陳芳平 彭小勇 蘇曉亮
(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司 貴陽 550081)
工程中對于巖層傾向與邊坡剖面夾角小于30°的挖方邊坡定義為順層巖質(zhì)邊坡[1]。對于地形橫坡較陡、巖性層面結(jié)合差、層間抗剪強度低的順層高邊坡,因其臨空后下滑力大,工程中難以支擋防護,防護處置工程造價高,滑移后滑坡規(guī)模大,社會影響大等特點,在工程中應(yīng)盡量避免。對于無法避免的順層邊坡,工程處置時應(yīng)有充分的計算資料支撐,確保防護方案安全可靠,且防護工程經(jīng)濟、合理。計算中邊坡的巖土參數(shù)對邊坡的計算分析至關(guān)重要,方案的合理性與參數(shù)的選取密切相關(guān),工程中確定層間參數(shù)的措施有現(xiàn)場原位試驗、室內(nèi)試驗及工程經(jīng)驗參數(shù)等。李安洪等[2]對順層巖質(zhì)邊坡工程進行了系統(tǒng)性的闡述,確定了坡體破壞模式、坡體失穩(wěn)范圍與開挖高度及巖層傾角的關(guān)系、潛在滑移面的確定方法及抗剪強度參數(shù)的確定等。
對于受條件限制無法獲取巖土抗剪強度、順層邊坡已經(jīng)滑移失穩(wěn)的邊坡,反算法能為邊坡穩(wěn)定性分析提供相對較準(zhǔn)確的抗剪強度,對順層滑坡的快速處治提供可靠的計算依據(jù)。
本文結(jié)合工程實例,通過對順層滑坡的反算分析,計算出巖層軟弱層面的抗剪強度,為滑坡的治理提供計算依據(jù),同時結(jié)合計算分析對類似順層巖質(zhì)邊坡的防護處置提供參考。
順層邊坡滑移-拉裂破壞模型為平面滑動破壞,采用極限平衡法模型計算,模型見圖1。
圖1 極限平衡法計算模型
計算時t體取1 m寬,其穩(wěn)定系數(shù)計算方法[3]見式(1)。
(1)
式中:K為滑坡穩(wěn)定性系數(shù);c為滑動面上巖土體的黏結(jié)強度標(biāo)準(zhǔn)值,kPa;φ為滑動面上巖土體的內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值,(°);l為滑動面長度,m;β為滑體的傾角,(°);G為單位寬度巖土體自重,kN;R為滑動面上的抗滑力,kN;S為滑動面上的下滑力,kN。
路塹邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)根據(jù)公路等級、邊坡地質(zhì)條件復(fù)雜或破壞后危害程度嚴(yán)重性等因素按表1確定[4]。
表1 路塹邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)
對于已經(jīng)產(chǎn)生的滑坡,相關(guān)資料建議其安全系數(shù)為:蠕變滑動階段,K=1.0~1.05,滑移破壞階段,K=0.9~1.0[5]。同時結(jié)構(gòu)面抗剪強度指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值可根據(jù)類似工程經(jīng)驗確定見表2。
表2 結(jié)構(gòu)面抗剪強度指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值
表2中相關(guān)經(jīng)驗參數(shù)已經(jīng)考慮了結(jié)構(gòu)面的時間效應(yīng),計算時可結(jié)合邊坡巖性及巖層層面、結(jié)構(gòu)面膠結(jié)程度等因素參照表中的推薦值采用。對于含泥化層的軟弱結(jié)構(gòu)面可取內(nèi)摩擦角<12°,黏聚力<20 kPa。
