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        某山區(qū)公路巖質(zhì)岸坡變形破壞模式及自穩(wěn)性分析

        2015-08-05 06:06:32李文強(qiáng)孫雅潔李宏濤
        黑龍江交通科技 2015年7期
        關(guān)鍵詞:臨空卸荷節(jié)理

        李文強(qiáng),孫雅潔,李宏濤

        (山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院)

        該山區(qū)公路位于湖北省境內(nèi),北起巴東縣南接鶴峰縣,是一條重要二級(jí)公路,也是恩施州東北部地區(qū)重要的經(jīng)濟(jì)聯(lián)絡(luò)線。研究區(qū)邊坡屬于該二級(jí)公路沿線15 個(gè)重大地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)之一。該段邊坡緊鄰公路,邊坡高陡,發(fā)育多組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面,巖體表層較為破碎,嚴(yán)重威脅到公路和行車安全,為防止邊坡地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生,需對(duì)該邊坡巖體物理參數(shù)及結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行深入細(xì)致的分析,判定其可能的變形破壞模式,據(jù)此對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行科學(xué)的評(píng)價(jià),以確定邊坡主要病害,并提出針對(duì)性的防護(hù)措施建議。因此,研究工程區(qū)邊坡的變形破壞模式和穩(wěn)定性具有重要的工程意義。

        1 工程地質(zhì)背景

        1.1 地形地貌

        工程區(qū)屬于侵蝕構(gòu)造低中山區(qū),NNE 向延伸的褶皺線形山體,山頂最高海拔約1 051 m,與其下部河流相對(duì)高差約288 m。該段公路走向283°~314°,坡向13°~44°,邊坡最大坡高約50 m,平均坡高45 m。公路距下部河面高差約60~70 m,該段河谷走向160°~180°,與區(qū)域構(gòu)造線方向近垂直,河流不斷侵蝕下切形成深“V”型峽谷地貌,邊坡陡峻。

        1.2 地層巖性

        該段地層巖性為三疊系下統(tǒng)嘉陵江組三段(T1j3),赤褐、灰褐色薄層~極薄層灰?guī)r,頂部發(fā)育灰白色中厚層微晶白云巖。邊坡表層巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,風(fēng)化破碎,其中尤以極薄層灰?guī)r遭受風(fēng)化作用更強(qiáng)烈,表部往往形成灰白、灰黃色鈣質(zhì)結(jié)核和灰黑色鐵錳質(zhì)薄膜。

        1.3 地質(zhì)構(gòu)造

        邊坡位于鶴峰向斜核部,巖體受擠壓作用較為明顯,在褶皺彎滑作用下,巖體層間錯(cuò)動(dòng)形成的旋轉(zhuǎn)剪節(jié)理和環(huán)狀剪節(jié)理,局部沿貫通的節(jié)理面錯(cuò)動(dòng)形成伴生小斷層,在極薄層灰?guī)r中,巖體具有一定的韌性,發(fā)生層間差異性滑動(dòng)易形成從屬小褶皺。

        據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,工程區(qū)邊坡共發(fā)育四組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面,結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀如下:層面:130°~145° <45°~60°,節(jié)理j1:55°~60°<80°~84°,節(jié)理j2:202°~230° <55°~70°,節(jié)理j3:295°~300° <35°~40°,卸荷裂隙隨機(jī)發(fā)育,主要沿原生節(jié)理j3 擴(kuò)展,其中節(jié)理j1、j3為共軛剪節(jié)理。

        2 邊坡基本特征

        2.1 邊坡結(jié)構(gòu)特征

        該段邊坡走向283°~314°,坡向13°~44°,巖層產(chǎn)狀整體上為130°~142° <45°~60°,主要為橫~切向坡。根據(jù)巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)判斷簡(jiǎn)表(表1)可初步判斷該段邊坡整體穩(wěn)定性為較好,不易產(chǎn)生邊坡整體性失穩(wěn)破壞,但由于受多組結(jié)構(gòu)面切割,邊坡局部巖體穩(wěn)定性較差。見(jiàn)表1。

        表1 巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)判斷簡(jiǎn)表

        2.2 邊坡變形破壞特征

        通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,該段邊坡主要存在兩種變形破壞特征,分別如下:

        (1)危石、巖塊墜落、滑落

        該段邊坡高陡,墜落(碎落)為巖體表層松動(dòng)卸荷帶和危石(群)主要的破壞方式。其特征均為下部臨空,受不利結(jié)構(gòu)面組合切割,沿卸荷裂隙或中傾坡外節(jié)理,剪斷鎖固段,從而失穩(wěn)破壞。

        巖體表層松動(dòng)卸荷帶,為該段邊坡的主要病害類型之一,松動(dòng)卸荷帶的巖體受陡傾坡外的節(jié)理j1和中傾坡外的節(jié)理j3或中陡傾坡外的卸荷裂隙的密集切割,呈層狀碎裂結(jié)構(gòu),為地下水提供了流通和賦存的空間,加速了表體巖體礦物的風(fēng)化和結(jié)構(gòu)面的擴(kuò)展、貫通,局部巖體極易沿貫通的結(jié)構(gòu)面失穩(wěn)破壞。而表層被切割形成的片狀塊體(圖4),極易發(fā)生碎落破壞。表層巖塊失穩(wěn)崩落后,使內(nèi)部巖體暴露,往往又加速其風(fēng)化過(guò)程,這是該段松動(dòng)卸荷帶的特征之一。

        (2)彎曲—拉裂變形破壞

        由于坡腳修路開(kāi)挖,邊坡表部應(yīng)力重分布,在邊坡淺表層發(fā)生卸荷回彈變形。特別是沿中傾坡外節(jié)理產(chǎn)生的差異卸荷回彈變形比較明顯,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面的剪切應(yīng)力集中,剪應(yīng)變?cè)龃?。同時(shí),卸荷變形使得淺表部巖體沿陡傾坡外的節(jié)理產(chǎn)生拉張破裂,且由于前緣修路開(kāi)挖坡率較高,巖體下部臨空,板梁彎曲形成彎曲-拉裂變形。隨著彎曲變形的進(jìn)一步發(fā)展,緩傾坡外的結(jié)構(gòu)面向深部擴(kuò)展,并產(chǎn)生新的表生結(jié)構(gòu)面,為地下水入滲提供了良好的通道,使得結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度進(jìn)一步降低。在自重應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下,巖體彎曲—拉裂變形加強(qiáng),結(jié)構(gòu)面逐漸連通,板梁根部剪斷,進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)榛疲训膹?fù)合變形模式。最終,當(dāng)在暴雨、振動(dòng)荷載等外因誘發(fā)下,鎖固段剪斷,變形體與母巖脫離,沿貫通的結(jié)構(gòu)面進(jìn)而發(fā)生整體滑移式破壞。

        此彎曲—拉裂變形體被結(jié)構(gòu)面切割成規(guī)模不等的塊體,形成危巖體、危石(群),甚至個(gè)別塊體前緣臨空,處于極限平衡狀態(tài),極易失穩(wěn)崩落。

        3 邊坡變形破壞模式分析

        (1)與變形失穩(wěn)機(jī)理相結(jié)合;(2)與防治措施相對(duì)應(yīng)?,F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查主要是查明潛在危巖體的具體位置,幾何特征、結(jié)構(gòu)特征及邊界條件等形態(tài)參數(shù)。因此,最可行的分類方式應(yīng)該是根據(jù)幾何特征、巖體結(jié)構(gòu)特征、臨空條件、邊界結(jié)構(gòu)面特別是后緣主控結(jié)構(gòu)面方位、組合關(guān)系和特性的危巖體結(jié)構(gòu)狀態(tài)分類。在結(jié)構(gòu)狀態(tài)分類體系下,危巖體的類型一旦確定,其可能的變形失穩(wěn)機(jī)理也就基本確定了,進(jìn)而也就可以很方便的為危巖體的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和防治提供可靠的依據(jù)。

        根據(jù)危巖體巖性組合情況及已有的破壞現(xiàn)象,結(jié)合其他不利結(jié)構(gòu)面的組合情況,并考慮到坡面上的巖體松動(dòng)情況和破壞特征,經(jīng)綜合分析,初步判斷該邊坡的變形破壞模式為滑移式和傾倒式。

