊坡穩(wěn)定性分析及防護(hù)支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究對象。順層邊坡抗滑力R與下滑力S可用式(1)、式(2)進(jìn)行計(jì)算

R=(Gcosθ-Usinθ)tanφ+cL

(1)

S=Gsinθ+Ucosθ

(2)

式中：c、φ為軟弱夾層面的黏聚力和內(nèi)摩擦角，θ、L為軟弱夾層的傾角和失穩(wěn)橫向長度，G為滑坡體總重量，U為滑面的靜水壓力。應(yīng)考慮增加一個(gè)安全系數(shù)F來確保邊坡的安全性，通常采用增大下滑力的方式實(shí)現(xiàn)，故剩余下滑力E可采用式(3)進(jìn)行計(jì)算

E=F(Gsinθ+Ucosθ)-(Gcosθ-Usinθ)tanφ-cL

(3)

4.2 安全系數(shù)F

根據(jù)《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》TB10001—2016的要求，一般工況下，永久性邊坡最小穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)為1.15～1.25[13]。結(jié)合本項(xiàng)目的實(shí)際情況，取安全系數(shù)F=1.20。

4.3 軟弱層結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)(c、φ)

軟弱結(jié)構(gòu)層抗剪強(qiáng)度參數(shù)的取值是含軟弱夾層順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析評價(jià)的關(guān)鍵，在滑坡力學(xué)定量分析和支護(hù)工程設(shè)計(jì)中，抗剪強(qiáng)度參數(shù)的微小取值差異，可能會引起下滑力計(jì)算結(jié)果的成倍變化。因此，選取恰當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行取值尤為重要。目前，確定軟弱結(jié)構(gòu)面參數(shù)的方法主要有土工試驗(yàn)法、工程類比法和反算法。以下將通過室內(nèi)試驗(yàn)法對結(jié)構(gòu)面參數(shù)進(jìn)行估算，并結(jié)合工程類比法最終確定結(jié)構(gòu)面參數(shù)。

由勘察報(bào)告可知，軟弱夾層結(jié)構(gòu)面存在2～4 mm厚的泥化薄層充填物，此種結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度主要由填充物的抗剪強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面壁的強(qiáng)度、充填厚度和結(jié)構(gòu)面的起伏程度決定，其中充填厚度為主要影響因素。本邊坡軟弱夾層近似為平直結(jié)構(gòu)面，根據(jù)已有試驗(yàn)研究[14-15]，平直結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度可以近似取填充物的黏結(jié)力，摩擦角介于巖體基本摩擦角與填充物摩擦角之間，且當(dāng)填充物厚度大于1 mm時(shí)，可認(rèn)為結(jié)構(gòu)面的摩擦角近似等于填充物的摩擦角。通過室內(nèi)試驗(yàn)，確定填充物抗剪強(qiáng)度參數(shù)為φ=18°，c=68 kPa。根據(jù)《公路邊坡防護(hù)與治理》[16]，各類軟弱夾層的抗剪強(qiáng)度參數(shù)按表2選取。

表2 各類軟弱結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)一般變化范圍

綜合參考上述各方法，確定本順層邊坡軟弱夾層抗剪強(qiáng)度參數(shù)為：φ=18°，c=50 kPa。

4.4 巖層失穩(wěn)橫向極限長度L

邊坡開挖揭露，軟弱夾層位于地面以下8.5 m處，可認(rèn)為滑體后緣拉裂深度H約為8.5 m。令滑體處于極限平衡狀態(tài)，巖層沿后緣節(jié)理面拉開，反算出巖層失穩(wěn)橫向極限長度L=59.5 m，與實(shí)測塹頂后方牽引裂縫長度L=58.9 m基本一致，故滑坡體計(jì)算時(shí)，后緣拉裂深度H取8.5 m，巖層失穩(wěn)橫向長度L取59.5 m。

4.5 剩余下滑力計(jì)算

選取K169+500邊坡挖方高度最大處作為邊坡計(jì)算的代表性斷面，該斷面附近也是滑移較為明顯的段落。工程地質(zhì)剖面如圖3所示?？紤]邊坡安全系數(shù)F=1.2，滑動面水平傾角θ=22°，滑坡失穩(wěn)橫向長度取L=59.5 m，拉裂后緣深度H=8.5 m，滑動面抗剪強(qiáng)度φ=18°，c=50 kPa，經(jīng)計(jì)算，此順層邊坡的下滑力S=4 789 kN/m，抗滑力R=4 062 kN/m，故此順層邊坡的剩余下滑力為E=FS-R=1 684.8 kN/m，下滑力角度為22°。

