趙之舉

(上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200434)

邊坡工程中,順層邊坡由于坡腳受阻約束,相對(duì)于同傾向切層邊坡來(lái)說(shuō)一般是穩(wěn)定的,但隨著邊坡高度和巖層傾角的增加,具備軟弱夾層的斜坡常會(huì)發(fā)生潰屈破壞。由于公路、鐵路工程，水利水電工程，礦山開采等人類活動(dòng)的深入,科技人員對(duì)于邊坡潰屈破壞的研究和認(rèn)識(shí)也在不斷深入。1988年孫廣忠在《巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)》一書中提出了板裂結(jié)構(gòu)的概念,并對(duì)板裂結(jié)構(gòu)邊坡的力學(xué)模型進(jìn)行了試驗(yàn)研究[1]。1990年潘瑞林、李秉生等對(duì)板裂結(jié)構(gòu)順層邊坡巖體給出了在地震力、地下水和坡頂荷載作用下的潰屈破壞臨界坡長(zhǎng)力學(xué)計(jì)算模型和方法[2]。1995年李樹森、任光明等以板梁彎曲變形為基本力學(xué)模型,對(duì)順層斜坡的潰屈破壞進(jìn)行了力學(xué)分析和定量描述,并給出了潰屈破壞的臨界坡長(zhǎng)計(jì)算公式[3]。2004年朱晗迓、馬美玲等在利用力學(xué)分析推導(dǎo)臨界坡長(zhǎng)求解的基礎(chǔ)上又對(duì)影響邊坡潰屈破壞臨界坡長(zhǎng)的巖石彈性模量、層間滑動(dòng)面強(qiáng)度、巖層厚度、層面傾角等因素進(jìn)行了分析[4]。

本文通過(guò)對(duì)某工程順層邊坡的潰屈破壞力學(xué)模型的分析和穩(wěn)定性計(jì)算,進(jìn)一步分析探討影響潰屈破壞的地質(zhì)因素,驗(yàn)證適合該類型邊坡的評(píng)價(jià)方法和加固處理措施。

1 地質(zhì)概況

某工程邊坡位于長(zhǎng)江南岸江西某地一工業(yè)園區(qū)內(nèi),開挖坡面走向NEE82°,邊坡傾向NW,坡頂高程110～130 m,邊坡高度90～110 m,現(xiàn)狀邊坡地形坡度50°～60°,相應(yīng)的邊坡長(zhǎng)度110～130 m。

邊坡巖性為上泥盆系五通組(D3w)粉砂巖夾泥巖,其中,粉砂巖單層厚度5～20 cm,泥巖單層厚度5～10 cm,粉砂巖約占69%,泥巖約占31%。邊坡巖層產(chǎn)狀走向NE80°～85°,傾向NW,傾角55°～60°。邊坡坡向及傾角與巖層傾向、傾角基本一致,為順層坡。

邊坡主要發(fā)育層面裂隙(1)組,產(chǎn)狀NE85°/NW∠58°；構(gòu)造裂隙(2)組,產(chǎn)狀NE8°/NW∠50°；構(gòu)造裂隙(3)組,產(chǎn)狀NW350° /SW∠80°。

現(xiàn)狀坡面巖體較破碎、裂隙發(fā)育,分布有楔形凹槽和潰屈破壞的危巖體。潰屈段邊坡頂部可見沿層面向下發(fā)生臺(tái)階狀錯(cuò)動(dòng)位移,后緣及南側(cè)側(cè)面均出現(xiàn)拉裂縫,裂縫寬度10～35 cm,坡面巖體層面張裂縫非常發(fā)育，巖體呈塊裂結(jié)構(gòu),坡腳巖層可見向外彎曲隆起，并產(chǎn)生折斷破壞,中下部淺層可見巖體局部架空現(xiàn)象。受潰屈蠕動(dòng)變形破壞影響,現(xiàn)狀邊坡常見巖塊剝落、崩塌和滑塌發(fā)生,邊坡現(xiàn)狀見圖1,巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

2 破壞機(jī)制

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,上述工程邊坡為薄層狀板裂結(jié)構(gòu)巖體,其破壞型式主要為順層潰屈破壞。結(jié)合板梁彎曲理論分析,該邊坡變形過(guò)程大致分為初期的滑移—彎曲、中期的潰屈—折斷、末期的剪切—滑動(dòng)破壞三個(gè)階段。

