劉蘭英

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

1 概況

某新建鐵路大橋位于山坡中下部，沿坡而行，為10-32 m簡(jiǎn)支梁橋，橋址中心里程DK63+670.45，橋全長(zhǎng)336.5 m。其中0～5號(hào)墩均依山勢(shì)而設(shè)，施工便道和平臺(tái)的修建改變了原來穩(wěn)定的山坡，使邊坡破碎的巖體裸露，在自然營(yíng)力和人工活動(dòng)的影響下，局部坍滑或崩塌落石在所難免，從而對(duì)橋梁安全造成一定的威脅。根據(jù)物質(zhì)組成，分析邊坡穩(wěn)定程度和破壞類型，繼而提出防護(hù)措施。

2 橋址邊坡的地層結(jié)構(gòu)

總的來講，橋址邊坡地層組成較簡(jiǎn)單。施工前，原始山坡局部表層分布1～5 m厚的新黃土和5～10 m厚的松散碎石土，施工后均被剝離。目前邊坡主要分布太古界(Ar)淺粒巖，灰白色、淺灰色，變晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖質(zhì)堅(jiān)硬，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，上部風(fēng)化嚴(yán)重，全風(fēng)化-強(qiáng)風(fēng)化，風(fēng)化帶厚度變化很大，一般為15～25 m，下部為弱風(fēng)化。全風(fēng)化淺粒巖，灰白色，可見深灰色條帶，分布不均勻，風(fēng)化巖塊大小不一，以角礫和砂礫狀為主，常見塊狀和土狀物夾含其中。風(fēng)化裂隙十分發(fā)育，面多粗糙，多充填砂狀和泥狀物。強(qiáng)風(fēng)化淺粒巖，灰白色夾深灰色，分布不均勻，以塊狀?yuàn)A角礫砂狀為主，偶見含土，風(fēng)化裂隙發(fā)育，張開但多不充填，裂隙面粗糙。弱風(fēng)化淺粒巖，灰白色，巖質(zhì)堅(jiān)硬，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較完整。邊坡巖體中未見地下水。

圖1為1～5號(hào)墩邊坡橫斷面地質(zhì)圖，可見淺粒巖風(fēng)化帶厚度墩與墩之間變化較大，且風(fēng)化帶的組成也不盡相同。其中2號(hào)和3號(hào)墩斷面，風(fēng)化帶基本都是全風(fēng)化巖體，其他墩斷面全風(fēng)化帶較薄，主要為強(qiáng)風(fēng)化層。圖中地表上面的虛線為原來地面線，各墩刷方量不盡相同，3～5號(hào)墩斷面刷方量較大，1和2號(hào)墩斷面刷方量較小，說明了前者對(duì)原始邊坡破壞不大，而后者對(duì)邊坡穩(wěn)定影響較大。分別討論各墩附近邊坡穩(wěn)定性及對(duì)墩的影響程度。

圖1 1～5號(hào)墩地質(zhì)橫斷面

3 邊坡穩(wěn)定分析

3.1 物理力學(xué)參數(shù)的確定

巖體物理力學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確與否直接決定了邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果的可信程度，這些參數(shù)主要為巖體的容重(γ)和抗剪強(qiáng)度(黏聚力C和內(nèi)摩擦角φ)。巖體的抗剪強(qiáng)度受控于巖性、膠結(jié)或結(jié)晶情況和巖體結(jié)構(gòu)?？辜魪?qiáng)度基本上為巖石的固有特性，主要與巖石的物質(zhì)組成(基質(zhì)或礦物成分、膠結(jié)物、顆粒大小等)有關(guān)，如何合理取值一直是工程界的難題。常用的取值方法有3類[1]:(1)根據(jù)試驗(yàn)，如三軸、中剪和大型現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn);(2)按規(guī)范或估算法選取，規(guī)范如國(guó)標(biāo)、鐵路和水力規(guī)范等;(3)根據(jù)坡體極限平衡狀態(tài)反演或反算而得。巖體抗剪強(qiáng)度主要考慮兩方面的因素，一是巖體的風(fēng)化狀態(tài)，對(duì)于弱風(fēng)化巖體應(yīng)考慮巖體結(jié)構(gòu)的修正，對(duì)風(fēng)化巖體則應(yīng)同時(shí)考慮風(fēng)化巖體的折減和巖體結(jié)構(gòu)的修正;二是巖體的結(jié)構(gòu)類型[2]。因此以《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50328—94)附錄C提供的物理力學(xué)參數(shù)值為依據(jù)，結(jié)合巖體的風(fēng)化破碎程度和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況而定。

