順層邊坡穩(wěn)定性分析及優(yōu)化設(shè)計研究

賈鵬云

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司，山西 太原 030012)

1 工程概況

1.1 邊坡概況

該深挖路段位于天鎮(zhèn)—大同段高速公路K11+738。邊坡最大高度48.3 m。路段位于構(gòu)造剝蝕基巖中山區(qū)，該地形單元為大同盆地西部的陰山山系清涼山山脈,區(qū)內(nèi)基巖大面積暴露,地勢起伏很大,微地形以壩基巖性山嵴線和基巖沖溝為主，路線沿邊山半坡展布，其范圍內(nèi)地面標(biāo)高1 215.0～1 383.0 m，相對高差168.0 m。

1.2 工程地質(zhì)條件

(1)地層巖性

②Q、Q地層巖性為卵石、粉土、碎石等，Q碎石和Q、Q卵石多呈灰褐色，主要顆粒成份為片麻巖和麻粒巖，強～弱風(fēng)化，混合土充填，分布于溝谷底部；Q粉土為褐黃色，松散～稍密、稍濕，局部有輕度濕陷性，厚度2.0～8.0 m。

(2)地質(zhì)構(gòu)造

深挖路段地處內(nèi)蒙斷塊之南緣，桑干河新裂陷北部，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。次級構(gòu)造為云門山～清涼山塊隆構(gòu)造主體呈東西或北東東～南西西走向，延伸長度大于50 km以上，南部分別與天鎮(zhèn)～陽高新裂陷，相對的新裂陷盆地隆升高度約300～500 m左右，地貌變化主要出現(xiàn)在基巖山嶺，區(qū)內(nèi)鑲嵌有西洋河山間寬谷，地形起伏較大，溝塹縱橫，地層主要為中晚太古代區(qū)域變質(zhì)巖，各期侵入巖脈。根據(jù)收集的區(qū)內(nèi)天鎮(zhèn)、陽高、大同及區(qū)域地震資料，歷史記錄以來，項目區(qū)內(nèi)共發(fā)生的5級以上地震次數(shù)有39次，其中最大地震發(fā)生于1986年10月18日，最大震級為6.1級，伴隨5級以下余震共6 000余次。根據(jù)《中國地震動峰值加速度度區(qū)劃圖》分析，該段地震動峰值加速度為0.10 g，地震烈度為Ⅵ，場地穩(wěn)定性稍差綜合評價穩(wěn)定性稍差。

(3)水文地質(zhì)

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查，路段內(nèi)沖溝無地表水存在，也未見泉水出露，大氣降水為山體地下水主要補給源，但由于坡體較陡，植被極不發(fā)育，加之巖體風(fēng)化程度較高，節(jié)理裂隙發(fā)育，使得地下水排泄通暢，未滯留在巖體上部，地下水的類型主要是基巖裂隙水，局部沖溝出現(xiàn)少量第四系潛水，地下水埋深變化較大，水文地質(zhì)條件簡單。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 邊坡模型的建立

該段邊坡巖性主要為片麻巖，巖層產(chǎn)狀為260°∠35°，路線走向174°，巖層視傾向與路塹左側(cè)高邊坡坡向一致，形成順層邊坡且?guī)r層傾角較大。自然斜坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，但是，在人工開挖活動作用及不同開挖角下局部將有可能發(fā)生滑移以及失穩(wěn)。

選取代表性的K11+738段剖面進行計算。

根據(jù)上述幾何形式，可以構(gòu)建數(shù)值計算模型，其中計算模型中巖體是彈塑性材料，采用Mohr-couloumb屈服準(zhǔn)則，片理面等結(jié)構(gòu)面采用面接觸的couloumb滑動模型。

2.2 計算方案

根據(jù)邊坡開挖和治理設(shè)計的要求，對該順層邊坡采用兩種方案進行計算。

①自然斜坡的穩(wěn)定性計算

②不同放坡坡比下的穩(wěn)定性計算，考慮地震烈度為Ⅵ，具體方案見表1。

表1 計算方案表

(1)計算參數(shù)選取

參數(shù)選取如下:巖體參數(shù):密度=2.65 g·cm,=18 GPa,=9.6 GPa,粘聚力=350 kPa，摩擦角=45°。 結(jié)構(gòu)面參數(shù):=2 GPa/m,=1 GPa/m，粘聚力=5 kPa，摩擦角=30°。