(1) 滑移—彎曲階段：由于層狀巖體層間軟弱結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度較低,在重力作用下板狀巖體沿層面向下蠕動(dòng)滑移,各層間發(fā)生輕微的差異性錯(cuò)動(dòng),在坡腳處產(chǎn)生應(yīng)力集中進(jìn)而發(fā)生彎曲變形,這一階段巖層基本處于彈性變形階段,邊坡中下部坡面僅出現(xiàn)輕微的鼓起變形(圖2-a)。

圖1 某工程陡傾角順層邊坡現(xiàn)狀(左為正面,右為西側(cè)面)
Fig.1 Present situation of steep dip bedding slope in a project

表1 某工程邊坡巖體物理力學(xué)參數(shù)建議值Table 1 Recommended values of physical and mechanical parameters of rock mass for a project slope

(2) 潰屈—折斷階段：隨著時(shí)間的推移,邊坡下部巖層蠕變—彎曲變形進(jìn)一步加劇,彎曲巖層伴隨著 “X” 剪切裂隙和張裂隙帶的出現(xiàn)而發(fā)生折斷；實(shí)際上,當(dāng)坡腳發(fā)生潰屈變形時(shí),邊坡坡面已經(jīng)產(chǎn)生了小范圍的淺層滑塌破壞(圖2-b)。

(3) 剪切—滑動(dòng)破壞階段：隨著彎曲變形的進(jìn)一步發(fā)展,斜坡底部變形體中的剪切裂隙和張裂隙進(jìn)一步貫通,上部層間軟弱結(jié)構(gòu)面和底部潰屈帶張裂隙、剪裂隙的抗滑力低于變形體的下滑力時(shí),邊坡變形體的勢(shì)能將得到瞬間釋放，即發(fā)生大的滑坡(圖2-c)。

圖2 順層滑移潰屈破壞變形過(guò)程模型圖
Fig.2 Model diagram of failure and deformation process of bedding slip and buckling

①.張裂隙；②.剪裂隙；③.坡頂錯(cuò)動(dòng)臺(tái)階；④.主滑面；⑤.次滑面。

根據(jù)邊坡變形的三個(gè)階段劃分,該處工程邊坡不同部位目前處于不同的變形階段,東側(cè)邊坡處于初期滑移—彎曲階段,西側(cè)部分邊坡則已經(jīng)發(fā)生了潰屈—折斷,并處于剪切—滑動(dòng)的醞釀階段。

3 穩(wěn)定分析

層狀潰屈破壞的邊坡可通過(guò)臨界坡長(zhǎng)來(lái)進(jìn)行穩(wěn)定性分析,當(dāng)層狀邊坡的坡長(zhǎng)大于某一特定長(zhǎng)度時(shí),邊坡就會(huì)發(fā)生潰屈失穩(wěn),這一特定坡長(zhǎng)稱為臨界坡長(zhǎng),用Lcr表示。根據(jù)板梁彎曲變形理論、能力平衡原理,李樹森、任光明等給出了層狀順層邊坡臨界坡長(zhǎng)Lcr的計(jì)算公式：

(1)

式中：γ為巖體容重(kN/m3)；h為巖體單層厚度(m)；n為巖層層數(shù)；α為斜坡傾角(°)；φ為巖層結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角(°);c為巖層結(jié)構(gòu)面粘聚力(kPa);E為巖體彈性模量(MPa)。

工程邊坡坡長(zhǎng)L=130.16 m,坡角α=56°,與巖層傾角相同。巖體彈性模量采用粉砂巖與泥巖的加權(quán)模量E=4 640 MPa,巖層結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度采用泥巖結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù),其中粘聚力c=50 kPa,摩擦系數(shù)f=0.35,潰屈深度B=n·h。根據(jù)上述公式(1)繪制臨界坡長(zhǎng)Lcr與層數(shù)n的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 某工程邊坡臨界坡長(zhǎng)與巖層層數(shù)關(guān)系
Fig.3 The relationship between the critical length
of slope and the number of strata

由臨界坡長(zhǎng)計(jì)算公式(1)和圖3散點(diǎn)曲線可見,△T=nγhsinα-(nγhcosαtanφ+c)，為坡體巖層剩余下滑力。對(duì)于特定的邊坡,當(dāng)層數(shù)n很小時(shí),邊坡體剩余下滑力△T<0,不會(huì)產(chǎn)生潰屈破壞,邊坡巖體以層面剝落、崩塌型式破壞;當(dāng)剩余下滑力△T≥0時(shí),邊坡才具備潰屈變形的條件,此時(shí)的潰屈深度稱為起始潰屈深度,經(jīng)計(jì)算本工程起始潰屈深度為3.2 m。隨著巖層層數(shù)及潰屈深度的增加,臨界坡長(zhǎng)趨于穩(wěn)定,取n=100對(duì)應(yīng)的邊坡厚度為潰屈深度B=5～20 m,與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的多處潰屈破壞現(xiàn)狀基本相符。潰屈破壞臨界坡長(zhǎng)計(jì)算結(jié)果如表2所示。