由圖1，最有可能失穩(wěn)或滑動(dòng)的巖體應(yīng)該是地層上部的風(fēng)化帶，即全風(fēng)化帶和強(qiáng)風(fēng)化帶。上已描述，全風(fēng)化帶巖體是以角礫狀巖塊夾砂礫組成，巖體十分破碎，巖體基本質(zhì)量級(jí)別應(yīng)是Ⅴ級(jí)，可按Ⅴ級(jí)取物理力學(xué)指標(biāo)，因其中夾雜有砂礫，所以還應(yīng)考慮砂礫土的影響，適當(dāng)降低取值;同樣，強(qiáng)風(fēng)化帶以碎石土夾角礫砂狀為主，巖體破碎，巖體基本質(zhì)量級(jí)別為Ⅳ級(jí)，可按Ⅳ級(jí)取物理力學(xué)指標(biāo)，因其中雜夾角礫砂礫等，所以還應(yīng)考慮角礫砂礫的影響，適當(dāng)降低取值。此外，自然界的巖體并不是嚴(yán)格意義上的各向同性和均值介質(zhì)，受很多不確定因素影響，物理力學(xué)指標(biāo)不可能是一個(gè)或幾個(gè)固定值，應(yīng)是在一定范圍內(nèi)，為表示這種變化，常采取標(biāo)準(zhǔn)差或最大最小值表示，同時(shí)也為了分析破壞概率用。綜合以上因素，最終得到表1各巖體重力密度、內(nèi)摩擦角和黏聚力的平均值(μ)、標(biāo)準(zhǔn)方差(σ)、最小值(min)和最大值(max)。

表1 各巖體物理力學(xué)指標(biāo)

3.2 邊坡破壞形式

基于上述邊坡巖體類型和現(xiàn)有地貌特點(diǎn)，邊坡有可能發(fā)生滑坡、落石、水石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象。其中水石流主要發(fā)生于全風(fēng)化這種表層巖體很破碎且已松動(dòng)的地層中，也即2號(hào)墩和3號(hào)墩邊坡附近，但由于當(dāng)?shù)匚挥诟珊档貐^(qū)，降雨量小，發(fā)生強(qiáng)降雨頻率很小，且該邊坡是單面坡，沒有大的匯水面積，雨天以片流為主，不具備形成大規(guī)模的水石流的外部條件。此外，水石流多沿坡面形成和流動(dòng)，在坡度變緩處，其動(dòng)能迅速降小，沖擊力不足以影響到橋墩的安全，所以本文對(duì)水石流不再進(jìn)行專門的定量分析，但水石流在流動(dòng)工程中，不排除個(gè)別巖塊發(fā)生滾落跳躍的可能，這種現(xiàn)象一并放在下邊的落石一節(jié)進(jìn)行分析。

除水石流外，該橋址邊坡最可能發(fā)生的破壞形式應(yīng)是滑坡和落石?；掳l(fā)生的最大可能是在全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化巖體中。因全風(fēng)化帶和強(qiáng)風(fēng)化帶，巖體破碎，巖體呈碎塊狀和砂礫狀，風(fēng)化結(jié)構(gòu)面眾多，無規(guī)律，沒有主導(dǎo)的結(jié)構(gòu)面，所以可以將其假設(shè)為各向同性體，因而其滑動(dòng)面可以認(rèn)為是圓弧，可以按條分法進(jìn)行分析。落石主要發(fā)生于坡面，受自然營(yíng)力作用，坡面上松動(dòng)巖塊受重力影響順坡面滾落或跳躍沖向橋墩。其破壞的結(jié)果取決于滾落巖塊的質(zhì)量、體積和速度。鑒于該邊坡巖體的特殊性，以下主要對(duì)邊坡滑坡和落石進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

3.2.1 滑坡

滑坡是自然界常見的一種地質(zhì)現(xiàn)象，它的產(chǎn)生與地形地貌、地層巖性及其物理力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)，也即必須具有必要的內(nèi)在條件，在一定的外部因素誘導(dǎo)下發(fā)生滑動(dòng)。滑坡的分析方法眾多，最常用有bishop、janbu法，本文采用bishop條分法，假設(shè)滑面為圓弧，按式(1)分別對(duì)5個(gè)墩橫斷面進(jìn)行滑坡的穩(wěn)定性檢算，計(jì)算結(jié)果列于表2。

式中F——安全系數(shù);

li——分塊滑面長(zhǎng)度，li≈bi/cosαi;

bi——巖土條分塊寬度;

αi——為分塊滑面相對(duì)于水平面的夾角;

ci——滑體分塊滑動(dòng)面上的黏聚力;

φi——滑面巖土的內(nèi)摩擦角;

n——分塊數(shù);

