薛彥雨1， 李家欣， 袁 維

(1.中鐵二十四局集團有限公司，上海 200433；2.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

0 引言

近年來，裂隙巖體邊坡的變形破壞機制與穩(wěn)定性的評估已成為巖土工程領(lǐng)域的研究熱點之一。國內(nèi)外許多學(xué)者就此問題開展了相應(yīng)研究，并取得了較為豐富的成果。然而，巖質(zhì)邊坡變形破壞機制與邊坡穩(wěn)定性的研究主要針對層狀巖體或存在明確滑動面的節(jié)理巖體，對于裂隙發(fā)育型巖體邊坡的穩(wěn)定性研究還相對缺乏，制約裂隙發(fā)育型巖體邊坡穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵因素就是裂隙巖體的力學(xué)參數(shù)取值問題。因此，對該類邊坡巖體的邊坡穩(wěn)定性進行分析，并提出針對性的治理措施，具有重要的工程意義。以某高速公路某處具有典型滑坡趨勢的巖質(zhì)邊坡為研究對象，首先通過現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查手段獲取坡高、坡角、巖性、節(jié)理、裂隙等地質(zhì)信息，確定邊坡的典型計算剖面形態(tài)，然后采用Bishop法、Morgenstern-Price法和Spencer法并利用Hoek-Brown經(jīng)驗強度準則反演邊坡巖石的計算參數(shù)，為提出邊坡支護方案奠定基礎(chǔ)。最后，針對提出的設(shè)計方案，考慮3種工況(正常工況、暴雨工況、地震工況)對邊坡防護措施的有效性進行分析，評估邊坡治理后的穩(wěn)定性。

1 Hoek-Brown經(jīng)驗強度準則基本原理

相關(guān)研究表明：巖體的破壞包線并非Mohr-Coulomb強度準則表述的線性關(guān)系，而為拋物線形狀，巖體破壞時的極限強度σ-τ和σ1-σ3往往呈現(xiàn)非線性的破壞特征，即使對完整、堅硬的均質(zhì)巖塊也不例外[1]。而這種非線性破壞強度，是線性的Mohr-Coulomb強度準則所不能表述的。Hoek-Brown準則由E.Hoek在1980年提出并于1992年進行了修正，該準則綜合考慮巖塊強度、結(jié)構(gòu)面強度、巖體結(jié)構(gòu)等多種因素的影響，能夠更好地反映巖體的非線性破壞特征。因此，已被巖土工程的學(xué)者們廣泛應(yīng)用到裂隙巖體的穩(wěn)定性分析中。廣義的Hoek-Brown準則的表達式如下

(1)

式中，mb為經(jīng)驗參數(shù)m的值，m反映巖石的軟硬程度，其取值范圍在0.000 000 1～25之間，對嚴重擾動巖體取0.000 000 1，對完整的堅硬巖體取25；s反映巖體的破碎程度，其取值范圍在0～1之間，對破碎巖體取0.0，對完整巖體取1.0；a為經(jīng)驗參數(shù)，取值范圍在0.5～0.6之間，塊狀巖體取0.5，破碎巖體取0.6；σc表示巖塊的飽和單軸抗壓強度。

2 工程地質(zhì)概況

某路段為一石質(zhì)挖方路段，邊坡高度為 42.2 m，邊坡坡率為 1∶0.4，共5級臺階。邊坡巖層為第四系地層的更新世與全新世沖積、坡積黏性土和礫類土。礫類土主要為中侏羅系后城組厚層礫巖夾雜色凝灰質(zhì)砂巖，磚紅色砂礫巖，多為混積。坡面巖石裂隙橫縱交錯，較為破碎，巖層節(jié)理面結(jié)合很差，巖體破碎嚴重，有大塊碎石裸露，極易形成危石墜落和滑塌，巖層產(chǎn)狀N65-75°E/SW35°。節(jié)理3組，平均間距1.1 m，節(jié)理面結(jié)合很差,巖體體積節(jié)理數(shù)Jv為 9～20。由于坡面巖石受風(fēng)化作用影響，造成坡面巖石松動、滾落現(xiàn)象，局部出現(xiàn)小型滑坡，阻塞道路，嚴重影響道路安全運營。坡面巖體形態(tài)如圖1所示。