根據(jù)式(1)可知,當(dāng)滑坡根據(jù)反演法計算結(jié)構(gòu)面抗剪強度時,確定安全系數(shù)后求解結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c時為二元一次方程,c與tanφ為線性關(guān)系,即提高黏聚力c時內(nèi)摩擦角φ相應(yīng)減小,反之降低c值則內(nèi)摩擦角增大。
以某高速公路服務(wù)區(qū)AK0+280-AK0+560段順層邊坡為例,通過滑坡反演計算,確定結(jié)構(gòu)面抗剪強度及驗算原有防護方案的合理性,制定滑坡段處置方案。原邊坡防護為第一級邊坡抗滑樁支擋,第二級邊坡采用1∶0.5放坡,AK0+330-AK0+410段坡面采用錨索框架;AK0+410-AK0+500段錨桿框架加固防護,防護設(shè)計立面圖見圖2。
圖2 邊坡防護設(shè)計立面圖(AK0+360-AK0+500)
本次滑坡發(fā)生在AK0+440-AK0+500段抗滑樁以上第二級邊坡,原設(shè)計為錨桿框架防護。AK0+410-AK0+440錨桿框架防護段及原有錨索框架防護設(shè)計段均未出現(xiàn)滑移破壞裂縫。邊坡滑移破壞見圖3。
圖3 邊坡滑移破壞現(xiàn)場照片(AK0+440-AK0+500)
覆殘坡積層(Qel+dl)粉質(zhì)黏土,場區(qū)山體覆蓋層厚0~3 m,下伏基巖為三迭系中統(tǒng)松子坎組(T2s)薄至中厚層灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r,層間間夾泥膜見圖4,泥膜間距0.3~2 m不等,強風(fēng)化層厚3~8 m,強風(fēng)化層節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體較破碎。
圖4 層間典型泥膜夾層
該區(qū)域巖層產(chǎn)狀為235°∠15°~17°,右側(cè)邊坡剖面角為209°~229°,為順層邊坡開挖。劉宏力等[6]研究表明,當(dāng)存在泥質(zhì)巖、黏土巖及泥化層面時,滑動面傾角在5°~12°順層邊坡僅在重力作用下即滑移失穩(wěn)。
根據(jù)實驗確定巖土參數(shù)見表3。
表3 邊坡巖土體設(shè)計參數(shù)
取滑移面最長斷面AK0+470計算,臨空面8.8 m,滑移裂縫距坡頂23.80 m,滑移面長l=29.38 m。取滑面傾角β=16°,G=4 485.2 kN,則Gsinβ=1 236.3 kN,Gcosβ=4 311.5 kN,滑坡體大部分滯留在坡面,代入式(1)后結(jié)果見式(2)。
(2)
當(dāng)取K=0.96時,經(jīng)計算得tanφ=0.275-6.819×10-3c。φ=8°時,c值為19.7 kPa;當(dāng)φ=11°時,c值為11.8 kPa。計算結(jié)果見表4。
表4 滑坡結(jié)構(gòu)面(泥化夾層)計算成果表
當(dāng)取φ=7°時,c=22.32 kPa>20 kPa;或φ=12°。2種情況均屬于表2推薦結(jié)合很差極小值范圍,大于泥化層結(jié)構(gòu)面參數(shù),不予考慮。
根據(jù)文獻[2],不設(shè)支擋防護條件下邊坡臨空高度與滑移范圍的切層厚度比為4~6.5倍,設(shè)置支擋條件下的切層厚度之比為3~5倍。結(jié)構(gòu)面暴雨工況下巖土參數(shù)結(jié)合邊坡其他斷面計算分析綜合考慮取值為φ=9°,c=17.1 kPa。
本邊坡暴雨工況下取潛在滑移面長度為坡面臨空高度的5倍計算,對邊坡第二級坡面為錨索框架防護未垮塌段進行計算分析,典型防護設(shè)計橫斷見圖5。
圖5 AK0+360錨索框架防護設(shè)計橫斷面(尺寸單位:cm)
該防護設(shè)計段以AK0+360斷面為計算依據(jù),計算參數(shù)見表5。
表5 AK0+360橫斷面計算參數(shù)
