一類巖質(zhì)順層滑坡反演分析及其工程應(yīng)用

陳芳平 彭小勇 蘇曉亮

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽(yáng) 550081)

工程中對(duì)于巖層傾向與邊坡剖面夾角小于30°的挖方邊坡定義為順層巖質(zhì)邊坡[1]。對(duì)于地形橫坡較陡、巖性層面結(jié)合差、層間抗剪強(qiáng)度低的順層高邊坡，因其臨空后下滑力大，工程中難以支擋防護(hù)，防護(hù)處置工程造價(jià)高，滑移后滑坡規(guī)模大，社會(huì)影響大等特點(diǎn)，在工程中應(yīng)盡量避免。對(duì)于無(wú)法避免的順層邊坡，工程處置時(shí)應(yīng)有充分的計(jì)算資料支撐，確保防護(hù)方案安全可靠，且防護(hù)工程經(jīng)濟(jì)、合理。計(jì)算中邊坡的巖土參數(shù)對(duì)邊坡的計(jì)算分析至關(guān)重要，方案的合理性與參數(shù)的選取密切相關(guān)，工程中確定層間參數(shù)的措施有現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)及工程經(jīng)驗(yàn)參數(shù)等。李安洪等[2]對(duì)順層巖質(zhì)邊坡工程進(jìn)行了系統(tǒng)性的闡述，確定了坡體破壞模式、坡體失穩(wěn)范圍與開(kāi)挖高度及巖層傾角的關(guān)系、潛在滑移面的確定方法及抗剪強(qiáng)度參數(shù)的確定等。

對(duì)于受條件限制無(wú)法獲取巖土抗剪強(qiáng)度、順層邊坡已經(jīng)滑移失穩(wěn)的邊坡，反算法能為邊坡穩(wěn)定性分析提供相對(duì)較準(zhǔn)確的抗剪強(qiáng)度，對(duì)順層滑坡的快速處治提供可靠的計(jì)算依據(jù)。

本文結(jié)合工程實(shí)例，通過(guò)對(duì)順層滑坡的反算分析，計(jì)算出巖層軟弱層面的抗剪強(qiáng)度，為滑坡的治理提供計(jì)算依據(jù)，同時(shí)結(jié)合計(jì)算分析對(duì)類似順層巖質(zhì)邊坡的防護(hù)處置提供參考。

1 計(jì)算模型

順層邊坡滑移-拉裂破壞模型為平面滑動(dòng)破壞，采用極限平衡法模型計(jì)算，模型見(jiàn)圖1。

圖1 極限平衡法計(jì)算模型

計(jì)算時(shí)t體取1 m寬，其穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算方法[3]見(jiàn)式(1)。

(1)

式中：K為滑坡穩(wěn)定性系數(shù)；c為滑動(dòng)面上巖土體的黏結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；φ為滑動(dòng)面上巖土體的內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值，(°)；l為滑動(dòng)面長(zhǎng)度，m；β為滑體的傾角，(°)；G為單位寬度巖土體自重，kN；R為滑動(dòng)面上的抗滑力，kN；S為滑動(dòng)面上的下滑力，kN。

路塹邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)根據(jù)公路等級(jí)、邊坡地質(zhì)條件復(fù)雜或破壞后危害程度嚴(yán)重性等因素按表1確定[4]。

表1 路塹邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)

對(duì)于已經(jīng)產(chǎn)生的滑坡，相關(guān)資料建議其安全系數(shù)為：蠕變滑動(dòng)階段，K=1.0～1.05，滑移破壞階段，K=0.9～1.0[5]。同時(shí)結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值可根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)確定見(jiàn)表2。

表2 結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值

表2中相關(guān)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)已經(jīng)考慮了結(jié)構(gòu)面的時(shí)間效應(yīng)，計(jì)算時(shí)可結(jié)合邊坡巖性及巖層層面、結(jié)構(gòu)面膠結(jié)程度等因素參照表中的推薦值采用。對(duì)于含泥化層的軟弱結(jié)構(gòu)面可取內(nèi)摩擦角<12°，黏聚力<20 kPa。

根據(jù)式(1)可知，當(dāng)滑坡根據(jù)反演法計(jì)算結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度時(shí)，確定安全系數(shù)后求解結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c時(shí)為二元一次方程，c與tanφ為線性關(guān)系，即提高黏聚力c時(shí)內(nèi)摩擦角φ相應(yīng)減小，反之降低c值則內(nèi)摩擦角增大。

