郭志明
(武漢工程大學(xué)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院,湖北武漢430074)
高陡順向巖質(zhì)人工邊坡治理研究
郭志明
(武漢工程大學(xué)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院,湖北武漢430074)
在工程地質(zhì)評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上,應(yīng)用數(shù)學(xué)力學(xué)模擬方法進(jìn)行切坡穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià).結(jié)合切坡特點(diǎn),對(duì)深層結(jié)構(gòu)面采用推力傳遞系數(shù)法進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算,基本荷載僅考慮巖體自重,組合荷載包括重力、靜水(滲水)壓力和地震力的組合作用.該切坡是由破碎巖體的塊狀多次多向塊體滑移與深層層面滑移結(jié)合的破壞模式.考慮局部滑移與整體滑動(dòng)的危險(xiǎn),暴雨與風(fēng)化作用下,邊坡變形破壞可能進(jìn)一步發(fā)育,提出預(yù)應(yīng)力錨索+地梁的措施進(jìn)行治理是合適的.
錨固技術(shù);人工高邊坡;巖體;順向坡;穩(wěn)定性系數(shù);應(yīng)用研究
峽口碼頭高切坡位于香溪河左岸、高嵐河大橋以南的碼頭一帶,系香溪河左岸斜坡,高切坡主要由三疊系嘉陵江組灰?guī)r、巴東組泥灰?guī)r、侏羅系香溪組長石石英砂巖、粉砂巖組成.高切坡現(xiàn)場調(diào)查坡長120 m,切坡面積5 600 m2.峽口碼頭高切坡坡高一般10~30 m,最高38 m,主要為層狀巖體組成的巖質(zhì)順向人工邊坡.
切坡治理前裂隙較發(fā)育,據(jù)統(tǒng)計(jì)有兩組裂隙延伸長、密度較大:
①組60~80°∠50°,裂隙面較平直光滑,延展性較好,隙寬1~3 mm,無充填物,密度3條/m.裂隙走向與切坡走向夾角40~60°,傾向坡內(nèi).
②組170~200°∠45°,裂隙面較光滑,延展性稍差,隙寬1~3 mm,密度2條/m.裂隙走向與切坡走向夾角50~80°,傾向坡外.
第①組裂隙組延伸較長,裂面較為平整光滑,在剖面上第①組裂隙切割第②組裂隙.兩組裂隙隙寬小、無充填及夾泥現(xiàn)象,即無膠結(jié)的硬性結(jié)構(gòu)面,當(dāng)高切坡開挖切穿粉砂巖層面時(shí),層面和裂面組合的塊體多順層產(chǎn)生滑移,尤其切穿至較軟的泥質(zhì)粉砂巖時(shí),則會(huì)產(chǎn)生較大規(guī)模的滑移[1].
峽口碼頭一帶原系香溪河左岸斜坡,斜坡的走向近南北、傾向西.在自然狀態(tài)下,臨河斜坡坡頂高程800 m左右,香溪河底高程117~120 m,自然狀態(tài)下斜坡坡度30~45°,在臨高嵐河出口地帶達(dá)50°以上.峽口鎮(zhèn)碼頭規(guī)劃在狹長的斜坡地帶,地面高程177~188 m.香溪河是調(diào)查區(qū)最大的地表水系,流域面積約3 000 km2,多年平均流量65.5 m3/s,歷史最大洪峰流量3 920 m3/s(1975年7月3日),最枯流量7.73 m3/s,平均坡降14.2‰,屬于由降雨補(bǔ)給的山溪性河流,集流時(shí)間短、匯流快,致使洪水暴漲暴落,一次洪水過程2~3天,漲洪歷時(shí)僅幾小時(shí),洪峰流量持續(xù)時(shí)間一般在1天以內(nèi).大洪水期間,河流兩岸洪澇災(zāi)害較為嚴(yán)重.
