考慮卸荷帶和巖體軟化特性的某橋址邊坡穩(wěn)定性研究

杜杰貴，嚴(yán) 松，李繼興，夏藝峰

(1.昭通市宜昭高速公路項(xiàng)目指揮部， 云南 昭通 657000；2.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430071；3.中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049； 4.昭通市宜昭高速公路投資開發(fā)有限公司， 云南 昭通 657000)

我國是地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)的國家，尤其是西南地區(qū)滑坡泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重影響西南地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全，所以對工程邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算和評價(jià)具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

橋址邊坡的選取要充分考慮其穩(wěn)定性是否符合規(guī)定要求，是否會對修建、運(yùn)營和后期養(yǎng)護(hù)產(chǎn)生影響，尤其是我國西南地區(qū)高山峽谷中的道路橋梁建設(shè)，因?yàn)樵谶@些橋址所在位置，地形險(xiǎn)峻、工程地質(zhì)條件較為復(fù)雜、坡度大、岸坡高，橋址邊坡本身的穩(wěn)定性是橋位選擇和橋基設(shè)計(jì)的重要影響因素[1]。

黃潤秋等[2]對峽谷高陡邊坡巖體卸荷機(jī)理進(jìn)行了深入研究，分析了在邊坡開挖或者河谷下切情況下的坡體應(yīng)力分布特征，并提出邊坡二次應(yīng)力場理論，明確了兩種卸荷裂隙的發(fā)育位置及其對坡體穩(wěn)定性的影響。黃潤秋[3]通過對西南地區(qū)強(qiáng)卸荷高邊坡的研究分析，提出了河谷應(yīng)力場“駝峰分布”模式，對由河谷高邊坡應(yīng)力釋放所帶來的淺表層破裂體系的形成機(jī)理與基本規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)地闡述。徐衛(wèi)亞等[4]在野外工程地質(zhì)調(diào)查和巖石力學(xué)室內(nèi)外試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬的方法，對某壩區(qū)邊坡卸荷帶巖體的工程地質(zhì)特性和巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了深入研究，建立了卸荷帶的概化地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型。藍(lán)康文[5]對川藏鐵路高山峽谷區(qū)進(jìn)行了詳細(xì)的野外調(diào)查，總結(jié)并分析了研究區(qū)邊坡卸荷帶的發(fā)育特征與分布規(guī)律并建立了邊坡卸荷帶變形破壞模式。

針對邊坡軟巖的工程特性，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了諸多研究[6-7]。常用的極限平衡法包括Bishop法、Morgenstern-Price法、Janbu法、Sarma法[8]以及通用條分法[9]等。隨著對極限平衡法的深入研究，出現(xiàn)了無條分極限平衡法[10]和嚴(yán)格三維極限平衡法[11]。數(shù)值計(jì)算領(lǐng)域的飛速發(fā)展，對于邊坡穩(wěn)定性計(jì)算的方法也在不斷完善，近年來，有限元、邊界元、非連續(xù)變形分析(DDA)[12]等巖土工程數(shù)值計(jì)算方法逐漸普及，并在工程實(shí)際問題中廣泛應(yīng)用，尤其是有限元方法。部分學(xué)者通過建立地質(zhì)力學(xué)模型對邊坡軟巖的力學(xué)特性進(jìn)行了深入研究，肖克強(qiáng)等[13]通過建立地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)，分析了軟巖高邊坡在開挖和降雨時(shí)坡體穩(wěn)定性及變形的變化規(guī)律。楊晴霞[14]采用有限元軟件建立軟巖邊坡地質(zhì)模型，探究了降雨條件下邊坡中孔隙水壓力及暫態(tài)飽和區(qū)內(nèi)巖體物理力學(xué)參數(shù)變化的共同作用下，邊坡的破壞模式在時(shí)間和空間上的演化規(guī)律。

前人的研究大多考慮巖體卸荷帶或軟巖分布區(qū)單一條件下對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行探究。本文主要分析含巖體卸荷帶及軟弱夾層的橋址邊坡的穩(wěn)定性。

