順層巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性分析及處治方案研究

賈鵬云

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原 030012）

在高速公路建設(shè)中，順層巖質(zhì)邊坡工程的穩(wěn)定性問題非常突出，其具有其他邊坡之外獨(dú)特的特征，受軟弱面、節(jié)理面等不利結(jié)構(gòu)面的影響及雨水浸入作用，在重力作用下極易形成滑坡，對公路的安全影響很大，因此，順層巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定分析和處治方案研究顯得尤為重要。

1 順層巖質(zhì)邊坡處治方法

1.1 順層巖質(zhì)邊坡的特點(diǎn)

a）公路建設(shè)中順層巖質(zhì)邊坡屬于人工邊坡，原始山體邊坡自然狀態(tài)下多處于穩(wěn)定狀態(tài)，由于施工開挖，坡體應(yīng)力未完全釋放，存在不穩(wěn)定滑動(dòng)趨勢。

b）順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性取決于受巖層傾角和坡向夾角的關(guān)系[1]以及軟弱層面物理力學(xué)性質(zhì)。

1.2 順層巖質(zhì)邊坡處治步驟

根據(jù)順層巖質(zhì)邊坡的特點(diǎn)，采用系統(tǒng)工程原理，提出了順層巖質(zhì)邊坡處治設(shè)計(jì)的框架[2]。

圖1 順層巖質(zhì)邊坡處治設(shè)計(jì)框架圖

a）根據(jù)野外的地質(zhì)調(diào)查及相應(yīng)的鉆探、坑探等手段勘察，查明邊坡體的工程地質(zhì)條件。

b）根據(jù)邊坡的工程地質(zhì)條件，對邊坡進(jìn)行分類，采用赤平投影分析確定邊坡的破壞模式。

c）采用工程地質(zhì)類比法、極限平衡法等對邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析計(jì)算，確定邊坡的下滑力。

d）根據(jù)穩(wěn)定性分析計(jì)算的結(jié)果，進(jìn)行處治方案的設(shè)計(jì)。

2 工程實(shí)例分析

2.1 邊坡概況

某高速公路K24+260—K24+410段屬于構(gòu)造侵蝕剝蝕低山區(qū)，微地貌斜坡，全長150 m，中心最大挖深15.6 m，K24+320處左側(cè)邊坡最大挖深65.9 m。

該邊坡在施工時(shí)遇上雨季防護(hù)未及時(shí)做好，挖至第二級平臺(tái)時(shí)，左側(cè)坡頂處產(chǎn)生了滑塌，其后緣位于K24+310左側(cè)145 m，主滑方向?yàn)?25°，后壁坡度約為35°?；w長約70 m，寬約40 m，平均厚度約為4.0 m。

2.2 邊坡工程地質(zhì)條件

該路段地面高程550～712 m，相對高差162 m，地表植被不甚發(fā)育，零星分布草叢及灌木。巖性主要為下太古界龍華河群會(huì)理組（Ar3h）黑云斜長片麻巖和絹云母片巖，節(jié)理發(fā)育，風(fēng)化厚度大，地表覆蓋為第四系全新統(tǒng)殘坡積（Q4dl+el）碎石土。詳見圖2邊坡地質(zhì)概況。

巖體產(chǎn)狀為：295°∠26°。主要發(fā)育兩組節(jié)理，第一組節(jié)理產(chǎn)狀為170°∠68°（8～9條/m）；第二組節(jié)理組產(chǎn)狀為265°∠75°～80°（5條/m）。

通過鉆探勘察，未見地下水出露，項(xiàng)目區(qū)溝谷未見泉水分布，地下水不發(fā)育。

圖2 邊坡地質(zhì)概況

3 邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 工程地質(zhì)類比法

該路段高邊坡坡體地層主要為黑云斜長片麻巖夾絹云母片巖，且?guī)r層視傾向又與邊坡同向，呈不利組合，屬于順層結(jié)構(gòu)。其中，絹云母片巖為不利地層，屬于軟弱結(jié)構(gòu)面，本身強(qiáng)度低，在雨水浸入作用下，結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度降低，上覆巖體沿軟弱面滑動(dòng)，該類型邊坡穩(wěn)定性差。

3.2 赤平投影法

圖3 赤平投影分析圖

根據(jù)赤平投影分析圖，巖層面為貫通的大型結(jié)構(gòu)面，與邊坡的面產(chǎn)狀較一致，該邊坡的控制性結(jié)構(gòu)面為片理面，滑移面為直線，邊坡的破壞模式主要為滑移-拉裂型。

3.3 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

3.3.1 計(jì)算斷面

圖4 計(jì)算模型（原始狀態(tài)）

圖5 計(jì)算模型（卸載后）

原始狀態(tài)反算C、φ值，卸載后進(jìn)行下滑力計(jì)算，結(jié)果見表1。

3.3.2 參數(shù)選取

物理力學(xué)參數(shù)的選取對邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果影響較大，本文通過試驗(yàn)、反算結(jié)合經(jīng)驗(yàn)數(shù)值確定?？紤]巖土體參數(shù)的離散性，經(jīng)綜合分析，參數(shù)選取黏聚力為7.8 kPa，內(nèi)摩擦角為23.2°，滑塊密度取平均值 21 kN/m3。

3.3.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)目前邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)，初始穩(wěn)定系數(shù)擬定為1.0，考慮到路基右側(cè)下面有椿樹底村，縣級重要公路駱小線，在考慮了地震影響的前提下，安全系數(shù)擬定為1.3。計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 剩余下滑力結(jié)果