(2)不同放坡角邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果見表2。

表2 不同放坡角穩(wěn)定性計算結(jié)果表

2.3 邊坡敏感性分析[2]

(1)片理面抗剪強度參數(shù)對邊坡的穩(wěn)定性影響敏感程度最大，其中，內(nèi)摩擦角比內(nèi)聚力對穩(wěn)定性敏感程度反應(yīng)更大。

(2)從地震烈度對邊坡穩(wěn)定性影響可以看出，地震烈度小于5時，變化緩慢，大于5，穩(wěn)定性系數(shù)降低的明顯。

(3)放坡角對穩(wěn)定性的影響，在自重情況和考慮地震的情況下，隨著開挖坡角的增大而降低，變化的趨勢基本一致，大于55°邊坡穩(wěn)定系數(shù)降低且小于1。

(4)從巖體密度對邊坡穩(wěn)定性影響可以看出，穩(wěn)定性系數(shù)隨巖體密度增大而緩慢減小，巖體密度對穩(wěn)定性的敏感程度最低。

(5)總之，就敏感性而言，片理面內(nèi)摩擦角最大，巖體密度最小。其余介于中間。設(shè)計時要充分考慮放坡角對邊坡穩(wěn)定性的影響，為設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

3 邊坡優(yōu)化設(shè)計及加固方案

3.1 最優(yōu)坡角的確定

根據(jù)實際道路工程中的邊坡樣本統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，典型路塹邊坡坡度統(tǒng)計值。

另外，在采礦、水電工程中，根據(jù)工程實踐研究調(diào)查發(fā)現(xiàn)，對于120 m高的巖質(zhì)邊坡，總體坡角緩于55°可以穩(wěn)定，對于16 m高的邊坡，總體坡角應(yīng)緩于53°。

邊坡設(shè)計中涉及的因素很多，諸如開挖工程量和加固設(shè)計工程量以及占用土地量，工期等因素。其中，開挖坡角是最重要的問題。所謂的最優(yōu)設(shè)計坡角，就是在保證邊坡在正常服務(wù)期間保持安全穩(wěn)定運營的前提下，實現(xiàn)開挖與加固最經(jīng)濟技術(shù)效益的最大邊坡角度。因此，最優(yōu)坡角的研究正是通過協(xié)調(diào)與邊坡設(shè)計相關(guān)的系統(tǒng)各組成部分相互關(guān)聯(lián),以求得系統(tǒng)整體達到最佳狀態(tài)的最大邊坡角度。

最優(yōu)坡角確定的原則。

首先，保證邊坡在正常服務(wù)期間能夠安全穩(wěn)定運營，這是邊坡設(shè)計的最根本的原則。其次，在滿足穩(wěn)定性要求外，在經(jīng)濟效益上，要注意考慮邊坡的地形條件、施工方案、支護措施的對設(shè)計的影響。另外，要充分利用工程地質(zhì)類比法對相似工程的借鑒和學(xué)習(xí)。除了定性分析外，要采用數(shù)學(xué)的統(tǒng)計等方法和定量計算總結(jié)出經(jīng)驗。

最優(yōu)坡角的確定應(yīng)該滿足安全和經(jīng)濟兩個目標(biāo)。即:確定穩(wěn)定狀態(tài)下最優(yōu)坡角和開挖支護狀態(tài)下經(jīng)濟最優(yōu)坡角。穩(wěn)定最優(yōu)坡角的確定基于兩個方面:一、通過邊坡穩(wěn)定性分析，滿足規(guī)范要求的最大坡角。二、根據(jù)巖體質(zhì)量指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)，引用邊坡坡角與的關(guān)系。

綜合考慮穩(wěn)定最優(yōu)坡角。經(jīng)濟最優(yōu)坡角的確定，主要基于考慮開挖和支護費用的最優(yōu)。

從開挖坡角的角度進行費用分析，開挖與加固兩者是反比的關(guān)系，當(dāng)兩者之和為最小時，所對應(yīng)的邊坡角為經(jīng)濟最優(yōu)坡角，即主要考慮開挖邊坡的費用和加固支護的費用。

