順層邊坡松動(dòng)巖層工程特性及工程處治措施

張國(guó)輝，馮志秀，湯 華

(1.云南省公路開發(fā)投資有限責(zé)任公司， 云南 昆明 650200；2.云南公投建設(shè)集團(tuán)有限公司， 云南 昆明 650034；3.云南小磨高速公路改擴(kuò)建工程建設(shè)指揮部， 云南 景洪 666100；4.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430071)

順層邊坡松動(dòng)巖層工程特性及工程處治措施

張國(guó)輝1,3，馮志秀2,3，湯 華4

(1.云南省公路開發(fā)投資有限責(zé)任公司， 云南 昆明 650200；2.云南公投建設(shè)集團(tuán)有限公司， 云南 昆明 650034；3.云南小磨高速公路改擴(kuò)建工程建設(shè)指揮部， 云南 景洪 666100；4.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430071)

通過對(duì)松動(dòng)巖層的形成機(jī)制和工程特性深入分析，顯示松動(dòng)巖層和原巖層有本質(zhì)區(qū)別，由于松動(dòng)巖層孔隙張開、泥質(zhì)充填等不利因素，其抗剪強(qiáng)度和原巖層相比差異顯著；通過極限平衡方法對(duì)工程實(shí)例中的松動(dòng)巖層滑坡進(jìn)行反分析，結(jié)果表明松動(dòng)巖層充分泥化后強(qiáng)度大幅下降，不能簡(jiǎn)單通過原巖強(qiáng)度折減得到?？辈祀A段應(yīng)將其作為特殊巖體對(duì)待，有條件的情況下應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)槽探，弄清松動(dòng)巖層具體情況。邊坡開挖后，松動(dòng)巖層易于軟化而導(dǎo)致大面積滑動(dòng)，因此建議在邊坡開挖前采用抗滑樁預(yù)先加固、開挖坡面后采用錨桿(錨索)框架加固坡面、并做輔以坡體截排水的綜合工程處治措施。

順層邊坡；松動(dòng)巖層；滑坡；泥化；工程處治措施

隧道或地下洞室開挖時(shí)，原巖經(jīng)爆破施工，由于應(yīng)力釋放、圍巖變形調(diào)整，往往形成松動(dòng)巖石圈。與此類似，在高陡峽谷地區(qū)，順層巖質(zhì)邊坡在臨空條件下，巖體易于發(fā)生時(shí)效變形[1-6]，形成松動(dòng)巖層。目前在邊坡松動(dòng)巖層的研究中，人們更多地把目光對(duì)準(zhǔn)了工程開挖造成的邊坡或隧道巖體松動(dòng)[7-12]，而很少關(guān)注自然坡在歷史演化過程中本身形成的松動(dòng)巖層，實(shí)際上，邊坡歷史演化過程中形成的松動(dòng)巖層可能對(duì)自然坡開挖后的穩(wěn)定性有著更重要的影響，本文所提出的松動(dòng)巖層即是這一概念。

就順層松動(dòng)巖層形成機(jī)制而言，其內(nèi)因是巖體為非連續(xù)的地質(zhì)體, 被各種地質(zhì)結(jié)構(gòu)面切割，外因是歷史演化過程中的風(fēng)化、侵蝕等作用在歷史演化過程中產(chǎn)生時(shí)效變形，從而形成順層松動(dòng)巖層，這已經(jīng)被近年來工程實(shí)踐所證實(shí)[1，4，6]。

當(dāng)前邊坡工程實(shí)踐中，常將松動(dòng)巖層作為強(qiáng)或弱風(fēng)化巖層對(duì)待。在進(jìn)行此類邊坡開挖時(shí)，發(fā)生很多以松動(dòng)巖層為滑動(dòng)面的滑坡，有些在工程開挖初期就發(fā)生滑坡，有些在上部邊坡防護(hù)后進(jìn)行坡腳加固開挖出現(xiàn)整體滑坡，使上部建(構(gòu))筑物受到威脅，同時(shí)使工程本身受到重大損失[13]。因此，通過對(duì)松動(dòng)巖層的形成機(jī)制和工程特性深入分析，有助于加深對(duì)松動(dòng)巖層的認(rèn)識(shí)，在此基礎(chǔ)上制定合理的工程處治措施，避免或減少因松動(dòng)巖層滑坡帶來的工程損失。

1 順層邊坡松動(dòng)巖層形成機(jī)制及其工程特性

1.1 順層邊坡松動(dòng)巖層形成機(jī)制分析

自然坡中地表的巖層除經(jīng)受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成節(jié)理裂隙外，還要經(jīng)受風(fēng)化、冰根劈和重力等侵蝕作用。在這些內(nèi)、外營(yíng)力共同作用下，巖層除受節(jié)理裂隙分割成塊體外，巖層本身存在著松動(dòng)、移動(dòng)變形使巖層面產(chǎn)生空隙，降雨入滲帶入泥質(zhì)充填。