組成高切坡巖性為中層~厚層長石石英砂巖、泥質(zhì)粉砂巖,巖層產(chǎn)狀280~285°∠35~43°,層面傾向與切坡坡面傾向基本一致,為順層面坡.
峽口碼頭是人工開挖形成的工程巖體.從其結(jié)構(gòu)面與產(chǎn)狀來看,因?yàn)楣?jié)理與裂隙發(fā)育與水的侵蝕,開挖之后,不同傾向及傾角的分割面切割,形成局部巖塊上陡下緩或順層結(jié)構(gòu)面的復(fù)雜組合.坡體原有平衡體系被破壞,原始地應(yīng)力場擾動(dòng)加大,巖體應(yīng)力進(jìn)行重新分布,在臨空面附近的應(yīng)力場發(fā)生較大,卸荷作用、以及開挖出現(xiàn)的裂隙在風(fēng)化與雨水侵蝕作用在巖體內(nèi)部調(diào)整轉(zhuǎn)移,大小不同的結(jié)構(gòu)面各向異性作用,使巖體質(zhì)量劣化,形成多層塊體滑移與切腳形成的深層滑移的復(fù)雜局面.從滑動(dòng)面的抗剪強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)面的成因和力學(xué)特性來看,張性、壓性與扭性斷裂面復(fù)雜組合的共同作用導(dǎo)致本切坡的結(jié)構(gòu)面穩(wěn)定性極其復(fù)雜.中層~厚層長石石英砂巖、泥質(zhì)粉砂巖,與延伸較長的第①組裂隙組以及傾向坡外的第②組裂隙,巖層與裂面組合的結(jié)構(gòu)面組合形成硬性結(jié)構(gòu)面不穩(wěn)定的塊體,當(dāng)開挖切穿粉砂巖層面時(shí),形成本切坡層面和裂面組合的塊體.從該高切坡的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和已變形破壞形式來說,高切坡已經(jīng)或?qū)?huì)發(fā)生多次多向的塊狀滑移,可能進(jìn)一步發(fā)育為深層整體滑移的變形模式[2-5].
高切坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià),是在工程地質(zhì)評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上,應(yīng)用數(shù)學(xué)力學(xué)等模擬方法進(jìn)行定量評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性.潛在滑面的確定、選定計(jì)算剖面、擬定計(jì)算工況和方案,確定計(jì)算參數(shù)是穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的基本內(nèi)容.
2.1 計(jì)算方法
穩(wěn)定性計(jì)算方法很多,常見的有剩余推力法和Sarma法.剩余推力法在計(jì)算滑坡推力和穩(wěn)定性時(shí),在主滑面進(jìn)行條塊分割,不計(jì)算側(cè)向摩擦力和滑體自身擠壓力,滑面或破裂面分別按整體折線滑動(dòng),計(jì)算滑坡推力與阻力,求解穩(wěn)定性系數(shù).Sarma法是Sarma博士提出的[6],其假設(shè)巖土體是沿一個(gè)理想的平面圓弧進(jìn)行滑動(dòng)破壞模式,并在工程中廣泛應(yīng)用,它是考慮滑體強(qiáng)度的邊坡極限平衡分析方法.本切坡先破壞成多塊相對(duì)滑動(dòng)的塊體,因切坡開挖切腳,已經(jīng)或?qū)⒁l(fā)生多次巖塊滑移,可能存在多層多個(gè)滑動(dòng)面,并可發(fā)育為深層滑移.對(duì)深層結(jié)構(gòu)面采用推力傳遞系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算,基本荷載僅考慮巖體自重,組合荷載包括重力、靜水(滲水)壓力和地震力的組合作用.其穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算[6-9]公式為:
式(1)(2)(3)中:Pi為第i塊滑體剩余推力;Wi為垂直荷載,包括土條自重和其上部的建筑荷載,其中,自重可將其分為兩部分,地下水位以上用濕容重計(jì)算,設(shè)為Wi1,地下水位以下用飽和容重計(jì)算,設(shè)為Wi2;Ui為剪切面上的孔隙水壓力的合力,與剪切面正交;PDi為第i條塊的動(dòng)水壓力;φ′i、φ′為剪切面抗剪強(qiáng)度(有效應(yīng)力指標(biāo));Li為土條底面長度;αi為土條底面傾角;K為安全系數(shù).求解安全系數(shù)K的條件是Pn=0;βi為第i條塊所作用動(dòng)水壓力與滑動(dòng)面之間的夾角.