2 工程實(shí)例

2.1 原設(shè)計(jì)概況

以某高速公路服務(wù)區(qū)AK0+280-AK0+560段順層邊坡為例，通過(guò)滑坡反演計(jì)算，確定結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度及驗(yàn)算原有防護(hù)方案的合理性，制定滑坡段處置方案。原邊坡防護(hù)為第一級(jí)邊坡抗滑樁支擋，第二級(jí)邊坡采用1∶0.5放坡，AK0+330-AK0+410段坡面采用錨索框架；AK0+410-AK0+500段錨桿框架加固防護(hù)，防護(hù)設(shè)計(jì)立面圖見(jiàn)圖2。

圖2 邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)立面圖(AK0+360-AK0+500)

本次滑坡發(fā)生在AK0+440-AK0+500段抗滑樁以上第二級(jí)邊坡，原設(shè)計(jì)為錨桿框架防護(hù)。AK0+410-AK0+440錨桿框架防護(hù)段及原有錨索框架防護(hù)設(shè)計(jì)段均未出現(xiàn)滑移破壞裂縫。邊坡滑移破壞見(jiàn)圖3。

圖3 邊坡滑移破壞現(xiàn)場(chǎng)照片(AK0+440-AK0+500)

2.2 地質(zhì)概況

覆殘坡積層(Qel+dl)粉質(zhì)黏土,場(chǎng)區(qū)山體覆蓋層厚0～3 m，下伏基巖為三迭系中統(tǒng)松子坎組(T2s)薄至中厚層灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r，層間間夾泥膜見(jiàn)圖4，泥膜間距0.3～2 m不等，強(qiáng)風(fēng)化層厚3～8 m，強(qiáng)風(fēng)化層節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎。

圖4 層間典型泥膜夾層

該區(qū)域巖層產(chǎn)狀為235°∠15°～17°，右側(cè)邊坡剖面角為209°～229°，為順層邊坡開(kāi)挖。劉宏力等[6]研究表明，當(dāng)存在泥質(zhì)巖、黏土巖及泥化層面時(shí)，滑動(dòng)面傾角在5°～12°順層邊坡僅在重力作用下即滑移失穩(wěn)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定巖土參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 邊坡巖土體設(shè)計(jì)參數(shù)

2.3 計(jì)算分析

取滑移面最長(zhǎng)斷面AK0+470計(jì)算，臨空面8.8 m，滑移裂縫距坡頂23.80 m，滑移面長(zhǎng)l=29.38 m。取滑面傾角β=16°，G=4 485.2 kN，則Gsinβ=1 236.3 kN,Gcosβ=4 311.5 kN，滑坡體大部分滯留在坡面，代入式(1)后結(jié)果見(jiàn)式(2)。

(2)

當(dāng)取K=0.96時(shí),經(jīng)計(jì)算得tanφ=0.275-6.819×10-3c。φ=8°時(shí)，c值為19.7 kPa；當(dāng)φ=11°時(shí)，c值為11.8 kPa。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 滑坡結(jié)構(gòu)面(泥化夾層)計(jì)算成果表

當(dāng)取φ=7°時(shí)，c=22.32 kPa>20 kPa；或φ=12°。2種情況均屬于表2推薦結(jié)合很差極小值范圍，大于泥化層結(jié)構(gòu)面參數(shù)，不予考慮。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]，不設(shè)支擋防護(hù)條件下邊坡臨空高度與滑移范圍的切層厚度比為4～6.5倍，設(shè)置支擋條件下的切層厚度之比為3～5倍。結(jié)構(gòu)面暴雨工況下巖土參數(shù)結(jié)合邊坡其他斷面計(jì)算分析綜合考慮取值為φ=9°，c=17.1 kPa。

本邊坡暴雨工況下取潛在滑移面長(zhǎng)度為坡面臨空高度的5倍計(jì)算，對(duì)邊坡第二級(jí)坡面為錨索框架防護(hù)未垮塌段進(jìn)行計(jì)算分析，典型防護(hù)設(shè)計(jì)橫斷見(jiàn)圖5。

圖5 AK0+360錨索框架防護(hù)設(shè)計(jì)橫斷面(尺寸單位：cm)

該防護(hù)設(shè)計(jì)段以AK0+360斷面為計(jì)算依據(jù)，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 AK0+360橫斷面計(jì)算參數(shù)

每束錨索設(shè)計(jì)預(yù)張力為750 kN，提供坡面抗滑力為

坡面錨索每4 m設(shè)置1排，每排2束，則坡面安全系數(shù)為

原錨索框架防護(hù)設(shè)計(jì)段安全系數(shù)為1.14>1.1，滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