松動(dòng)巖層的形成主要有如下三種方式：(1) 與層面大致垂直的節(jié)理裂隙通常很發(fā)育，在長(zhǎng)期的風(fēng)化、冰劈、根劈等作用，原巖層面松動(dòng)產(chǎn)生空隙，降雨入滲帶入泥質(zhì)等充填巖層面；(2) 坡腳巖土體經(jīng)過長(zhǎng)期風(fēng)化、侵蝕作用，坡腳被掏空，巖體向臨空面蠕變，使得原巖層產(chǎn)生空隙或空隙增大，降雨入滲帶入泥質(zhì)等充填巖層面；(3) 原巖成巖過程中的軟弱夾層強(qiáng)度和抗風(fēng)化能力較差，軟弱夾層變形后產(chǎn)生空隙。降雨入滲帶入泥質(zhì)等充填巖層面或軟弱夾層，使其剛度和強(qiáng)度下降，在歷史演化過程中產(chǎn)生時(shí)效變形，從而形成順層松動(dòng)巖層，典型順層松動(dòng)巖層邊坡見圖1。

自然順層巖質(zhì)邊坡產(chǎn)生松動(dòng)巖層的主要巖性有夾薄層頁巖的灰?guī)r層、夾泥巖的泥質(zhì)粉砂巖層、泥灰?guī)r、頁巖等，巖層傾角在18°～55°之間，大部分在25°～45°之間，在這一條件下，巖體在重力和其它外力作用下可產(chǎn)生順層移動(dòng)。松動(dòng)巖層一般為強(qiáng)至弱風(fēng)化巖體，產(chǎn)狀與原巖相近。松動(dòng)巖層厚度一般不大，受風(fēng)化、溶蝕、冰劈等作用，坡表以下1 m～5 m的巖層最易產(chǎn)生松動(dòng)變形。

圖1 典型順層松動(dòng)巖層邊坡

1.2 順層邊坡松動(dòng)巖層的工程特性

松動(dòng)巖層的工程特性與原巖有較大的差別。松動(dòng)巖層的層間黏結(jié)性能與原巖相比顯著下降；層間摩擦性能和層間填充物有關(guān)，當(dāng)層間有大量次生黏土?xí)r為泥質(zhì)填充物所控制，無泥土充填時(shí)，為松動(dòng)脫開的巖層面摩擦特性控制，抗剪強(qiáng)度一般高于表層殘坡積土體而明顯低于未松動(dòng)的巖層抗剪強(qiáng)度。泥質(zhì)充填的巖層面或軟弱夾層抗剪強(qiáng)度極低，某高速公路泥巖夾層的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果為φ=22°～26°，c=30 kPa～50 kPa,充分軟化后的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果僅為φ=6°，c=6 kPa～12 kPa[14]。我國(guó)部分水利工程現(xiàn)場(chǎng)大剪切試驗(yàn)成果顯示：巖體中軟弱夾層軟化后，摩擦系數(shù)tanφ下降5%～30%，c值下降30%～80%[15]。松動(dòng)巖層的泥質(zhì)夾層充分軟化后c值為0 kPa～15 kPa，φ值為4°～15°，往往比上部的坡積土體抗剪強(qiáng)度更低，因此有些邊坡在殘坡積土體開挖時(shí)，邊坡保持穩(wěn)定，而開挖至松動(dòng)巖層時(shí)，產(chǎn)生較大規(guī)模的順層滑動(dòng)[14]。

2 順層邊坡松動(dòng)巖層滑坡工程處治措施

高速公路建設(shè)過程中邊坡開挖使坡腳處的阻滑段被切除，原巖層由于層間未松動(dòng)，強(qiáng)度較高，高邊坡開挖時(shí)適當(dāng)注意巖層間的加固，基本可滿足邊坡工程穩(wěn)定性，而松動(dòng)巖層在坡腳開挖后極易導(dǎo)致順層間松動(dòng)巖層滑坡。工程開挖一方面改變了坡表形態(tài)，另一方面也改變了原有的地下水滲透路徑，地下水滲出路徑的坡率變陡，開挖坡面下部即可出現(xiàn)地下水滲出點(diǎn)，滲透路徑一般下移，使?jié)撛诨瑒?dòng)的巖體軟化范圍增加。潛在滑動(dòng)面的巖層軟化后抗剪強(qiáng)度下降，其抗滑力將明顯降低，導(dǎo)致松動(dòng)巖層失穩(wěn)。工程開挖后降雨入滲對(duì)松動(dòng)巖層軟化作用顯著。因此，首先要查明松動(dòng)巖層的分布特征，如厚度、空間范圍等，將其作為特殊層位考慮。工程開挖后，若未能及時(shí)進(jìn)行工程處治，將使松動(dòng)巖層發(fā)生卸荷變形，產(chǎn)生新的裂隙，降雨下滲使軟弱層發(fā)生軟化，從而導(dǎo)致順層松動(dòng)巖層失穩(wěn)。

