某高速公路巖質(zhì)高邊坡破壞機(jī)理及穩(wěn)定性分析

宋 健

(廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司,廣東 廣州 510000)

0 引言

我國(guó)西南地區(qū)高速公路規(guī)模龐大,由于獨(dú)特的地域和地質(zhì)條件,經(jīng)常性出現(xiàn)開挖邊坡工程,這些高陡邊坡具有縱斷面長(zhǎng)、橫斷面寬的特點(diǎn),尤其是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的巖質(zhì)邊坡在人工開挖、卸荷作用下,邊坡形成臨空面后應(yīng)力重分布,巖體在自重和外力作用下沿軟弱層發(fā)生整體或者局部破壞,嚴(yán)重危及人員安全和工程進(jìn)度,因此,高陡巖質(zhì)邊坡的開挖穩(wěn)定性研究是高速公路建設(shè)中的一項(xiàng)重大技術(shù)難題。

桑偉寧等[1]對(duì)高陡巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究,并提出了潛在滑裂面理論;姚云[2]研究了公路開挖引起的古滑坡復(fù)活的成因和破壞機(jī)制,并對(duì)比了設(shè)計(jì)加固方案;賈東遠(yuǎn)等[3]開展了一系列的巖石力學(xué)試驗(yàn),并利用反演分析法得到巖質(zhì)邊坡計(jì)算參數(shù);許彬等[4]針對(duì)順層巖質(zhì)邊坡特點(diǎn),提出了基于數(shù)值模擬和微震監(jiān)測(cè)方法的綜合評(píng)價(jià)手段,為邊坡的動(dòng)態(tài)施工提供了參考。

以上研究對(duì)高陡巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性具有重要的參考價(jià)值。目前鑒于開挖巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)模式的特殊性,本文以西南某高速公路開挖邊坡為例,根據(jù)其工程地質(zhì)條件,利用工程地質(zhì)分析法初步探討了邊坡潛在破壞模式,同時(shí)結(jié)合極限平衡法、巖體質(zhì)量分級(jí)理論,綜合詳實(shí)的分析了該開挖邊坡的穩(wěn)定性。

1 研究區(qū)工程概況

研究區(qū)位于四川省攀枝花市,屬剝蝕丘陵間谷地地貌,地勢(shì)起伏較大,山上植被發(fā)育,多為樹木及雜草叢生,高邊坡長(zhǎng)約120 m,寬約90 m,最大高差約90 m,邊坡傾向279°,坡度25°～70°,高速公路線位以橋梁形式通過,高陡邊坡位于線路右側(cè),原設(shè)計(jì)方案按1∶1.75刷坡,拱形骨架護(hù)坡見圖1。

研究區(qū)的地層主要為第四系殘坡積粗角礫土,粗角礫一般粒徑2 mm～20 mm,最大粒徑40 mm,約占55%,黏性土充填,透水性較好,層厚約4 m;下伏灰褐色炭質(zhì)頁(yè)巖,強(qiáng)風(fēng)化,巖芯呈砂礫狀—碎塊狀,塊徑2 cm～5 cm,層厚5 m～20 m,變化較大;灰黑色炭質(zhì)灰?guī)r,強(qiáng)風(fēng)化,巖芯呈碎塊狀,塊徑2 cm～9 cm,層厚0.7 m～1.9 m;灰褐色炭質(zhì)頁(yè)巖,強(qiáng)風(fēng)化,巖芯呈碎塊狀,塊徑2 cm～5 cm,層厚5 m～14 m。受峨眉復(fù)背斜的影響,構(gòu)造較發(fā)育,多為小型褶曲(見圖2),巖層產(chǎn)狀變化較大,節(jié)理裂隙發(fā)育,表層炭質(zhì)頁(yè)巖與炭質(zhì)灰?guī)r極為破碎。坡腳處有一季節(jié)性河流,受降雨補(bǔ)給,地下水類型主要為基巖裂隙水,要受降水入滲補(bǔ)給,動(dòng)態(tài)變化較大。

現(xiàn)場(chǎng)共測(cè)得10個(gè)調(diào)查點(diǎn),獲取29組結(jié)構(gòu)面,經(jīng)分析,該區(qū)域主要發(fā)育4組結(jié)構(gòu)面,節(jié)理等密度圖見圖3,4組節(jié)理裂隙特征見表1[5-6]。