表2 各斷面邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

表2顯示，2號(hào)墩安全系數(shù)最小，而且它的破壞概率也只有35.8%，相對(duì)比較低;5號(hào)墩安全系數(shù)最大。如果設(shè)安全系數(shù)小于1.5或1.2為最不利情況，則只有2號(hào)墩和3號(hào)墩附近斷面符合條件，也即只有全風(fēng)化巖體邊坡才最有可能發(fā)生滑動(dòng)，但也僅有局部滑動(dòng)。圖2顯示了2號(hào)墩和3號(hào)墩邊坡最有可能發(fā)生滑動(dòng)情況(圖中陰影部分為可能滑體)，如2號(hào)墩斷面，可能發(fā)生滑動(dòng)的只是坡度變陡處的表層滑動(dòng)，而非全部全風(fēng)化層，滑體體積有限，對(duì)橋墩有一定的沖擊。3號(hào)橋墩斷面可能發(fā)生的位置也是在邊坡比較陡的地方?？梢娫摌蜃钣锌赡馨l(fā)生滑坡的邊坡應(yīng)是由全風(fēng)化巖體組成的邊坡。其他斷面發(fā)生滑動(dòng)的可能性極小，也即強(qiáng)風(fēng)化巖體既不可能發(fā)生局部滑動(dòng)，更不可能發(fā)生整體滑動(dòng)，對(duì)滑坡來講是相對(duì)穩(wěn)定邊坡。

圖2 2號(hào)墩(上)和3號(hào)墩(下)橫斷面可能滑面

實(shí)際上，上述計(jì)算結(jié)果是畢肖普條分法的計(jì)算結(jié)果，如果按janbu法計(jì)算，其安全系數(shù)均比表2結(jié)果要小，其中2號(hào)墩邊坡安全系數(shù)小于1。由此可見，不論是何種計(jì)算方法，都不是絕對(duì)的合理，因此取安全系數(shù)為1.2或1.5作為最不利的情況有助于避免由于計(jì)算方法的差異造成的最不利情況?？傊?，根據(jù)bishop和janbu法計(jì)算結(jié)果綜合分析，2號(hào)墩和3號(hào)墩邊坡，也即全風(fēng)化巖質(zhì)邊坡是最有可能發(fā)生局部滑塌的。而其他由強(qiáng)風(fēng)化組成的巖質(zhì)邊坡發(fā)生滑塌的可能性極小，即使局部滑坡可能性也不大。

3.3.2 落石

1～5號(hào)墩邊坡上部均分布風(fēng)化帶物質(zhì)，巖體破碎，因人為刷坡，部分表層巖塊松動(dòng)，長(zhǎng)期裸露時(shí)，在自然營(yíng)力和人為振動(dòng)影響下，易發(fā)生坡面剝落，巖塊在重力作用下向下滾落，沖擊橋墩。但因各個(gè)斷面表層物質(zhì)不盡相同，所以形成的落石規(guī)模、速度和滾動(dòng)軌跡也各不相同。以下利用ROCFALL軟件分別對(duì)各個(gè)斷面落石進(jìn)行分析。5個(gè)斷面表層主要有2種巖體，一是全風(fēng)化巖層，分布于2、3號(hào)墩邊坡;二是強(qiáng)風(fēng)化巖層，分布于其他邊坡。按ROCFALL軟件要求，首先要確定2種巖體的坡面法向恢復(fù)系數(shù)RN、切向恢復(fù)系數(shù)RT、坡面粗糙系數(shù)和坡面摩擦角均值及其標(biāo)準(zhǔn)差，具體見表3。因邊坡均為人工機(jī)械刷成，可以認(rèn)為是比較平順的，所以坡面粗糙系均設(shè)為0。考慮到自然界沒有固定的法向和切向恢復(fù)系數(shù)、坡面摩擦角，計(jì)算時(shí)均給出了一定的標(biāo)準(zhǔn)差表示它們的波動(dòng)范圍。

表3 巖體坡面參數(shù)值

表4是各個(gè)斷面滾落巖塊起始水平速度(VH)、垂直速度(VH)、巖塊質(zhì)量(M)和起始轉(zhuǎn)動(dòng)角速度(ω)的采用值，同樣是考慮了巖塊質(zhì)量和角速度的不同變化。