邊坡開挖后，松動(dòng)巖層易于軟化而導(dǎo)致大面積滑動(dòng)。因此，在邊坡開挖前進(jìn)行預(yù)先加固顯得極其重要。在具體加固方式設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地形地貌、松動(dòng)巖層厚度和分布范圍、加固力大小、加固費(fèi)用等多種因素后綜合確定。建議采用抗滑樁加固，開挖坡面后再采用錨桿框架(或錨索框架)加固。

若設(shè)計(jì)不當(dāng)導(dǎo)致松動(dòng)巖層滑坡，對(duì)失穩(wěn)后的邊坡應(yīng)采取合理的工程處治措施，避免損失擴(kuò)大。由于通常情況下松動(dòng)巖層在地表面積較廣，對(duì)松動(dòng)巖層進(jìn)行順層清坡的工程量較大，同時(shí)也將大量地毀壞植被或耕地。鑒于松動(dòng)巖層厚度通常不大，上部一般覆蓋有坡積土體，加起來厚度也不過十幾米，雖然滑坡面積較大，但整體下滑力不大，且下滑推力靠近地表，在切坡面上可采用抗滑樁(斷面為1.2 m～1.8 m圓樁或方樁)和錨桿(錨索)框架進(jìn)行加固，并輔以坡面截排水處理措施，一般可滿足工程穩(wěn)定性要求。

3 工程實(shí)例分析

以某高速公路發(fā)生的順層巖質(zhì)滑坡為例進(jìn)行分析。由于勘察時(shí)對(duì)松動(dòng)巖層沒有引起足夠重視，邊坡設(shè)計(jì)時(shí)將其視作風(fēng)化巖層，導(dǎo)致邊坡開挖時(shí)產(chǎn)生滑坡。

邊坡地層主要有第四系坡積層，厚度1 m～4 m，主要為褐黃色粉質(zhì)黏土夾灰?guī)r、泥灰?guī)r塊石，結(jié)構(gòu)松散；順層松動(dòng)巖層以?shī)W陶系泥質(zhì)灰?guī)r為主，厚度2 m～5 m，層間和裂縫間有地表水下滲帶入的黏土層，黏土層厚度1 mm～20 mm；坡體底部為弱—微風(fēng)化灰?guī)r。該段自然山坡略緩于巖層傾角，延伸較遠(yuǎn)，匯水面積大，降雨極易下滲至松動(dòng)巖層。

邊坡開挖至坡積層時(shí)，坡體變形明顯，但基本穩(wěn)定，當(dāng)開挖至松動(dòng)巖層時(shí)，迅速產(chǎn)生大面積滑坡。若將松動(dòng)巖層作為坡積層看待，邊坡將產(chǎn)生近似圓弧滑動(dòng)，但圓弧滑動(dòng)范圍有限，和實(shí)際滑坡范圍不符。松動(dòng)巖層與下伏巖層具有一致的產(chǎn)狀，且層面相對(duì)脫開、充填次生黏土夾層，沿松動(dòng)巖層滑動(dòng)和實(shí)際滑坡情況相符。邊坡失穩(wěn)后，采取壓腳回填的應(yīng)急處理措施，使坡體變形得到抑制，這表明滑面未通過下部巖層，不是深層滑動(dòng)?；率Х€(wěn)后在坡體上不同部位的測(cè)斜結(jié)果表明滑動(dòng)面深度為5 m～8 m，均處在松動(dòng)巖層內(nèi)，且處于同一層位，據(jù)此可確定滑面底界，根據(jù)滑坡后勘察結(jié)果，確定邊坡的地質(zhì)概化模型，見圖2，據(jù)此建立極限平衡分析模型，見圖3。根據(jù)滑坡后滑面巖體的試驗(yàn)結(jié)果確定松動(dòng)巖層的強(qiáng)度參數(shù)取值范圍為：c=10 kPa～30 kPa，φ=10°～18°，反分析邊坡失穩(wěn)時(shí)(安全系數(shù)為0.96～0.98)的松動(dòng)巖層強(qiáng)度[16]，得到：c=15 kPa，φ=14°。采用松動(dòng)巖層強(qiáng)度對(duì)開挖前自然坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，邊坡沿松動(dòng)巖層滑動(dòng)的安全系數(shù)為1.14，和自然坡保持穩(wěn)定相一致。