表1 節(jié)理裂隙特征表

2 邊坡破壞模式判別

2.1 變形演化特征

根據(jù)多期影像對(duì)比并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)繪,邊坡早在2014年3月份以前就存在前緣坡腳亂掘活動(dòng),使邊坡前緣形成了高度較大的臨空面(見圖4(a)),對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生了影響;2014年3月—2017年11月期間受降雨影響,雨水入滲至表層巖土體中,降低了臨空面附近的邊坡穩(wěn)定性,導(dǎo)致邊坡發(fā)生失穩(wěn),滑體堆積在坡腳,部分沖至河道中,形成了滑坡周界陡坎(見圖4(b)),呈“圈椅狀”,滑坡周界后移約10 m～15 m;2017年11月至今臨空面附近發(fā)生多次小型溜塌,滑坡周界變化不大[7-9]。

現(xiàn)狀老滑坡平面形態(tài)呈半月形,滑體厚度一般6 m～12 m,局部可能超過18 m,滑體物質(zhì)以角礫土及全風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖為主;圈椅狀后緣陡壁目前高約5 m～10 m,坡度約60°～70°(見圖1),滑面發(fā)育于粗角礫土、強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖中,滑坡大里程方向側(cè)壁滑面產(chǎn)狀307°∠42°。

受河流沖刷坡腳、人工開挖、降雨入滲及風(fēng)化作用等內(nèi)外地質(zhì)應(yīng)力作用影響,在重力作用下導(dǎo)致臨空面附近巖土體不斷發(fā)生局部坍塌或滑移變形,形成新的臨空條件,進(jìn)而再次發(fā)生局部坍塌或滑移變形,依此類推,滑坡后緣不斷后退,宏觀上表現(xiàn)出從前向后擴(kuò)展的“牽引后退式”滑動(dòng)模式[10-11]。

2.2 破壞機(jī)理分析

邊坡上覆薄層殘坡積粗角礫土,下伏強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖、炭質(zhì)灰?guī)r,巖層較厚,巖性軟弱,受構(gòu)造影響巖體極為破碎,風(fēng)化嚴(yán)重,自然坡角30°左右,自然狀態(tài)下基本穩(wěn)定。由于前緣坡腳亂掘活動(dòng)及相關(guān)工程活動(dòng),形成了高差20 m～30 m、坡度70°～90°的臨空面,破壞了自然邊坡的應(yīng)力平衡,導(dǎo)致應(yīng)力重分布,在坡腳附近產(chǎn)生應(yīng)力集中;且區(qū)域內(nèi)多年平均降水量1 768.9 mm,最大年際降水量高達(dá)2 673.6 mm,降雨入滲導(dǎo)致地下水位抬高,靜水壓力增加產(chǎn)生動(dòng)水壓力,增大下滑力,增加了巖土體容重,弱化了巖土體強(qiáng)度,顯著降低了安全系數(shù)。在長(zhǎng)期降雨入滲、地下水活動(dòng)、風(fēng)化等作用下,最終受降雨、人工開挖等因素觸發(fā),淺層強(qiáng)風(fēng)化巖體內(nèi)部某個(gè)面上的剪應(yīng)力達(dá)到它的抗剪強(qiáng)度,穩(wěn)定平衡受到破壞,在臨空面剪出從而導(dǎo)致工程邊坡發(fā)生滑塌,危及公路行車安全。

3 巖體質(zhì)量分級(jí)評(píng)價(jià)

對(duì)于巖質(zhì)邊坡而言,合理的巖體質(zhì)量分級(jí)可以客觀反映出邊坡巖體本身特性,亦是邊坡穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)所在。本文采用常規(guī)的CSMR巖體質(zhì)量分級(jí)體系對(duì)邊坡巖體進(jìn)行質(zhì)量分級(jí),步驟如下:

第一步,提取該高邊坡的巖石強(qiáng)度、巖石質(zhì)量指標(biāo)、節(jié)理、裂隙水特性參數(shù),查表得到RMR分級(jí)結(jié)果為30-33;第二步,結(jié)合邊坡及所處地質(zhì)環(huán)境條件,引入坡高修正系數(shù)ζ及結(jié)構(gòu)面條件系數(shù)λ,修正RMR分級(jí),可得質(zhì)量分級(jí)與穩(wěn)定性評(píng)價(jià),結(jié)果見表2。

表2 邊坡CSMR分級(jí)評(píng)分表

由CSMR得分可見:高邊坡在自然狀態(tài)下巖體級(jí)別均為Ⅲ級(jí),處于基本穩(wěn)定狀態(tài),破壞概率0.4;受不明原因亂掘后形成陡峭的臨空面,開挖狀態(tài)下巖體級(jí)別均為Ⅳ級(jí),處于不穩(wěn)定狀態(tài),破壞概率0.6。