1 橋址邊坡概況

1.1 橋址邊坡工程地質(zhì)條件

橋址邊坡工程地質(zhì)條件較為復(fù)雜，區(qū)域內(nèi)河谷兩岸地形基本對稱，呈“V”型。左岸邊坡為順向坡，總體坡度20°～30°，坡體中部斜向的發(fā)育一系列連續(xù)的30 m～60 m高的陡坎，陡坎的坡度可達(dá)45°以上，同時(shí)發(fā)育有與河道近于平行和正交的兩組陡傾角節(jié)理。左岸工程區(qū)出露地層主要為二疊系上統(tǒng)玄武巖組上段，巖性有玄武巖、火山角礫熔巖和凝灰?guī)r，由于受后期構(gòu)造錯(cuò)動影響，巖體破碎，凝灰?guī)r層間分布有不同規(guī)模的泥化夾層。右岸2 000 m高程以下，邊坡坡度整體較穩(wěn)定，一般在35°～43°，且在該段邊坡連續(xù)發(fā)育多層高50 m～80 m的陡崖；2 000 m高程以上邊坡坡度漸緩，坡度一般在10°～20°之間。橋址區(qū)域左岸巖體的卸荷深度最大到達(dá)90 m，對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響的是凝灰?guī)r泥化夾層和順層特性，橋址左岸整體穩(wěn)定性相較于右岸差，所以在橋基工程建設(shè)前期對左岸坡體穩(wěn)定性進(jìn)行系統(tǒng)評價(jià)是十分必要的(見圖1)。

圖1 橋址區(qū)左岸地形的地貌

1.2 計(jì)算坡面選取以及工況條件

橋址工程區(qū)邊坡主要有五個(gè)比較橋位所在剖面的邊坡，分別是Z1、Z2、Z3、Z4、Z5邊坡，如圖2所示，考慮橋址區(qū)實(shí)際工程地質(zhì)情況選擇了有代表性的Z3剖面進(jìn)行極限平衡法穩(wěn)定性分析。

根據(jù)橋址左岸的工程地質(zhì)情況建立Z3剖面的地質(zhì)概化模型，如圖3所示，圖中C點(diǎn)為主塔所在位置，B點(diǎn)靠近前緣卸荷帶，這兩點(diǎn)也是坡體潛在滑面剪入口。

參考《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》[15](GB 50330—2013)與《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[16](JTG D30—2004)，橋墩與錨墩所在位置邊坡防治等級應(yīng)擬定為一級邊坡?！督ㄖ吰鹿こ碳夹g(shù)規(guī)范》(GB 50330—2013)規(guī)定一級永久邊坡安全系數(shù)在一般工況下不小于1.350，地震工況下不小于 1.150。

圖2 Z1—Z5剖面的空間關(guān)系

圖3 Z3剖面左岸邊坡計(jì)算模型

橋址邊坡穩(wěn)定性評價(jià)考慮4種不同工況分別為：(1) 自然工況，僅考慮岸坡受重力荷載作用；(2) 地震工況，橋址岸坡受地震荷載和重力荷載共同作用；(3) 橋基荷載工況，岸坡受到橋基荷載和重力荷載共同作用；(4) 地震工況和橋基荷載工況，岸坡受到重力荷載、地震荷載以及橋基荷載共同作用。根據(jù)橋址區(qū)域地震評價(jià)結(jié)果以及《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[17](JTJ 004—89)要求，地震荷載采用擬靜力法計(jì)算地震慣性力，計(jì)算中只計(jì)入水平地震力作用，水平地震加速度取0.2g。

2 橋址邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 巖土體強(qiáng)度參數(shù)確定

凝灰?guī)r是由火山噴發(fā)產(chǎn)生的火山灰沉積形成的，它的分布受多種條件因素影響，如火山噴發(fā)的規(guī)模、頻率以及氣候條件等，空間上分布通常很不均勻。凝灰?guī)r由于粒度細(xì)、顆粒表面積大、孔隙率大，很容易發(fā)生次生變化，導(dǎo)致其強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化[18]?，F(xiàn)場鉆孔、平硐、坑槽勘探結(jié)果顯示，橋址區(qū)域內(nèi)凝灰?guī)r空間分布極為不均，表現(xiàn)在層間錯(cuò)動的連續(xù)性及泥化夾層厚度上存在較大差別(見圖4)。