2.2 計(jì)算工況及安全系數(shù)
考慮高切坡區(qū)域可能遇到的各類情況,特別是最危險(xiǎn)的情況,由于區(qū)內(nèi)基本地震烈度為6度,可不考慮地震的影響,故綜合確定以下兩種計(jì)算工況:工況一,天然(自重)狀態(tài);工況二,自重+暴雨.本高切坡的安全等級(jí)為二級(jí),根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定,采用折線滑動(dòng)法計(jì)算,邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)取1.30.
2.3 典型剖面的選擇與潛在滑面的確定
在現(xiàn)場調(diào)查和工程地質(zhì)資料[2]分析基礎(chǔ)上,選取代表性工程地質(zhì)剖面進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià).(見圖1~3).
圖1 工程地質(zhì)1-1剖面圖Fig.1 Sectional drawing for the 1-1 engineering geological section
圖2 工程地質(zhì)2-2剖面圖Fig.2 Sectional drawing for the 2-2 engineering geological section
圖3 工程地質(zhì)3-3剖面圖Fig.3 Sectional drawing for the 3-3 engineering geological section
在以上模型與參數(shù)給出的情況下,利用折線滑動(dòng)法對(duì)潛在滑面進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算,計(jì)算結(jié)論是:順層滑動(dòng)面,剖面1-1(見圖1),在天然狀態(tài)下,穩(wěn)定性系數(shù)為1.22;在暴雨?duì)顟B(tài)下,穩(wěn)定性系數(shù)為1.013;低于安全系數(shù)1.30.
高切坡穩(wěn)定性定性分析與計(jì)算表明:峽口碼頭高切坡目前的整體穩(wěn)定性安全儲(chǔ)備不高.隨著風(fēng)化作用的加強(qiáng),結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度的降低,在強(qiáng)降雨的情況下,有可能發(fā)生失穩(wěn).
高切坡治理應(yīng)針對(duì)斜坡變形破壞的特點(diǎn)進(jìn)行.在治理過程中采用分層次分段治理的原則.高邊坡防治的目標(biāo)是采用防治工程輔以安全監(jiān)測,確保高邊坡在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期50年內(nèi)不發(fā)生失穩(wěn).
該切坡是由破碎巖體的塊狀多次多向塊體滑移與深層層面滑移結(jié)合的破壞模式.局部滑移與整體滑動(dòng)的危險(xiǎn),暴雨與風(fēng)化作用下,邊坡變形破壞可能進(jìn)一步發(fā)育,建議采取預(yù)應(yīng)力錨索+地梁的措施進(jìn)行治理.
4.1 推力計(jì)算
4.1.1 計(jì)算剖面的選擇 高切坡主要有塊體滑移與深層滑移兩組破壞模式.多向的塊體滑移,因斷層、夾層、層理、片理、節(jié)理和裂隙導(dǎo)致巖體被復(fù)雜切割,高度的非均質(zhì)性,彈性與非彈性,各向異性與不連續(xù)性的不同塊體的變形.采用薄弱點(diǎn)的分析,對(duì)深層滑移選擇剖面進(jìn)行推力計(jì)算.由于巖體具有多層滑動(dòng)面(帶),應(yīng)取推力最大的滑動(dòng)面(帶)確定滑坡推力;擇平行于滑動(dòng)方向的幾個(gè)具有代表性的斷面進(jìn)行計(jì)算.根據(jù)不同剖面的推力設(shè)計(jì)相應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu);當(dāng)滑動(dòng)面為折線形狀時(shí),滑坡推力可按圓弧滑動(dòng)采用傳遞系數(shù)法計(jì)算.
