黃靜宇，黃新任

(1.湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410004; 2.湖南省交通科學(xué)研究院，湖南 長沙 410015)

0 引言

為滿足現(xiàn)代化及經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需求，不可避免地高速公路網(wǎng)絡(luò)向不良工程地質(zhì)區(qū)域布展。炭質(zhì)泥巖屬于膨脹性軟巖，遇水易崩解、強(qiáng)度低、水理性強(qiáng)、受風(fēng)化影響明顯，炭質(zhì)泥巖的分布給高速公路的建設(shè)及運(yùn)營安全提出了苛刻的要求。炭質(zhì)泥巖主要分布于廣西、湖南及重慶等地區(qū)，并呈顯著的區(qū)域差異性。對(duì)炭質(zhì)泥巖的研究罕見報(bào)道，主要集中于炭質(zhì)泥巖的飽水軟巖力學(xué)性質(zhì)［1］、降水入滲的穩(wěn)定性影響［2，3］、流變性質(zhì)［4］及邊坡穩(wěn)定性、加固處理［5－8］及路堤穩(wěn)定性［9］等方面。炭質(zhì)泥巖屬于極軟巖，同時(shí)因受工程環(huán)境及自然環(huán)境的影響，其力學(xué)性質(zhì)隨時(shí)間均呈非線性變化，使用Mohr－Coulomb 準(zhǔn)則具有一定的局限性。本文基于非線性Hoek－Brown 準(zhǔn)則及地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI 系統(tǒng)獲取炭質(zhì)泥巖的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)與穩(wěn)定性系數(shù)，具有快速辨識(shí)路塹邊坡穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，為其處治方案的擬定提供理論支撐。

1 炭質(zhì)泥巖路塹邊坡工程性質(zhì)

泥巖為沉積巖，主要礦物成分為黏土礦物，屬膨脹性軟巖，其抗壓強(qiáng)度一般小于25 MPa。廣義的炭質(zhì)泥巖為灰?guī)r、砂巖、泥巖等沉積巖中含黑色炭質(zhì)即稱為炭質(zhì)泥巖。炭質(zhì)泥巖具有明顯的地域差異性，但其具有工程性質(zhì)的共性。如易風(fēng)化:炭質(zhì)泥巖在溫度、風(fēng)力及雨水等自然營力下一般易風(fēng)化、易崩解、軟化效應(yīng)明顯。尤其路塹邊坡因其開挖新裸露的炭質(zhì)泥巖受風(fēng)化影響較大，巖性劣化速率加大，邊坡穩(wěn)定性降低。受水影響大:炭質(zhì)泥巖中含有親水性較強(qiáng)的膨脹性巖，吸水迅速膨脹，失水收縮開裂，且在降雨時(shí)容易因黏性物質(zhì)起潤滑作用促進(jìn)巖塊脫離母巖。節(jié)理裂隙發(fā)育:炭質(zhì)泥巖形成年代較久遠(yuǎn)，因地質(zhì)作用混以其他物質(zhì)并呈泥化狀態(tài)，節(jié)理面發(fā)育明顯并在開挖卸荷作用下，致使節(jié)理面張開，坡體破損傷與松動(dòng)。礦物成分復(fù)雜、不易植被生長:炭質(zhì)泥巖中因含大量碳、硫等礦物而呈酸性，且植物所需的氮、鉀、磷等缺乏，在炭質(zhì)泥巖邊坡上鋪筑草皮一般難以成活，生態(tài)護(hù)坡困難。

2 基于GSI的Hoek－Brown準(zhǔn)則

由于巖體性質(zhì)的非連續(xù)性及具有時(shí)空效應(yīng)，因而力學(xué)參數(shù)也隨之具有不均勻性、不確定性與不連續(xù)性，同時(shí)，因條件的制約室內(nèi)試驗(yàn)很難量測(cè)到與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際巖體力學(xué)參數(shù)，表現(xiàn)出顯著的差異性及隨機(jī)性;原位試驗(yàn)因不可能布設(shè)整個(gè)巖體工程范圍從而代表性不足可信度偏低且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。廣義H－B 強(qiáng)度準(zhǔn)則綜合考慮了準(zhǔn)則參數(shù)的多種影響因素，該強(qiáng)度準(zhǔn)則巧妙結(jié)合定性與定量分析，具有簡便及適用等優(yōu)點(diǎn)，在巖體工程設(shè)計(jì)與科研中不斷得到驗(yàn)證及改進(jìn)。