圖4 凝灰?guī)r帶巖體構(gòu)成示意圖

凝灰?guī)r及其泥化夾層在坡體內(nèi)分布不均，對邊坡工程穩(wěn)定性影響較大，為了進(jìn)一步確定Z3剖面的主控地層的強(qiáng)度參數(shù)，現(xiàn)場平硐勘查結(jié)果揭示凝灰?guī)r夾層分布比例為20%～60%，考慮凝灰?guī)r分布比例對其的分布狀況做三種情況考慮，分別為凝灰?guī)r及其泥化帶分布達(dá)到上限、下限和均值三種情況，全面考慮凝灰?guī)r及其泥化夾層不同分布比例下的邊坡穩(wěn)定性狀況。為了獲取較為準(zhǔn)確的計(jì)算參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場和室內(nèi)試驗(yàn)的有關(guān)結(jié)果(見表1)，在凝灰?guī)r帶上，由凝灰?guī)r強(qiáng)度與玄武巖強(qiáng)度加權(quán)平均得到巖體等效或綜合強(qiáng)度值，其加權(quán)平均表示式為：

(1)

(2)

其中：l1和l2分別為凝灰?guī)r與玄武巖的長度;c1和c2分別為凝灰?guī)r與玄武巖的粘結(jié)力;tgφ1和tgφ2分別為凝灰?guī)r與玄武巖的摩擦系數(shù)。

表1 邊坡巖體物理力學(xué)參數(shù)

通過凝灰?guī)r帶中凝灰?guī)r和玄武巖占有的不同比例，得到各個(gè)剖面凝灰?guī)r帶巖體的綜合抗剪強(qiáng)度參數(shù)，對處于卸荷帶內(nèi)的凝灰?guī)r參數(shù)，通過對凝灰?guī)r泥化帶和玄武巖卸荷帶進(jìn)行不同比例的加權(quán)計(jì)算，結(jié)合該地區(qū)自然邊坡的穩(wěn)定性狀態(tài)，采用極限平衡法對其參數(shù)進(jìn)行正反分析和驗(yàn)證，獲得了符合該邊坡穩(wěn)定狀態(tài)的強(qiáng)度參數(shù)，具體見表2。

表2 凝灰?guī)r及其泥化帶抗剪強(qiáng)度參數(shù)

橋址邊坡卸荷帶巖體強(qiáng)度參數(shù)，基于坡體卸荷作用隨埋深增大而減弱這一特點(diǎn)[19]，結(jié)合現(xiàn)場平硐勘查結(jié)果以及現(xiàn)場剪切試驗(yàn)結(jié)果，邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)主要考慮三個(gè)分帶：卸荷帶內(nèi)距坡面10 m以內(nèi)，巖體強(qiáng)烈卸荷，結(jié)構(gòu)面貫通性好，力學(xué)特性較差；距坡面10 m～20 m這一條帶卸荷作用較弱，結(jié)構(gòu)面貫通性較差，力學(xué)特性稍好；距坡面20 m之外為未卸荷帶，結(jié)構(gòu)面貫通性差，力學(xué)特性好。結(jié)合現(xiàn)場測試結(jié)果并反復(fù)試算，確定卸荷帶巖土層的物理力學(xué)參數(shù)，具體見表3。

表3 卸荷帶巖土層物理力學(xué)參數(shù)