對(duì)邊坡第二級(jí)坡面為錨桿框架防護(hù)未垮塌段進(jìn)行計(jì)算分析，防護(hù)設(shè)計(jì)橫斷面，見(jiàn)圖6。

原設(shè)計(jì)錨桿長(zhǎng)為9 m，矩形布置，間距為3 m，錨桿設(shè)計(jì)錨固力為90 kN，提供坡面抗滑力為

圖6 AK0+420錨桿框架防護(hù)設(shè)計(jì)橫斷面(尺寸單位：cm)

該防護(hù)設(shè)計(jì)段以AK0+420斷面為計(jì)算依據(jù)，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表6。

表6 AK0+420橫斷面計(jì)算參數(shù)

考慮邊坡錨桿有效錨固長(zhǎng)度，邊坡只考慮2排錨桿起有效作用，則安全系數(shù)為

暴雨工況下原錨桿框架防護(hù)設(shè)計(jì)段處于極限平衡穩(wěn)定狀態(tài)，其安全系數(shù)K=1.04<1.10。采用錨桿框架中增設(shè)獨(dú)立錨索設(shè)計(jì)，每6 m設(shè)置3根，梅花形布置，立面布置圖見(jiàn)圖7。

圖7 未垮塌部分錨桿框架增設(shè)獨(dú)立錨索防護(hù)設(shè)計(jì)

增設(shè)獨(dú)立錨索后AK0+410-AK0+440段安全系數(shù)計(jì)算如下。

K=(7 146.1 cos 16°tan 9°+17.1×

53.05+77×2÷3+676×3÷6)×

(7 146.1 sin 16°)-1=1.21

暴雨工況下原錨桿框架防護(hù)設(shè)計(jì)段增設(shè)獨(dú)立錨索后，其安全系數(shù)K=1.21>1.1，滿足規(guī)范要求。

對(duì)于已滑移部分AK0+440-AK0+500段，其原有防護(hù)措施已經(jīng)失效，潛在滑移坡面影響范圍切層厚度比為4～6.5，本設(shè)計(jì)采用6倍考慮，以AK0+449.188斷面計(jì)算分析，防護(hù)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖8。

圖8 垮塌部分剩余下滑力計(jì)算斷面示意圖(AK0+449.188)(尺寸單位：cm)

考慮部分滑坡體滯留在滑面上，清方施工風(fēng)險(xiǎn)大，設(shè)計(jì)采用先支擋防護(hù)坡面臨空體，后處置滑面滑坡體。采用4排抗滑鍵支擋防護(hù)，每根抗滑鍵為3根HRB500級(jí)直徑25 mm的抗剪鋼筋支擋。

鋼筋設(shè)計(jì)拉應(yīng)力[σ]=200 MPa，抗剪屈服強(qiáng)度[τ]=0.45[σ]=90 MPa，彈性模量E=200 GPa，3根直徑25 mm鋼筋抗剪面積A=15 cm2。F=A[τ]=135 kN，4排抗滑鍵提供抗滑力F抗=4F=540 kN。

邊坡安全系數(shù)K=1.21>1.1，滿足規(guī)范要求。

因結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度為綜合經(jīng)驗(yàn)選取值，結(jié)合表4結(jié)果分析計(jì)算AK0+449.188斷面剩余下滑力結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 AK0+449.188橫斷面剩余下滑力計(jì)算

3 結(jié)論

1) 順層邊坡泥膜夾層抗剪強(qiáng)度較低，定性為結(jié)合極差結(jié)構(gòu)面，工程期間應(yīng)注意軟弱夾層的勘察，因下滑力大，工程防護(hù)難度大，設(shè)計(jì)中應(yīng)避免此類順層高邊坡產(chǎn)生。

2) 已產(chǎn)生的順層滑坡，通過(guò)反算結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度能為邊坡的防護(hù)設(shè)計(jì)及滑坡的處置提供較合理的巖土參數(shù)，在工程處置中較貼合實(shí)際。

3) 反算中因安全系數(shù)的選取對(duì)結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度影響較大，K值一定時(shí)，黏聚力c值與內(nèi)摩擦角φ值的正切值呈線性相關(guān)，且c值與φ值對(duì)抗滑力影響因子的影響存在差異。

4) 同一K值推導(dǎo)出的c值與φ值計(jì)算的剩余下滑力差距不大，但坡面剩余下滑力隨選取的結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角φ值的增大而略有增加趨勢(shì)。