基于GSI的Hoek－Brown 準(zhǔn)則是在Hoek－Brown準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上通過引入GSI 系統(tǒng)后提出的［10］，該準(zhǔn)則克服了M－C 準(zhǔn)則不能解釋低應(yīng)力及各向異性性質(zhì)的不足，并能延用到破碎巖體，其表達(dá)式相對(duì)簡單且較大程度符合工程實(shí)際，因而在巖體工程中得到廣泛應(yīng)用。其表達(dá)式為 σ1=σ3+σci(mb× σ3/σci+s)a，式中:σ1、σ3分別代表巖體屈服時(shí)的最大主應(yīng)力及最小主應(yīng)力;σci為完整巖石的單軸抗壓強(qiáng)度;半經(jīng)驗(yàn)參數(shù)mb，s 與 a 計(jì)算式分別為 mb=mi×exp［(GSI－100)/(28－14D)］、s = exp ［(GSI －100)/(9 －3D)］與a=0.5+［exp(－GSI/15)－exp(－20/3)］/6。其中:D 為擾動(dòng)系數(shù)，表征施工荷載對(duì)巖體的作用影響程度，mi為巖石常數(shù)，由巖石種類確定。

3 路塹邊坡防治技術(shù)

路塹邊坡的穩(wěn)定性同時(shí)受自身材料性質(zhì)、結(jié)構(gòu)及外界環(huán)境等密切相關(guān)，因此其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及處治為一項(xiàng)系統(tǒng)工程。路塹開挖后，巖體原有的受力破壞，在達(dá)到新的平衡時(shí)往往會(huì)發(fā)生坍塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，因此需采取措施確保路塹邊坡的穩(wěn)定性。邊坡的防治措施分為“防護(hù)”與“治理”，在實(shí)際邊坡設(shè)計(jì)時(shí)往往將其融合，秉承“以防為主，防治結(jié)合”的設(shè)計(jì)施工理念。只有當(dāng)防護(hù)措施不能夠完全達(dá)到邊坡穩(wěn)定目的或邊坡有失穩(wěn)跡象或己發(fā)生失穩(wěn)則需進(jìn)行治理。炭質(zhì)泥巖路塹邊坡穩(wěn)定性的防治措施基于炭質(zhì)泥巖的性質(zhì)有如下幾種常用防治技術(shù):

1)防水排水:對(duì)于膨脹性炭質(zhì)泥巖邊坡，水是影響其穩(wěn)定性重要的因素之一，進(jìn)行邊坡的防護(hù)和治理應(yīng)對(duì)水重點(diǎn)治理。防排水的原則是:以防為主、防治結(jié)合;因地制宜，考慮經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等要求;多種方式綜合使用。常用的邊坡防排水方式是設(shè)置排水溝、截水溝、邊溝、滲溝、平孔等，在邊坡工程中往往綜合使用。

2)坡面防護(hù):對(duì)于易風(fēng)化的巖體邊坡，適合在巖坡表面抹面護(hù)坡或噴射混凝土，也可通過客土植草的方法，防止雨水的沖刷及巖體的劣化。

3)邊坡受力:最常用的是開挖放坡，在挖方較大引起經(jīng)濟(jì)、環(huán)境影響時(shí)則選用擋土墻、抗滑樁及錨桿等。

炭質(zhì)泥巖路塹邊坡的滑坡處治應(yīng)根據(jù)炭質(zhì)泥巖的工程性質(zhì)，因地制宜，綜合使用，盡量做到安全、經(jīng)濟(jì)及環(huán)保等各項(xiàng)要求。