2.2 橋址邊坡破壞模式分析

黃潤秋等多名學(xué)者基于工程實(shí)例、室內(nèi)模型試驗(yàn)以及數(shù)值模擬等多種分析方法，研究發(fā)現(xiàn)邊坡的變形破壞主要受控于層間軟弱帶及陡傾坡外卸荷裂隙，坡體中上部沿層間軟弱夾層蠕變形成拉應(yīng)力和剪應(yīng)力集中，造成坡體前緣軟弱帶產(chǎn)生壓縮變形并引起上覆巖體向坡外蠕滑并通過層面及卸荷裂隙面向上傳遞變形，最終其破壞模式主要表現(xiàn)為陡傾結(jié)構(gòu)面與層間軟弱帶共同控制的階梯狀蠕滑-拉裂變形[20-23]。

結(jié)合前人研究成果，經(jīng)現(xiàn)場勘查試驗(yàn)分析橋址區(qū)域穩(wěn)定性控制因素主要為后緣卸荷帶陡傾結(jié)構(gòu)面和凝灰?guī)r及其泥化夾層(見圖5)。其破壞模式表現(xiàn)為牽引式滑動；此外，考慮到橋基處荷載作用較大，綜合分析判斷橋址岸坡滑動面可能位于前緣泥化帶和橋基附近。

圖5 邊坡破壞模式示意圖

2.3 橋址邊坡穩(wěn)定性計(jì)算分析

在保持平衡的顆粒介質(zhì)中存在兩種應(yīng)力狀態(tài)，一種是外部荷載的微小改變不會破壞原有的平衡狀態(tài)，另一種是外部荷載的微小改變會導(dǎo)致原有平衡狀態(tài)遭到破壞。第二種應(yīng)力狀態(tài)稱為極限應(yīng)力狀態(tài)，其構(gòu)成了極限平衡的理論基礎(chǔ)[6]。

在土力學(xué)中，Mohr-Coulomb強(qiáng)度理論被廣泛運(yùn)用[24]，其表達(dá)式為：

τf=c′+σ′tanφ′

(3)

式中：τf為土體抗剪強(qiáng)度；c′和φ′為抗剪強(qiáng)度參數(shù)；σ′為破壞面上的正應(yīng)力。

在有限元極限平衡法中，對任意的滑動面l，安全系數(shù)Fs定義為：

(4)

式中:n為滑動面l離散的線段數(shù);Δli是離散線段i的長度。

安全系數(shù)的計(jì)算在通常情況下，土的抗剪強(qiáng)度滿足Mohr-Coulomb強(qiáng)度理論，安全系數(shù)可以表示為：

(5)

將滑動面l離散成n個(gè)微小的線單元i，安全系數(shù)為：

(6)

橋址邊坡的穩(wěn)定性性計(jì)算采用適合邊坡失穩(wěn)破壞模式的Janbu法為主要的計(jì)算方法，不同工況邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如下。

自然工況下橋址邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如圖6所示。隨著凝灰?guī)r分布比例由20%增加至60%，坡體綜合抗剪強(qiáng)度參數(shù)逐漸降低，其對應(yīng)邊坡滑移面的安全系數(shù)也相應(yīng)下降。凝灰?guī)r分布比例取下限時(shí)，最小安全系數(shù)為2.323；凝灰?guī)r分布取均值是，最小安全系數(shù)為2.153；凝灰?guī)r分布取上限時(shí)，最小安全系數(shù)為1.984；在這三種凝灰?guī)r分布情況下，邊坡安全系數(shù)最小的潛在滑移面均位于坡體前緣卸荷帶附近，其次，橋基處的安全系數(shù)有所下降，但下降幅度較小，邊坡整體上滿足穩(wěn)定性要求。

在地震工況下，隨著凝灰?guī)r分布比例變化，邊坡安全系數(shù)變化如圖7所示，當(dāng)凝灰?guī)r分布比例為下限、均值和上限時(shí)，邊坡最小穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.928、1.784和1.640。通過與圖6對比可以看出，地震工況下邊坡安全系數(shù)隨剪入口位置變化趨勢與自然工況下的變化趨勢基本相同，邊坡安全系數(shù)最小的滑移面均位于坡體前緣卸荷帶附近。