4.1.2 計(jì)算方法 按工程巖體特點(diǎn),分析采用傳遞系數(shù)法(推力傳遞法)計(jì)算滑坡推力[6,9],如公式(4).
式(4)中:Fi為第i條間推力(k N/m);k為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);Wi1為第i個(gè)條塊地下水位線以上土體天然重量(k N/m);Wi2為第i個(gè)條塊地下水位線以下土體飽和重量(k N/m);ΔPi為第i個(gè)條塊土體兩側(cè)靜水壓力的合力;Pwi為第i個(gè)條塊土體底部孔隙水壓力;φi為第i個(gè)條塊所在滑動(dòng)面上的內(nèi)摩擦角(°);αi為條塊滑動(dòng)底面傾角(°);ci為條塊滑動(dòng)底面處巖土體內(nèi)聚力(kPa);Li為條塊滑動(dòng)底面長度(m);ψi-1為傳遞系數(shù),由公式(5)計(jì)算:
當(dāng)最后一條塊剩余下滑力Fn≤0時(shí)可判斷為滑坡(斜坡)穩(wěn)定,當(dāng)Fn>0時(shí)則滑坡不穩(wěn)定.
此Fn值可作為設(shè)計(jì)支擋工程結(jié)構(gòu)所承受的推力.傳遞系數(shù)法適用于折線滑動(dòng)面情況的穩(wěn)定性驗(yàn)算.滑坡推力的計(jì)算指標(biāo)宜根據(jù)試驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和反算結(jié)果綜合分析確定.
4.2 計(jì)算結(jié)果
典型剖面計(jì)算模型及條分見圖2.典型剖面剩余推力520 k N/m.
4.3 治理方案確定
根據(jù)滑坡的結(jié)構(gòu)特征及坡面分析,本切坡是多向塊體多次滑移與深層滑移作用.選擇分坡面系統(tǒng)治理,本高切坡治理采用預(yù)應(yīng)力錨索及地梁相結(jié)合的措施.
4.3.1 預(yù)應(yīng)力錨索總錨固力確定 對(duì)于邊坡錨固,在邊坡穩(wěn)定性分析基礎(chǔ)上,錨索預(yù)應(yīng)力(抗滑力)的計(jì)算,應(yīng)根據(jù)滑坡的下滑力確定錨固力[7-9],預(yù)應(yīng)力錨索承擔(dān)每延米520 k N的剩余推力.
式(6)中,α是錨索與滑動(dòng)面相交處滑動(dòng)面傾角,β是錨固角,φ是滑面摩擦角,F(xiàn)是滑坡推力設(shè)計(jì)值(k N),Pt是設(shè)計(jì)總錨固力(k N);α=41°,β=20°,φ=22°,F(xiàn)=520 k N/m,計(jì)算得設(shè)計(jì)總錨固力Pt=620.4 k N/m.如果預(yù)應(yīng)力錨索間距為3 m× 3 m,縱向布置4個(gè)錨孔,則單根錨孔的錨固力Pt=620.4×3/4=465.3 k N,為了提高安全儲(chǔ)備,設(shè)計(jì)錨固力取1 000 k N.
4.3.2 鋼絞線根數(shù)
每孔錨索鋼絞線的根數(shù)n:
其中,F(xiàn)sl為安全系數(shù),取1.7~2.0,高腐蝕地層取大值;Pu為錨固鋼材極限張拉荷載.峽口高切坡Fsl取1.9,Pu取220 kPa,計(jì)算得需要鋼絞線5.64根.預(yù)應(yīng)力錨索間距為3 m×3 m,縱向布置4個(gè)錨孔,則每孔需要鋼絞線5.64×3/4=4.23股,故取5股進(jìn)行設(shè)計(jì).