圖3 計(jì)算斷面工程地質(zhì)剖面

5 處治方案研究

本著“提前支護(hù)，強(qiáng)腰固腳”的治理原則，結(jié)合刷方減重和截排水等工程措施，首先對開挖坡腳進(jìn)行反壓回填，封閉臨空面，清理坡面開裂巖體，減少下滑力，并夯填后緣張拉裂縫，盡早施作截水溝，防止地表水侵入坡體?？紤]到抗滑樁承受下滑力的能力遠(yuǎn)大于路肩墻，且具有抗彎、抗剪性能好，能有效減少變形等優(yōu)點(diǎn)，采用“預(yù)加固抗滑樁+錨桿框架梁”對邊坡進(jìn)行支擋防護(hù)[17-18]。

5.1 抗滑樁設(shè)計(jì)

在第一級邊坡距中心線7.45 m處設(shè)置C35抗滑樁進(jìn)行預(yù)支護(hù)，樁長18 m，樁截面為2.25 m×2 m，樁間距6 m，樁間凈距4 m，懸臂段長8 m，嵌入段長10 m。樁間為C35鋼筋混凝土掛板，掛板截面為0.5 m×0.5 m。采用理正巖土抗滑樁設(shè)計(jì)模塊計(jì)算抗滑樁內(nèi)力。因抗滑樁嵌入較完整巖層(白云質(zhì)灰?guī)r)，計(jì)算采用K法，白云質(zhì)灰?guī)r飽和單軸抗壓強(qiáng)度為20 MPa，KV取3.0×105(kN/m3)，樁底支撐為鉸接，推力分布類型為矩形，剩余下滑力按1 685 kN/m進(jìn)行設(shè)計(jì)，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 抗滑樁計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行抗滑樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，抗滑樁縱筋為直徑32 mm的HRB400鋼筋，抗滑樁配筋為面?zhèn)瓤v筋n1≥AS/as≥12 000/804.2=14.9，取16，背側(cè)縱筋n2≥AS/as≥19 204/804.2=23.9，取24。

5.2 錨桿框架梁設(shè)計(jì)

采用錨桿框架梁進(jìn)行邊坡第二、三級坡面防護(hù)。錨索框架梁可以加固坡腰，同時(shí)也能有效分擔(dān)坡體部分剩余下滑力，減輕了抗滑樁負(fù)荷，提高了邊坡的安全儲備。

錨桿設(shè)置應(yīng)充分考慮軟弱結(jié)構(gòu)面分布及破壞模式，分散均勻布設(shè)，并且要穿過軟弱層面一定深度?？蚣苠^桿間距設(shè)為3.6 m，菱形布置，每級邊坡布置3排錨桿，錨桿采用直徑32 mm的HRB400螺紋鋼筋制作，與水平面夾角25°(下傾)。注漿材料選用M30水泥砂漿，注漿壓力不小于0.4 MPa。設(shè)定錨桿張拉力為800 kN，并考慮穿越軟弱層面，確定錨桿錨固段長度為12 m。在各級框架梁之間植草皮，既可以防止坡面沖刷，又可以美化環(huán)境。邊坡防護(hù)立面布置見圖4，邊坡防護(hù)橫斷面見圖5。

圖4 邊坡防護(hù)立面布置(單位：m)

圖5 邊坡防護(hù)橫斷面(單位：m)

5.3 滑坡治理效果

在坡體開挖時(shí)，抗滑樁封閉了順層巖體的臨空面，錨索框架梁起到了加固邊坡的作用，增加了坡體的自穩(wěn)能力，有效地防止了地表水滲入滑動帶，使滑動帶強(qiáng)度參數(shù)不會進(jìn)一步降低。采用以上治理措施后，雖然施工期間歷經(jīng)了幾次強(qiáng)降雨天氣，坡面均未出現(xiàn)大的變形。地表位移監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，邊坡變形已基本被控制，邊坡一直處于穩(wěn)定狀態(tài)。

6 結(jié)論

(1)順層巖質(zhì)邊坡存在軟弱夾層時(shí)，人工開挖產(chǎn)生臨空面，極易發(fā)生滑移破壞。對滑坡成因的機(jī)理分析表明，軟弱結(jié)構(gòu)面和開挖臨空面為巖層滑動提供了內(nèi)部條件，而施工期間降雨和爆破振動則是邊坡滑動的誘導(dǎo)因素。

(2)對此類順層邊坡建立力學(xué)模型并進(jìn)行穩(wěn)定性分析，通過室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)合工程類比法確定了軟弱夾層結(jié)構(gòu)面參數(shù)，通過極限平衡狀態(tài)法反算出失穩(wěn)橫向極限長度。經(jīng)過力學(xué)計(jì)算，得出該邊坡的剩余下滑力為1 684.8 kN/m。

(3)針對此類順層邊坡的破壞形式，本著“提前支護(hù)，強(qiáng)腰固腳”的治理原則，提出反壓回填、刷方減重、夯填裂縫，設(shè)置預(yù)加固樁和錨桿框架梁的綜合處治方案。采用定量分析法，得出抗滑樁的布置形式為：截面尺寸2.25 m×2 m、樁長18 m、樁間距6 m；錨桿框架梁布置形式為：錨桿間距3.6 m，菱形布置。