圖2 邊坡地質(zhì)模型

圖3 自然坡穩(wěn)定性分析模型

圖4 邊坡加固設(shè)計(jì)模型

邊坡失穩(wěn)時(shí)的松動(dòng)巖層強(qiáng)度僅為：c=15 kPa，φ=14°，這個(gè)強(qiáng)度值不僅遠(yuǎn)低于風(fēng)化巖層的強(qiáng)度，也低于坡積層強(qiáng)度，因此絕不能將其看作風(fēng)化巖層，應(yīng)在勘察中引起足夠重視。

若在邊坡開挖前采用斷面1.5 m的圓型抗滑樁進(jìn)行預(yù)先加固(見圖4)，邊坡安全系數(shù)達(dá)到1.21，可避免開挖后邊坡失穩(wěn)。開挖坡面后再用錨桿框架加固，邊坡安全系數(shù)達(dá)到1.28，滿足工程穩(wěn)定性要求。此外，對(duì)地表水進(jìn)行排截：在坡體設(shè)置截排水溝、引水溝，避免降雨入滲軟化松動(dòng)巖層造成不利影響。

4 結(jié) 語

本文提出了不同于工程開挖造成的巖石松動(dòng)區(qū)的松動(dòng)巖層概念，定義其為巖質(zhì)邊坡在地質(zhì)歷史演化過程中，在內(nèi)外營(yíng)力作用下，由于時(shí)效變形而產(chǎn)生的工程性質(zhì)較差的巖層。對(duì)松動(dòng)巖層的形成機(jī)制和工程特性進(jìn)行了分析，通過工程實(shí)例分析結(jié)果表明，松動(dòng)巖層與原巖性質(zhì)差別極大，提出應(yīng)采取預(yù)先加固的工程處治措施。主要結(jié)論如下：

(1) 傳統(tǒng)上，工程地質(zhì)勘察將松動(dòng)巖層視作風(fēng)化巖體，其抗剪強(qiáng)度按原巖強(qiáng)度進(jìn)行適當(dāng)折減，而松動(dòng)巖層抗剪強(qiáng)度是由層間或?qū)娱g夾層抗剪強(qiáng)度控制，與風(fēng)化巖體的抗剪強(qiáng)度相差極大。因此在工程勘察時(shí)，應(yīng)將其作為特殊巖體對(duì)待。有條件的情況下應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)槽探，弄清松動(dòng)巖層厚度、分布范圍、層間錯(cuò)開和填充情況，如層間是否有泥質(zhì)填充、脫開或原生軟弱夾層等，以便合理進(jìn)行邊坡設(shè)計(jì)。

(2) 工程開挖邊坡時(shí)，在降雨入滲作用下，松動(dòng)巖層間抗剪強(qiáng)度大幅下降，極易發(fā)生大面積淺層順層滑坡。建議在邊坡開挖前采用抗滑樁進(jìn)行預(yù)先加固，開挖后采用錨桿(錨索)框架及時(shí)加固坡面，并做好截排水措施，避免造成開挖后的大面積滑坡。

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Engineering Characteristics and Treatment Measures of Disturbed Rock Strata in Bedding Rock Slope

ZHANG Guohui1，3， FENG Zhixiu2，3， TANG Hua4

(1.YunnanProvincalHighwayInvestmentandDevelopmentCo.,Ltd.,Kunming,Yunnan650200,China;2.ConstructionGroupofYunnanHighwayDevelopmentandInvestmentCo.,Ltd.,Kunming,Yunnan650034,China;3.YunnanXiaomoExpresswayExtensionProjectConstructionHeadquarters,Jinghong,Yunnan666100,China;4.StateKeyLaboratoryofGeomechanicsandGeotechnicalEngineering,InstituteofRockandSoilMechanics,ChineseAcademyofSciences,Wuhan,Hubei430071,China)

The formation mechanism and engineering characteristics of disturbed rock strata are analyzed. There are essential differences between disturbed rock strata and original rock strata. Because of the unfavorable factors such as pore openings and shale filling of disturbed rock strata, the shear strength is significantly lower than that of original rock strata, which cannot be determined simply by strength reduction of original rock strata. It should be treated as a special rock in engineering survey, trench exploration should be carried out if it is possible. Large area of landslide often occur in disturbed rock strata after slope excavation. It is suggested that the anti-slide pile should be pre-reinforced before slope excavation, bolt (or anchor wire) frame and cutoff drainage should be taken after slope excavation.

bedding slope; disturbed rock strata; landslide; argillation; engineering treatments

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.032

2016-12-09

2017-01-12

云南省交通科技項(xiàng)目(云交科教[2016]163號(hào)一(三))，(云交科[2014](A)01)；陸地交通氣象災(zāi)害防治技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(NELBP201601)

張國(guó)輝(1966—)，男(白族)，云南大理人，高級(jí)工程師，主要從事項(xiàng)目工程管理與建設(shè)工作。E-mail：1090353020@qq.com

TU

A

1672—1144(2017)02—0166—04