根據(jù)表3和表4數(shù)值分別計(jì)算了1～5號(hào)墩邊坡崩落巖塊的滾動(dòng)軌跡，結(jié)果表明不同斷面均有不同巖塊可能崩落至橋墩附近。但不同斷面崩落的規(guī)模、密度和動(dòng)能都不盡相同。表5是各墩位前5 m朝坡下以遠(yuǎn)距離內(nèi)滾落巖塊所占的比例P、沿途彈起最高h(yuǎn)max、墩位前5 m范圍內(nèi)巖塊的最大運(yùn)動(dòng)速度Vmax以及巖塊最大動(dòng)能Emax。因2～4號(hào)墩邊坡落石軌跡不明顯，所以圖3只標(biāo)出了1號(hào)墩和5號(hào)墩邊坡崩塌落石的運(yùn)動(dòng)軌跡圖。從軌跡模擬結(jié)果看，1號(hào)墩邊坡墩位上部有一人工開挖平臺(tái)，盡管上部落石滾落速度較大，反彈也很明顯，但絕大多數(shù)巖塊都停止于該平臺(tái)上，只有極少數(shù)巖塊滾出平臺(tái)沿下部邊坡向墩位沖去，但已都是強(qiáng)弩之末，對(duì)橋墩鮮有影響。2、3號(hào)墩邊坡較緩，巖塊多沿坡面滾動(dòng)，但因是全風(fēng)化巖塊，故巖塊體積普遍較小，滾動(dòng)距離不長(zhǎng)，只有部分巖塊滾落于墩位附近，反彈高度和能量都不大，對(duì)橋墩影響有限。4號(hào)墩大部分巖塊沖向橋墩，只是速度明顯減緩，反彈高度很低，對(duì)橋墩有一定影響。5號(hào)墩邊坡坡度較陡，墩位基本就在落石區(qū)，速度高，能量大，受影響最大。

表5 各斷面滾落巖塊結(jié)果

圖3 1號(hào)墩和5號(hào)墩落石軌跡

前面所述只是針對(duì)坡面松動(dòng)造成的巖塊滾落。如果安全系數(shù)按1.2考慮，則2號(hào)和3號(hào)墩上部邊坡都有局部滑動(dòng)的可能，尤其是2號(hào)墩邊坡。因其是高位滑動(dòng)，滑落的巖塊密集，規(guī)模大，初始速度也較大，這時(shí)可以考慮從滑落處有高速運(yùn)動(dòng)的巖塊飛出，對(duì)橋墩的影響就大不一樣?；瑒?dòng)后，設(shè)滑體滑出滑床時(shí)的水平速度VH=10 m/s;垂直速度VV=0 m/s;巖塊質(zhì)量M=10 kg;轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω=3 rad/s。圖4為2、3號(hào)墩局部滑坡后，其滑體巖塊滾落軌跡圖，顯然在相同條件下，3號(hào)墩受到的巖塊威脅要大于2號(hào)墩，巖塊的回彈高度也明顯大于2號(hào)墩，說明雖然2號(hào)墩邊坡局部滑動(dòng)的可能性比3號(hào)墩邊坡要大，如果一旦滑動(dòng)，3號(hào)墩受到的沖擊要比2號(hào)墩大得多。

圖4 2、3號(hào)墩局部滑動(dòng)形成的落石軌跡

4 防護(hù)措施

由上所述，5個(gè)墩受影響的程度不盡相同，可分別采取不同的防護(hù)措施。1號(hào)墩可在C點(diǎn)處設(shè)一般擋石墻或防護(hù)網(wǎng)，高度不低于6 m。2～3號(hào)墩情況基本類似，如果對(duì)上邊的滑坡設(shè)置抗滑措施，則橋墩可設(shè)護(hù)墩以防其他落石襲擊，護(hù)墩高度不低于1 m，最好設(shè)成仿錘形，尖頭朝上部邊坡;否則需設(shè)重型護(hù)墩，主要防上部滑坡滑動(dòng)造成的大量巖塊襲擊。4、5號(hào)墩設(shè)護(hù)墩即可，高度分別不低于1 m和3 m。防護(hù)的強(qiáng)度應(yīng)考慮墩位附近巖塊最大速度和最大能量。

5 結(jié)論

通過以上論述，可以得出如下結(jié)論。

(1)2號(hào)墩邊坡發(fā)生局部滑塌的可能性最大，3號(hào)墩次之，對(duì)橋墩安全影響較大;其余邊坡可能性甚小，對(duì)橋墩安全影響較小。

(2)1、2號(hào)墩邊坡落石對(duì)橋影響最小;5號(hào)墩影響最大;3、4號(hào)墩影響居中。

(3)結(jié)合滑塌和落石，2、3號(hào)墩防護(hù)應(yīng)最重;1號(hào)墩最輕;4、5號(hào)墩居中。

[1]向波，周立榮，馬建林.基于巖體結(jié)構(gòu)面分級(jí)的抗剪強(qiáng)度確定法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27(S2):3547-3552.

[2]蔡耀軍，徐福興.大壩建基巖體抗剪強(qiáng)度取值[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21(7):1040-1044.