每束錨索設(shè)計預(yù)張力為750 kN,提供坡面抗滑力為
坡面錨索每4 m設(shè)置1排,每排2束,則坡面安全系數(shù)為
原錨索框架防護設(shè)計段安全系數(shù)為1.14>1.1,滿足規(guī)范設(shè)計要求。
對邊坡第二級坡面為錨桿框架防護未垮塌段進行計算分析,防護設(shè)計橫斷面,見圖6。
原設(shè)計錨桿長為9 m,矩形布置,間距為3 m,錨桿設(shè)計錨固力為90 kN,提供坡面抗滑力為
圖6 AK0+420錨桿框架防護設(shè)計橫斷面(尺寸單位:cm)
該防護設(shè)計段以AK0+420斷面為計算依據(jù),計算參數(shù)見表6。
表6 AK0+420橫斷面計算參數(shù)
考慮邊坡錨桿有效錨固長度,邊坡只考慮2排錨桿起有效作用,則安全系數(shù)為
暴雨工況下原錨桿框架防護設(shè)計段處于極限平衡穩(wěn)定狀態(tài),其安全系數(shù)K=1.04<1.10。采用錨桿框架中增設(shè)獨立錨索設(shè)計,每6 m設(shè)置3根,梅花形布置,立面布置圖見圖7。
圖7 未垮塌部分錨桿框架增設(shè)獨立錨索防護設(shè)計
增設(shè)獨立錨索后AK0+410-AK0+440段安全系數(shù)計算如下。
K=(7 146.1 cos 16°tan 9°+17.1×
53.05+77×2÷3+676×3÷6)×
(7 146.1 sin 16°)-1=1.21
暴雨工況下原錨桿框架防護設(shè)計段增設(shè)獨立錨索后,其安全系數(shù)K=1.21>1.1,滿足規(guī)范要求。
對于已滑移部分AK0+440-AK0+500段,其原有防護措施已經(jīng)失效,潛在滑移坡面影響范圍切層厚度比為4~6.5,本設(shè)計采用6倍考慮,以AK0+449.188斷面計算分析,防護設(shè)計見圖8。
圖8 垮塌部分剩余下滑力計算斷面示意圖(AK0+449.188)(尺寸單位:cm)
考慮部分滑坡體滯留在滑面上,清方施工風(fēng)險大,設(shè)計采用先支擋防護坡面臨空體,后處置滑面滑坡體。采用4排抗滑鍵支擋防護,每根抗滑鍵為3根HRB500級直徑25 mm的抗剪鋼筋支擋。
鋼筋設(shè)計拉應(yīng)力[σ]=200 MPa,抗剪屈服強度[τ]=0.45[σ]=90 MPa,彈性模量E=200 GPa,3根直徑25 mm鋼筋抗剪面積A=15 cm2。F=A[τ]=135 kN,4排抗滑鍵提供抗滑力F抗=4F=540 kN。
邊坡安全系數(shù)K=1.21>1.1,滿足規(guī)范要求。
因結(jié)構(gòu)面抗剪強度為綜合經(jīng)驗選取值,結(jié)合表4結(jié)果分析計算AK0+449.188斷面剩余下滑力結(jié)果見表7。
表7 AK0+449.188橫斷面剩余下滑力計算
1) 順層邊坡泥膜夾層抗剪強度較低,定性為結(jié)合極差結(jié)構(gòu)面,工程期間應(yīng)注意軟弱夾層的勘察,因下滑力大,工程防護難度大,設(shè)計中應(yīng)避免此類順層高邊坡產(chǎn)生。
2) 已產(chǎn)生的順層滑坡,通過反算結(jié)構(gòu)面的抗剪強度能為邊坡的防護設(shè)計及滑坡的處置提供較合理的巖土參數(shù),在工程處置中較貼合實際。
3) 反算中因安全系數(shù)的選取對結(jié)構(gòu)面的抗剪強度影響較大,K值一定時,黏聚力c值與內(nèi)摩擦角φ值的正切值呈線性相關(guān),且c值與φ值對抗滑力影響因子的影響存在差異。
4) 同一K值推導(dǎo)出的c值與φ值計算的剩余下滑力差距不大,但坡面剩余下滑力隨選取的結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角φ值的增大而略有增加趨勢。