綜上根據(jù)穩(wěn)定最優(yōu)坡角和經(jīng)濟開挖坡角，最后最優(yōu)坡角確定為52°，即總體坡角為52°。根據(jù)工程地質(zhì)類比法等相關(guān)規(guī)范也均滿足。即坡度為1∶0.75。

3.2 加固方案的比選

對于該段邊坡的防護，分別考慮以下四種方案進行比選，主要考慮技術(shù)、經(jīng)濟和施工工期等進方面，通過比選從中選出最優(yōu)的防護和加固方案。

方案一：消坡加砌片石護坡。該方案在技術(shù)上比較可取，經(jīng)濟上，由于消坡治理邊坡時，要將邊坡坡角削至稍小于或等于巖層的內(nèi)摩擦角，即:30°，坡面采用漿砌石層護面。但是，開挖量大，占地增加6.2畝，開挖工程規(guī)模增加12.3萬方。

方案二：抗滑樁加漿砌片石護坡?？够瑯妒悄壳爸卫泶笮突禄蜻吰率Х€(wěn)的基本方式。該方案技術(shù)上可行，根據(jù)穩(wěn)定性的分析邊坡整體穩(wěn)定，采用該方案處治過于保守，處治方案不經(jīng)濟合理，且工程施工工期長，工期延長3個月。

方案三：混凝土擋墻加漿砌片石護坡。擋墻主要是目前治理中小型滑坡較為有效的措施和方法。該段邊坡為順層邊坡，通過穩(wěn)定性分析知道，總體穩(wěn)定不存在滑動的可能性，僅僅是局部巖體不穩(wěn)，故擋墻的使用不合適。

方案四：錨桿加噴網(wǎng)支護。該方案是治理巖質(zhì)滑坡以及邊坡的有效方式。同上述其他方案和錨索加噴網(wǎng)支護相比技術(shù)可行、施作簡單、快速等優(yōu)點。

綜上，該段邊坡采用錨桿加噴網(wǎng)支護是一種經(jīng)濟、快捷、簡便、可行的能夠控制邊坡坡面局部破壞的方案。

3.3 加固方案的設(shè)計

(1)總體加固方案

根據(jù)穩(wěn)定性分析結(jié)果，該段邊坡采用砂漿短錨桿，以錨為主，錨噴網(wǎng)結(jié)合的支護方案。

根據(jù)最優(yōu)的總體開挖坡角，為了減少開挖以及加固工作量，按照類比法采用分層開挖與預(yù)裂爆破、錨噴(網(wǎng))加固。

分層開挖后，采用低臺階水平開挖，臺階爆破采用預(yù)裂爆破，防治爆破對邊坡的破壞與振動。

(2)支護參數(shù)選取

結(jié)合相近工程采用類比法進行設(shè)計。錨桿直徑設(shè)計為25 mm(二級螺紋鋼)，鉆孔孔徑為100 mm，砂漿強度M30。錨桿長為8 m。另外，鋼筋網(wǎng)為φ10 mm，網(wǎng)格為20 cm×20 cm，噴混凝土C20的厚度為15 cm。

4 結(jié) 論

(1)片理面抗剪強度參數(shù)對邊坡的穩(wěn)定性影響敏感程度最大，其中，內(nèi)摩擦角比內(nèi)聚力對穩(wěn)定性敏感程度反應(yīng)更大。就敏感性而言，片理面內(nèi)摩擦角最大，巖體密度最小,其余介于中間。

(2)優(yōu)化設(shè)計來講，經(jīng)過穩(wěn)定坡角和經(jīng)濟坡角的比選，結(jié)合工程地質(zhì)類比經(jīng)驗，最后選擇52°為最優(yōu)坡角。

(3)邊坡的設(shè)計是一個信息化的過程，通過勘察階段和施工階段兩個階段獲取更多的信息及時反饋、調(diào)整設(shè)計方案進行優(yōu)化設(shè)計，開展信息化施工，對于工程建設(shè)不僅可以降低成本，同時，對邊坡治理也能達到更合理的目的。

(4)綜上數(shù)值模擬分析結(jié)合工程實例研究表明，對順層邊坡穩(wěn)定性分析過程中，參數(shù)選取而已，巖層傾角、層面內(nèi)摩擦角、粘聚力等的合理選擇顯得尤為重要。結(jié)合邊坡加固支護來講，要選擇合理坡角、降低坡高，同時要提高滑面的、值。