4.3.3 錨索錨固段長度計(jì)算 錨索錨固長度的計(jì)算需考慮錨索與砂漿的結(jié)合破壞、砂漿與孔壁的結(jié)合破壞、巖體的剪切破壞以及錨索的拉伸破壞等諸多形式:
Ⅰ.按水泥砂漿與錨索鋼材粘結(jié)強(qiáng)度確定錨固段長度:
為了確保安全,實(shí)施的可行性,錨桿錨固段長度式(8)~(10)進(jìn)行計(jì)算,且取其中大值.按式(8)~(10)中各符號(hào)意義如下:
Fs2為錨固體拉拔安全系數(shù),永久性錨固Fs2≥2.5,臨時(shí)性錨固Fs2≥1.5;lsa,la為錨固段長度(m);D為錨固體直徑(mm);ds為張拉鋼材外表直徑(mm);d為單根錨桿鋼筋直徑(mm);n為鋼筋(鋼絞線)根數(shù)(根);τu為錨索張拉后與水泥砂漿的極限粘結(jié)應(yīng)力;按砂漿標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度fck的10%取值(k Pa);τ為錨孔壁對(duì)砂漿的極限剪應(yīng)力(k Pa).
錨索相關(guān)參數(shù)取值為:Fs2取2.5,τu取值為1 400 k Pa,取值為800 k Pa,d=15.2 mm,n=5,D=110 mm,帶入式(8)~(10)計(jì)算并取較大值得lsa=7.8 m,設(shè)計(jì)錨固段長度取10 m[10].
巖質(zhì)邊坡中錨固段長度應(yīng)不小于3 m,峽口高切坡計(jì)算的錨固段長度確定是合理的.
4.3.4 錨孔孔徑及砂漿強(qiáng)度 鉆孔孔徑取為110 mm;砂漿強(qiáng)度取M30[11].
4.3.5 錨索總長度
其中,Le為錨固段長度(m),L0為自由段長度(非錨固段,m),L1為張拉段長度(m),經(jīng)計(jì)算Le為10.0 m,張拉段L1取1.2 m,錨索自由段長度L0由錨索與滑動(dòng)面和邊坡坡面的交點(diǎn)間距離而定,同時(shí)應(yīng)考慮錨固段的起點(diǎn)應(yīng)下離滑動(dòng)面(或潛在滑面)一定距離,一般超出滑動(dòng)面(或潛在滑面)不小于1 m,依據(jù)1-1′剖面布置錨索區(qū)潛在滑面深度,自由面長度在4~5 m,從而確定錨索的長度為20 m.
4.4 地梁內(nèi)力計(jì)算
以單向條形基礎(chǔ),彈性地基,對(duì)單向條形基礎(chǔ)可采用winkler地基上梁法進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算.
鋼筋地梁與錨索復(fù)合結(jié)構(gòu)是一種兼顧深層加固與淺層護(hù)坡的治理措施.地梁錨固是一種較新型可靠的邊坡加固技術(shù),不需動(dòng)用大型機(jī)械設(shè)備,可使坡體盡早穩(wěn)固.地梁首先起表層護(hù)坡作用,在地梁上加錨索,錨索錨于滑動(dòng)面以下穩(wěn)定地層中,預(yù)應(yīng)力錨索主動(dòng)抗滑.具體的工程措施布置詳見圖4~圖7.
鋼筋混凝土地梁是索集中荷載通過基礎(chǔ)梁共同作用傳遞到地基上.計(jì)算了每個(gè)結(jié)點(diǎn)荷載后,地梁可以看作一個(gè)獨(dú)立的單向條形基礎(chǔ),然后可以計(jì)算單向條形基礎(chǔ)受力后對(duì)荷載的傳遞作用.