        滑移式:陡傾坡外巖層在強(qiáng)烈卸荷過(guò)程中,層面被拉開(kāi),產(chǎn)生張拉裂縫,后期的重力及漸進(jìn)性風(fēng)化作用促使裂縫擴(kuò)張,巖體松馳,巖體力學(xué)性質(zhì)降低,成為潛在滑面。當(dāng)滑移面向臨空方向傾角足以使上覆巖體的下滑力超過(guò)該結(jié)構(gòu)面的實(shí)際抗滑力時(shí),后緣拉裂面貫通,迅速滑落。其發(fā)育條件為:①縱向谷,順層坡,前緣有臨空面;②危巖體后緣主控結(jié)構(gòu)面中—緩傾坡外。

        傾倒式:危巖體是指后緣存在陡傾或反傾結(jié)構(gòu)面的板狀巖體,陡傾或反傾結(jié)構(gòu)面有一定的張開(kāi),形成的不穩(wěn)定或欠穩(wěn)定的巖體。

        這種類型危巖體主要出現(xiàn)在臨空面陡峻,甚至呈反坡?tīng)?,巖層呈直立狀,層厚較薄或者陡傾坡內(nèi)、坡外結(jié)構(gòu)面非常發(fā)育的部位。

        伴隨強(qiáng)烈的卸荷作用,后緣陡傾結(jié)構(gòu)面張開(kāi),在自重、水壓力和震動(dòng)荷載等作用下,巖體向臨空方向發(fā)生較強(qiáng)烈的傾倒變形,直至失穩(wěn),完全脫離母巖,造成危巖體災(zāi)害。

        4 邊坡穩(wěn)定性分析

        (1)定性評(píng)價(jià)

        通過(guò)野外調(diào)查,并結(jié)合危巖體的幾何特征、誘因、變形破壞形式等對(duì)危巖進(jìn)行穩(wěn)定性初步分析,詳見(jiàn)表2 所示。其中,WY1,受不利結(jié)構(gòu)面組合切割處于半切割狀,然而后壁與母巖未完全貫通,穩(wěn)定性為較差;而WY2 被結(jié)構(gòu)面半切割的危巖,且下部臨空,板梁根部易拉裂貫通而失穩(wěn)破壞,故穩(wěn)定性為差。見(jiàn)表2。

        (2)定量計(jì)算

        采用靜力學(xué)解析法,建立在塑性極限平衡概念基礎(chǔ)上,以庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行靜定問(wèn)題求解,對(duì)于超靜定問(wèn)題則采用假定法消去多余的未知數(shù)使之轉(zhuǎn)化為靜定問(wèn)題。針對(duì)已有界面,進(jìn)行整體力矩平衡或力的平衡計(jì)算,以其比值作為穩(wěn)定性系數(shù)來(lái)表示其穩(wěn)定性,結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

        表3 危巖體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

        由表2 和表3 可知,定性與定量評(píng)價(jià)的結(jié)果基本一致,綜合判定危巖體WY1 穩(wěn)定性為較差,WY2 為差。建議對(duì)局部表層破碎巖體進(jìn)行清除,并掛主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)。

        5 結(jié) 論

        (1)通過(guò)調(diào)查分析,工程區(qū)地質(zhì)環(huán)境背景有利于地質(zhì)災(zāi)害的孕育和發(fā)育,根據(jù)邊坡結(jié)構(gòu)類型、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等工程地質(zhì)條件,該段邊坡不具備發(fā)生大規(guī)模整體變形破壞的條件,研究區(qū)邊坡主要發(fā)育兩處危巖體,方量不大,其中WY1 變形破壞模式主要為滑移式,WY2 為傾倒式。

        (2)采用工程地質(zhì)分析法和靜力學(xué)解析法綜合進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià),得出WY1 穩(wěn)定性為較差,WY2 為差,嚴(yán)重威脅到道路和行車安全,應(yīng)當(dāng)及時(shí)采取治理措施,建議采用掛主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)+局部清除的治理措施。

        [1]趙建軍,公路邊坡穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)方法及應(yīng)用研究[D].成都:成都理工大學(xué)博士學(xué)位論文,2007.

        [2]李振團(tuán),石豫川,謝道在.湖北省巴鶴公路K169 +000~K169+200 邊坡穩(wěn)定性及病害分析[J].成都大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,31 (4):392-03.

        [3]李良杰,劉旭紅.變質(zhì)板巖高邊坡施工穩(wěn)定性分析[J].公路,2012,56(11):137-05.

        [4]羅陵,劉層林.公路邊坡穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)研究[J].公路,2012,56(11):156-06.

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