圖1 某高速公路巖質(zhì)邊坡

3 邊坡計算參數(shù)反演

圖2 參數(shù)反演模型

目前邊坡抗滑穩(wěn)定計算方法主要有極限平衡法和強度折減法，極限平衡法最為常用，目前較為常用的極限平衡法有：Fellenius法，Bishop 法，Janbu法，Spencer法，Morgenstern-Price法等。對土質(zhì)邊坡和呈碎裂結(jié)構(gòu)、散體結(jié)構(gòu)的巖質(zhì)邊坡可采用瑞典圓弧法、Bishop法、Morgenstern-Price法、不平衡推力傳遞法等[2]。因此，針對京承高速某處結(jié)構(gòu)碎散、風(fēng)化嚴重,具有典型滑坡趨勢的巖質(zhì)邊坡，采用Bishop法、Morgenstern-Price法和Spencer法對邊坡進行參數(shù)反演。

為了評價此處裂隙巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性并確定其潛在的滑塌范圍，根據(jù)該邊坡剖面形態(tài)，利用silde軟件建立邊坡的二維地質(zhì)模型，整個邊坡模型分為一層，坡高為42.2 m，坡率為1∶0.4，分有5級臺階，臺階寬度為2 m，見圖2。利用極限平衡法和Hoek-Brown巖體經(jīng)驗強度準則，通過反復(fù)試算，得到的反演參數(shù)結(jié)果見表1。

表1 參數(shù)反演結(jié)果

反演得到邊坡狀態(tài)安全系數(shù)、潛在臨界滑動面和位移場如圖3和圖4所示。由圖3可知，邊坡現(xiàn)狀的最小安全系數(shù)為1.096，處于臨界滑動狀態(tài)；由圖4可知，邊坡現(xiàn)狀的最大位移值達到7.2 cm。

圖3 反演的邊坡滑動面示意圖

圖4 反演的邊坡位移場

4 防護措施安全性評價

在裂隙巖體邊坡的安全防護方面，錨桿框架防護和主動防護網(wǎng)是2種有效的治理措施，其中錨桿框架防護是近年來在總結(jié)錨桿掛網(wǎng)噴漿防護的經(jīng)驗教訓(xùn)后發(fā)展起來的，它既保留了錨桿對風(fēng)化破碎巖石邊坡主動加固作用，防止巖石邊坡經(jīng)開挖卸荷和爆破松動而產(chǎn)生的局部楔形破壞，又吸收了漿砌片石骨架防護的造型美觀的優(yōu)點[3]，適用于穩(wěn)定性較差土質(zhì)邊坡和坡體中無不良結(jié)構(gòu)面、風(fēng)化破碎的巖石路塹邊坡；主動防護網(wǎng)系統(tǒng)常用于坡面崩塌、危巖、落石、風(fēng)化剝落、溜坍、溜滑或塌落類地質(zhì)災(zāi)害加固防護，其明顯特征是采用系統(tǒng)錨桿固定，并根據(jù)柔性網(wǎng)的不同，分別通過支撐繩和縫合張拉(鋼絲繩網(wǎng)和鐵絲格柵) 或預(yù)應(yīng)力錨桿( TECCO-65 格柵) 來對柔性網(wǎng)部分實現(xiàn)預(yù)張，從而對整個邊坡形成連續(xù)支撐，其預(yù)張拉作業(yè)使系統(tǒng)盡可能緊貼坡面并形成了抑制局部巖土體移動或在發(fā)生局部位移或破壞后將其裹縛(滯留) 原位附近的預(yù)應(yīng)力，從而實現(xiàn)其主動防護(加固) 功能[4]。

該邊坡的設(shè)計方案如下：

1、2級邊坡采用錨桿框架梁支護，3、4、5級邊坡設(shè)置主動防護網(wǎng)，全長粘結(jié)型錨桿桿體材料采用直徑為32 mm的HRB335級鋼筋，錨桿長度12 m，錨桿垂直間距2 m，縱向間距3 m，錨固角度為20°，鉆孔直徑為 90 mm，注漿水泥砂漿強度為 M30；矩形框架梁單元尺寸不宜小于3 m×3 m。主動防護網(wǎng)采用施加主動荷載的方式進行模擬，即在3、4、5級邊坡表面垂直坡面施加1.0 kPa。

通過采用極限平衡法(Bishop法、Spencer法、Morgenstern-Price法)，并結(jié)合Hoek-Brown準則對支護后邊坡進行安全系數(shù)計算，結(jié)果表明，以上支護參數(shù)符合規(guī)范要求。詳細計算過程如下所述：