4 基于極限平衡法的邊坡穩(wěn)定性分析

當(dāng)前,對(duì)邊坡的穩(wěn)定性定量分析常采用極限平衡法,基本原理為剛塑性理論分析,要求滿足力和力矩的平衡、M-C準(zhǔn)則。這其中,Morgenstern-Price方法同時(shí)考慮了力平衡和矩平衡的變形協(xié)調(diào)問題,計(jì)算精度高、適應(yīng)工況廣泛,因此本文采用Morgenstern-Price法建立極限狀態(tài)方程進(jìn)行滑動(dòng)破壞分析[12]。

4.1 地質(zhì)剖面選擇

選擇具有代表性的剖面為分析對(duì)象,地層從上至下依次為:粗角礫土(Qel+dl),層厚0 m～4 m;滑坡堆積體(Qel+dl),主要以角礫土及全風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖為主,層厚0 m～9 m;寒武系下統(tǒng)荷塘組(1h)強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖,層厚6 m～20 m;寒武系下統(tǒng)荷塘組(1h)強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)灰?guī)r,層厚0.5 m～1 m;寒武系下統(tǒng)荷塘組(1h)強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖,層厚5 m～14 m;寒武系下統(tǒng)荷塘組(1h)弱風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖,剖面簡(jiǎn)圖如圖5所示。

4.2 基礎(chǔ)參數(shù)選擇

該地區(qū)地震基本烈度為6度,據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》不考慮地震作用的影響,故本次邊坡穩(wěn)定性分析采用天然工況、暴雨工況進(jìn)行計(jì)算。巖土體計(jì)算參數(shù)主要依據(jù)室內(nèi)試驗(yàn),參考GB/T 50218—2014工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況綜合分析獲得的,建議值見表3。結(jié)合前文分析,本工程宏觀上主要呈現(xiàn)由前向后擴(kuò)展的“牽引后退式”滑動(dòng)模式,取值時(shí)重點(diǎn)考慮巖土接觸面和炭質(zhì)頁(yè)巖(W3)的冗余度,故應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注上部松散堆積物及陡坎的整體穩(wěn)定性[13-16]。

表3 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

4.3 穩(wěn)定性分析

經(jīng)過分析計(jì)算,巖質(zhì)高邊坡在天然工況、暴雨工況下造成的潛在滑面(M-P法)如圖6所示,天然工況下穩(wěn)定系數(shù)為1.10,暴雨工況下穩(wěn)定系數(shù)為1.04,小于1.2,均不滿足安全儲(chǔ)備。從破裂面看滑坡后緣后退,宏觀上表現(xiàn)出從前向后擴(kuò)展的“牽引后退式”滑動(dòng)模式,與前文分析一致。

5 防護(hù)設(shè)計(jì)討論

道路邊坡設(shè)計(jì)的本質(zhì)是用耐久性好、實(shí)用性強(qiáng)、安全性高的防護(hù)措施保證邊坡的穩(wěn)定性,滿足長(zhǎng)久運(yùn)營(yíng)安全,邊坡支護(hù)施工便捷,且能承受各類荷載。

由此,綜合前文可知,該邊坡屬“牽引后退式”滑動(dòng)模式,需采用“清方+加固+防水”設(shè)計(jì)理念,建議:1)清除老滑體范圍內(nèi)松動(dòng)巖土體。2)坡腳位置采用埋入式抗滑樁、重力式擋土墻等加固措施,應(yīng)采用暴雨工況進(jìn)行設(shè)計(jì);坡面采用錨桿格梁等方式防護(hù);坡頂做防排水措施。3)河道附近坡面做好防沖刷防護(hù)。

6 結(jié)論

1)高邊坡在外力作用下,臨空面附近巖土體不斷發(fā)生局部坍塌或滑移變形,滑坡后緣不斷后退,宏觀上表現(xiàn)出從前向后擴(kuò)展的“牽引后退式”滑動(dòng)模式。

2)由CSMR得分可見:高邊坡在自然狀態(tài)下巖體級(jí)別均為Ⅲ級(jí),處于基本穩(wěn)定狀態(tài),破壞概率0.4;受工程開挖形成陡峭的臨空面,開挖狀態(tài)下巖體級(jí)別均為Ⅳ級(jí),處于不穩(wěn)定狀態(tài),破壞概率0.6。

3)運(yùn)用極限平衡法對(duì)破壞模式進(jìn)行判定,計(jì)算可得邊坡在天然工況下穩(wěn)定系數(shù)為1.10,暴雨工況下穩(wěn)定系數(shù)為1.04,均不滿足安全儲(chǔ)備。