由計(jì)算結(jié)果可見,該邊坡臨界坡長(zhǎng)為14.85～28.39 m,邊坡穩(wěn)定系數(shù)K=0.11～0.22,<1,邊坡存在破壞風(fēng)險(xiǎn),上述計(jì)算結(jié)果與邊坡現(xiàn)狀基本吻合。

表2 臨界坡長(zhǎng)計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of critical slope length

4 工程防護(hù)措施建議

由公式(1)可見影響層狀邊坡潰屈穩(wěn)定的因素主要有巖石的彈性模量、層間結(jié)構(gòu)面的粘聚力和內(nèi)摩擦角、巖層厚度、層面傾角,這些因素均與臨界坡長(zhǎng)呈正相關(guān)性。其中臨界坡長(zhǎng)與粘聚力、內(nèi)摩擦角和單層厚度的關(guān)系曲線如圖4-圖6所示。因此,通過(guò)錨桿加固板狀巖層,變單薄巖層為厚層—巨厚層巖體可顯著地提高臨界坡長(zhǎng)。

圖4 臨界坡長(zhǎng)Lcr與摩擦系數(shù)tanφ關(guān)系曲線
Fig.4 Relation curve between critical slope lengthLcrand friction coefficient tanφ

圖5 臨界坡長(zhǎng)Lcr與粘聚力c關(guān)系曲線
Fig.5 Curve of relationship between critical slope lengthLcrand cohesionc

圖6 臨界坡長(zhǎng)Lcr與單層厚度h關(guān)系曲線
Fig.6 Relation curve between critical slope lengthLcrand single layer thicknessh

各巖層力學(xué)參數(shù)基本相同時(shí),錨固前邊坡等效抗彎剛度為：

(2)

錨固后巖層的截面慣性矩發(fā)生了變化,其等效抗彎剛度為[3]：

(3)

對(duì)比上述公式(2)、(3)可見,錨固后巖層的抗彎剛度得到了大大的提高,錨固后的臨界坡長(zhǎng)計(jì)算公式可改寫為：

經(jīng)計(jì)算,加固后的邊坡臨界坡長(zhǎng)可分別達(dá)到611 m,413 m和319.9 m,穩(wěn)定系數(shù)K=2.45～4.70,其邊坡穩(wěn)定性系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其錨固前數(shù)值,邊坡的穩(wěn)定性得到了極大地提高。實(shí)際工作中,由于錨固工作施工質(zhì)量往往難以得到較好的控制，以及其它一些環(huán)境條件等原因,錨固效果難以達(dá)到理論水平,因此該工程建議采用分級(jí)削坡、降低坡高、錨桿加固等措施進(jìn)行綜合處理。

5 結(jié)論

(1) 中—陡傾角層狀順層邊坡受重力作用及層面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度控制,邊坡坡角巖體易產(chǎn)生彎曲變形,進(jìn)而發(fā)展成為潰屈破壞和滑動(dòng)破壞；潰屈破壞是順層邊坡破壞的主要型式。

(2) 因抗彎剛度的不同,潰屈破壞邊坡一般都是發(fā)生在軟質(zhì)巖或軟硬相間的中陡傾角巖層中,中厚層無(wú)軟弱夾層的硬質(zhì)巖邊坡一般不易產(chǎn)生潰屈破壞。

(3) 邊坡潰屈破壞的臨界坡長(zhǎng)與邊坡巖層厚度、滑移面的粘聚力及內(nèi)摩擦角、邊坡坡角和巖體彈性模量有關(guān),隨著潰屈深度的增加臨界坡長(zhǎng)趨于穩(wěn)定值。

(4) 經(jīng)計(jì)算,該工程邊坡臨界坡長(zhǎng)小于實(shí)際坡長(zhǎng),穩(wěn)定系數(shù)<1,邊坡存在潰屈破壞風(fēng)險(xiǎn)。

(5) 抗彎剛度是控制巖層潰屈破壞的主要內(nèi)部因素,邊坡加固可通過(guò)錨固、降低坡高、減小坡長(zhǎng)等措施進(jìn)行處理,盡管理論計(jì)算錨固效果最佳,但由于錨固施工質(zhì)量控制等問題,往往難以達(dá)到理想的效果,實(shí)際工作中應(yīng)以錨固和降低坡高綜合處理較好。