圖5 治理后正常工況下的位移場

(1)正常工況?！豆仿坊O(shè)計規(guī)范》JTG D30—2015中規(guī)定[5]，正常工況下邊坡的安全系數(shù)值為1.2～1.3。支護后正常工況下以上3種計算方法的安全系數(shù)見表2，位移場分布見圖5。由表2可知，各種計算方法的安全系數(shù)均大于規(guī)范的要求值，同時，由圖5可知，治理后正常工況的最大位移值為0.84 cm，因此，可認為邊坡在正常工況下是符合穩(wěn)定性要求的。

表2 正常工況下安全系數(shù)

圖6 治理后暴雨工況下的位移場

(2)暴雨工況?！豆仿坊O(shè)計規(guī)范》JTG D30—2015中規(guī)定[5]，暴雨工況下，邊坡的安全系數(shù)建議取1.1～1.2。根據(jù)文獻[6]中的方法，當(dāng)模擬暴雨工況時，假定整個邊坡全部被水浸潤(即浸潤線位于邊坡表面)，且?guī)r體強度按照正常工況下的0.8倍進行折減。支護后暴雨工況下各種計算方法得到的安全系數(shù)見表3，位移云圖見圖6。由表3可知，各種計算方法的安全系數(shù)均大于規(guī)范的要求值，同時，由圖6可知，治理后暴雨工況的最大位移值為0.96 cm，因此，可認為邊坡在暴雨工況下是符合穩(wěn)定性要求的。

表3 暴雨工況下安全系數(shù)

圖7 治理后地震工況下的位移場

(3)地震工況。《公路路基設(shè)計規(guī)范》[5]JTG D30—2015中規(guī)定，邊坡在地震工況下的安全系數(shù)建議取1.05～1.1。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB 50011—2010中附錄A的要求[7]，該地區(qū)的地震加速度峰值取0.05g。根據(jù)《公路工程抗震規(guī)范》JTG B02—2013中8.2.6條規(guī)定[8]，采用擬靜力法進行抗震穩(wěn)定性驗算，根據(jù)公式8.2.6-1和公式8.2.6-2可知，該邊坡的水平地震作用系數(shù)為0.034，豎向地震作用系數(shù)為0.0。因此，支護后地震工況下各種計算方法得到的安全系數(shù)見表4，位移云圖見圖7。由表4可知，各種計算方法的安全系數(shù)均大于規(guī)范的要求值，同時，由圖7可知，治理后地震工況的最大位移值為1.08 cm，因此，可認為邊坡在地震工況下是符合穩(wěn)定性要求的。

表4 地震工況下安全系數(shù)

5 結(jié)論

以某高速公路具有典型滑坡趨勢的巖質(zhì)邊坡為研究對象，通過地質(zhì)調(diào)查和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對某處邊坡的穩(wěn)定性進行了分析，對邊坡的計算參數(shù)進行了反演，并對具體支護措施進行了安全性評價，取得的主要結(jié)論如下：

(1)假定臨界狀態(tài)邊坡安全系數(shù)等于1.0，基于臨界狀態(tài)邊坡實際破壞狀態(tài)，通過采用極限平衡法并結(jié)合Hoek-Brown經(jīng)驗強度準則，對邊坡的巖體參數(shù)進行了反演分析，反演得到的破壞形態(tài)與現(xiàn)場實際情況較為吻合，從而認為反演得到的參數(shù)即為邊坡臨界狀態(tài)的力學(xué)參數(shù)，該參數(shù)為評價邊坡穩(wěn)定性和支護結(jié)構(gòu)合理性提供重要參數(shù)依據(jù)。

(2)通過反復(fù)試算，得到該邊坡的整體治理方案為：1、2級邊坡采用錨桿框架梁支護，3、4、5級邊坡設(shè)置主動防護網(wǎng)。采用3種極限平衡法(Bishop法、Spencer法、Morgenstern-Price法)對治理后的邊坡在正常工況、暴雨工況和地震工況下的安全系數(shù)進行了計算，結(jié)果表明，正常工況的安全系數(shù)最大，暴雨工況次之，地震工況的安全系數(shù)最小，3種工況皆滿足相關(guān)規(guī)范對應(yīng)的安全系數(shù)要求，因此，錨桿框架梁+主動防護網(wǎng)可以提高此處邊坡的安全性。