通過計(jì)算結(jié)果可以明顯看出，在天然狀態(tài)下，橋址邊坡穩(wěn)定性主要受控于坡體前緣凝灰?guī)r泥化帶，地震工況下最小安全系數(shù)相較于自然工況減少了17%。其次，凝灰?guī)r夾層分布比例越高，貫通性越大，對坡體穩(wěn)定性影響也較為明顯，上下限值之間的安全系數(shù)變化幅度約為15%，但邊坡穩(wěn)定性仍滿足設(shè)計(jì)建設(shè)要求。

圖6 自然工況下邊坡安全系數(shù)隨剪入口位置變化情況

圖7 地震工況下邊坡安全系數(shù)隨剪入口位置變化情況

在橋基荷載工況下，作為外部荷載將橋基荷載轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)力施加在計(jì)算模型上。圖8給出了橋基荷載作用下，凝灰?guī)r的分布情況對坡體穩(wěn)定性系數(shù)的影響以及與自然工況下安全系數(shù)變化的對比。從圖中可以看出，凝灰?guī)r分布三種不同的情況下，邊坡安全系數(shù)最小為1.803，最危險(xiǎn)的滑移面位于橋基附近。計(jì)算結(jié)果顯示出，橋基荷載作用下邊坡穩(wěn)定性滿足規(guī)定要求。

考慮工程實(shí)際中最不利的情況，橋基荷載和地震荷載共同作用下，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)的變化情況如圖9所示。邊坡最小安全系數(shù)為1.526，凝灰?guī)r三種不同的分布情況下，最危險(xiǎn)的滑面位置均位于橋基附近，但邊坡整體仍滿足穩(wěn)定性要求。

通過圖8和圖9中自然工況與橋基荷載工況和橋基荷載與地震荷載共同作用下安全系數(shù)變化趨勢對比可以看出，考慮橋基荷載作用的情況下，岸坡的最危險(xiǎn)滑移面由坡體前緣卸荷帶移至橋基附近，安全系數(shù)也降低了23%，尤其是橋基附近降幅最大，但坡體后緣和前緣穩(wěn)定性系數(shù)變化較小，說明橋基荷載對該岸坡中后緣和前緣穩(wěn)定性影響不大，對橋基附近的局部穩(wěn)定性影響較大。

圖8 橋基荷載工況下邊坡安全系數(shù)隨剪入口位置變化情況

圖9 橋基荷載和地震荷載作用下邊坡安全系數(shù)隨剪入口位置變化情況

3 結(jié) 論

文章通過現(xiàn)場測試試驗(yàn)以及正反分析計(jì)算獲得了某橋址邊坡的卸荷帶及軟化帶巖體強(qiáng)度參數(shù)，采用極限平衡法分析了某橋址邊坡的穩(wěn)定性并進(jìn)行了系統(tǒng)評價(jià)，得到結(jié)論如下：

(1) 針對凝灰?guī)r及其泥化帶分布不均，物理力學(xué)參數(shù)難以確定，采用巖體綜合強(qiáng)度的計(jì)算方法，結(jié)合現(xiàn)場自然情況下坡體的穩(wěn)定性狀況，利用極限平衡法對巖體綜合強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行正反分析和驗(yàn)證，獲得了符合該邊坡穩(wěn)定狀態(tài)的材料參數(shù)，為復(fù)雜巖性條件下獲取合理的巖體計(jì)算參數(shù)提供了參考。

(2) 受卸荷帶結(jié)構(gòu)面影響，自然工況和地震工況最危險(xiǎn)的滑移面剪入口位于坡體前緣的卸荷帶；橋基荷載作用下，潛在滑移面剪入位置由坡體前緣卸荷帶移至中緣橋基位置處，說明橋基荷載是影響滑移面剪入位置的主要因素。

(3) 通過四種不同工況的計(jì)算結(jié)果對比可以看出，在自然工況和地震工況下，橋址邊坡穩(wěn)定性較好；橋基荷載對邊坡的穩(wěn)定性影響較大，相對于自然工況安全系數(shù)降幅達(dá)23%，但在最不利的工況下最小安全系數(shù)為1.526，依然滿足工程設(shè)計(jì)建設(shè)要求。