4 邊坡處治對策

a）處治設(shè)計(jì)原則 采用在確保邊坡穩(wěn)定，運(yùn)營安全的前提下，一次根治，不留后患，綜合治理。

b）處治方案 以卸載、框架錨桿和框架錨索支擋為主，排水為輔的處治設(shè)計(jì)。

圖6 邊坡處治設(shè)計(jì)方案（比例：1∶1000）

4.1 坡率、平臺(tái)設(shè)計(jì)

根據(jù)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)合綜合坡率考慮，邊坡坡高按8 m控制進(jìn)行分臺(tái)，坡率設(shè)計(jì)第一級1∶0.75，第二至五級邊坡坡率為1∶1.25，五級以上邊坡坡率為1∶1.5，平臺(tái)寬度第一級為2 m，二至五級平臺(tái)寬度依次為4 m、2 m、4 m、8 m，五級以上設(shè)8 m寬平臺(tái)。

4.2 支擋設(shè)計(jì)

4.2.1 設(shè)計(jì)方案

a）上邊坡設(shè)計(jì) 第一級邊坡設(shè)置路塹式擋土墻，第二級邊坡采用框架錨桿防護(hù)，第三至第八級邊坡采用預(yù)應(yīng)力錨索框架防護(hù)，八級以上邊坡采用拱型骨架防護(hù)。

b）下邊坡設(shè)計(jì) 采用微型抗滑樁進(jìn)行支擋。微型抗滑樁主體為P43的舊鋼軌，樁長13.0 m，樁間距2.0 m。

4.2.2 框架錨索設(shè)計(jì)參數(shù)確定

4.2.2.1 錨固角

錨固角的確定受工程造價(jià)成本和施工便捷性控制，角度太緩錨桿過長，造價(jià)增加，錨固角增大，對施工又有一定影響，綜上，錨固角根據(jù)公式（1）確定：

式中：φ是坡體滑動(dòng)面的內(nèi)摩擦角；γ是滑面與水平面之間的夾角。

將相關(guān)參數(shù)代入計(jì)算可得：

最后結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)錨固角以15°～30°為最宜，本文采用30°。

4.2.2.2 錨固力

錨索采用標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為Rby≥1860 MPa，鋼筋截面積140 mm2的高強(qiáng)度低松弛鋼絞線。

本文錨索采用8根鋼絞線，則：

Ta=8×1860×103×140×10-6=2083.2 kN。設(shè)計(jì)時(shí)考慮鋼絞線保證強(qiáng)度的50%,則Ta=1040 kN，超張拉時(shí)考慮鋼絞線保證強(qiáng)度的60%，取1248 kN。

4.2.2.3 錨索間距

錨索間距的設(shè)置根據(jù)規(guī)范[3]，結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)，縱橫向間距均為3 m，經(jīng)計(jì)算，邊坡橫向長度49.2 m，縱向長度120 m，按照3 m×3 m間距布置，總的錨索根數(shù)l=（49.2×120）/（3×3）=640根。

而本段需要布置根數(shù) n=N/Ta[sin（α+δ）tanφ+cos（α+δ）]=540000/1040（sin55°tan23°+cos55°）=572根，

式中：α是坡體滑動(dòng)面的傾角；δ是錨固角；φ是滑面內(nèi)摩擦角；N為邊坡的下滑力，N=4500×120=540000 kN。

設(shè)計(jì)采用的錨索n=640＞n=562根，可以滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2.2.4 錨固長度確定

根據(jù)路基設(shè)計(jì)規(guī)范，分兩種情況考慮，第一種情況是錨固端與地層之間的黏結(jié)長度，另一種情況是錨索在注漿體中的黏結(jié)長度。

經(jīng)計(jì)算，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，最終確定錨固段設(shè)計(jì)長度為10.0 m。

自由端長度伸入滑動(dòng)面不小于1 m，且不得小于5.0 m，本文取5.0 m。

4.3 排水設(shè)計(jì)

設(shè)置完善的排水系統(tǒng)，把坡頂面設(shè)置的截水溝和每級平臺(tái)截水溝的水，通過急流槽水引入自然溝谷中。同時(shí)，注意現(xiàn)場積水和滲漏。

4.4 監(jiān)測設(shè)計(jì)

對于高陡順層巖質(zhì)邊坡，還應(yīng)做好監(jiān)測觀測。因此，在K24+330斷面上的中部設(shè)置一個(gè)深部位移觀測孔，K24+330、K24+360在邊坡中部平臺(tái)處位移觀測樁進(jìn)行觀測，做好觀測記錄，數(shù)據(jù)分析，便于邊坡穩(wěn)定性監(jiān)控。

5 結(jié)語

a）本項(xiàng)目順層巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性受絹云母片巖不利結(jié)構(gòu)面控制，邊坡穩(wěn)定性差，工程設(shè)計(jì)中采用擋墻、框架錨桿、框架錨索、拱形骨架和截排水綜合防治措施。

b）順層巖質(zhì)邊坡的施工[4]要嚴(yán)格按照開挖一級防護(hù)一級，由上至下一級一級施工的工序，及時(shí)施工。

c）通車運(yùn)營以來，邊坡沒有出現(xiàn)失穩(wěn)變形跡象，運(yùn)營良好，表明參數(shù)選取合理，處治方案得當(dāng)。