圖4 錨索地梁結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure chart of the prestressed anchor rope foundation beam
圖5 工程地質(zhì)1-1與2-2剖面錨索結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure chart of the prestressed anchor rope for 1-1 and 2-2 engineering geological section
圖6 工程地質(zhì)3-3剖面錨索結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure chart of the prestressed anchor rope for 3-3 engineering geological section
圖7 錨索布置立面圖Fig.7 Vertical view for distriction of the prestressed anchor ropes
梁中砼采用C25,縱筋為II級(jí)螺紋筋,箍筋為I級(jí)鋼筋.其中有關(guān)參數(shù)取值為:E=3.0e7k Pa,k= 3e5k Pa,按winkler地基上梁法根據(jù)錨索荷載對(duì)地梁進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算和配筋[12].
最大剪力:Vmax=461.4 k N;錨索作用點(diǎn)處截面最大彎矩Mmax=338.42 k N·m,跨中最大負(fù)彎矩|Mmin|=21.12 k N·m.
峽口碼頭高切坡變形破壞的模式是,多次多向的塊體滑移,可能發(fā)育為深層滑移.治理措施選擇錨索地梁方案,綜合考慮了切坡的工程地質(zhì)特點(diǎn)和環(huán)境特點(diǎn).
[1] 郭志明.高陡邊坡加固技術(shù)及其應(yīng)用研究——以聶家溝大橋高切坡為例[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào),2009,31(5):37-40.
[2] 長江水利委員會(huì)綜合勘探局.水利樞紐庫區(qū)興山縣遷建城鎮(zhèn)新址地質(zhì)論證報(bào)告[R].武漢:長江水利委員會(huì)綜合勘探局,1997.
[3] 郭志明.人工土質(zhì)邊坡加固技術(shù)及其應(yīng)用研究——以三峽庫區(qū)湖北省巴東縣孔堡二組人工土質(zhì)邊坡為例[J].北京:硅谷,2009(4):85-86.
[4] 郭志明.巖質(zhì)順向人工邊坡穩(wěn)定性分析和治理方案分析[J].才智,2009(2),89-93.
[5] 陳祖煜.土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性——原理方法程序[M].北京:中國水利水電出版社,2003.
[6] 潘別同.工程巖體強(qiáng)度估算方法[J].地球科學(xué),1985,1(1):29-32.
[7] 林韻梅.實(shí)驗(yàn)巖體力學(xué)——模擬研究[M].北京:煤炭工業(yè)出版社.1983.
[8] 中華人民共和國建設(shè)部.GB50330-2002建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國建筑出版社,2004.
[9] Shpiro A.statistical analysis of jointed rock data[J].int J Rock Mech min sci and Geomech abstract,1991,28:375-383.
[10] 中華人民共和國建設(shè)部.GB50010-2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2010.
[11] 吳培明.混凝土結(jié)構(gòu)(上)[M].武漢:武漢工業(yè)大學(xué)出版社,2001.
[12] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范GB50086-2001[S].北京:中國冶金工業(yè)出版社,1986.
Research on control and treatment of hingly artificial bedding rock slope failure
GUO Zhi-ming
(School of Environmental and City Engineering,Wuhan Institute of Technology,Wuhan 430074,China)
On the basis of evaluation of geological engineering,the stability of the cutting slope was quantitatively evaluated using geological mathematics mechanics method.According to the characteristic of the slope,the stability of the deep structural plane is calculated by means of transmission coefficient:Considering the dead-weight of the rock mass as the basic load and the assembled operation of deadweight,hydrostatic pressure(exudation-pressure),seismic force as combined load.The mode of slope failure comsists of massive slippage in multiway on many occasions and bedding slip of deep surface.Considering the danger of local and whole failure,and the function of the rainstorm and efflorescence,the control and treatment of artificial rock slope should take prestressed anchor-rope and ground beam measure.
anchoring;artificial high rock slope;rock mass;bedding slope;stability coefficient
龔曉寧
TU432
A
10.3969/j.issn.1674-2869.2011.10.010
16742869(2011)10004207
20110817
郭志明(1965),男,湖北武穴人,博士研究生.研究方向:地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)與經(jīng)濟(jì)管理理論教學(xué)與研究.