4 工程實(shí)例分析

湖南省某高速公路全長140 km，設(shè)計(jì)時(shí)速100 km/h，為完善區(qū)域交通系統(tǒng)，擢升地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著較大的促進(jìn)作用。該高速公路沿線婁底區(qū)域炭質(zhì)泥巖分布較為普遍，炭質(zhì)泥巖風(fēng)化帶中，節(jié)理發(fā)育，含較豐富的裂隙水，在降雨作用下易發(fā)生崩塌、滑坡、泥石流地質(zhì)災(zāi)害。受亞熱帶季風(fēng)氣候的影響，該路段地表風(fēng)化程度較強(qiáng)烈，全風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化巖體破碎，并含有一定滲水性。其中某右邊路塹坡段的情況如下:該段邊坡坡高大約10 m，坡長約40 m，中厚層狀，劈理發(fā)育，經(jīng)地質(zhì)調(diào)查鑒定為炭質(zhì)泥巖路段，分化程度不一，節(jié)理裂隙較發(fā)育，節(jié)理面較粗糙，節(jié)理間距0.2～0.5 m，延展性一般，單條延伸長度約為4.5～6.0 m，發(fā)育密度為 3.5～4.5 條/m，經(jīng)開挖卸荷后開挖面可見拉裂縫。為保障該炭質(zhì)泥巖路塹施工與運(yùn)營期的安全，進(jìn)行穩(wěn)定性分析與加固設(shè)計(jì)。

4.1 路塹邊坡穩(wěn)定性數(shù)值計(jì)算分析

Slide 軟件是具有通用性適用性強(qiáng)、操作簡便的邊坡分析軟件。該軟件內(nèi)含良好界面的前后處理與求解器，且實(shí)現(xiàn)了圓弧、折線滑面、組合畫面等自動(dòng)搜索，并且在保持高精度計(jì)算結(jié)果時(shí)使計(jì)算時(shí)間減少并能直觀形象地表示出安全系數(shù)等值線與可靠性指標(biāo)。本文基于極限平衡分析使用Slide 軟件建模如圖1，從上往下依次為強(qiáng)～全風(fēng)化炭質(zhì)泥巖、弱～微風(fēng)化炭質(zhì)泥巖與未風(fēng)化炭質(zhì)泥巖。

圖1 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算模型

Slide 軟件中具有廣義Hoek－Brown 材料屈服準(zhǔn)則，同時(shí)該軟件中含有各巖體力學(xué)參數(shù)取值標(biāo)準(zhǔn)，炭質(zhì)泥巖的巖體力學(xué)參數(shù)也采用廣義Hoek－Brown 準(zhǔn)則進(jìn)行選取。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)炭質(zhì)泥巖地質(zhì)實(shí)際情況，可選取如下參數(shù):其中全～強(qiáng)風(fēng)化泥巖取GSI =10，mi=6，σci=25 MPa，D =0.4;微～弱風(fēng)化巖泥巖 GSI取15;未風(fēng)化炭質(zhì)泥巖(含碎石、塊石黏土)GSI =25，mi=6，σci=25 MPa，D =0.2(取值方法參見文獻(xiàn)［11］)。邊坡穩(wěn)定性如圖2所示。

圖2 廣義H－B 準(zhǔn)則下的邊坡穩(wěn)定性

根據(jù)圖2:該炭質(zhì)泥巖路塹邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為0.803，這與應(yīng)用強(qiáng)度折減法［12］所得的結(jié)果相近。表明在當(dāng)前狀況下處于不穩(wěn)定狀態(tài)，考慮炭質(zhì)泥巖易風(fēng)化、崩解、蠕變性較大等特性，其邊坡穩(wěn)定性必然會(huì)進(jìn)一步劣化，故需立即采取防治措施，保障高速公路的正常安全運(yùn)營［13］。

4.2 路塹邊坡綜合防治措施

通過以上計(jì)算分析可知該炭質(zhì)泥巖邊坡安全儲(chǔ)備較小，并經(jīng)風(fēng)化、崩解及蠕變作用可能隨著時(shí)間的增長進(jìn)一步劣化，且剩余下滑力較大，故采用預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加固。根據(jù)已有的滑坡處治經(jīng)驗(yàn)［14］，在該工序完成后，再進(jìn)行坡面抹面、排水防水的綜合處治措施。

4.2.1 坡面預(yù)應(yīng)力錨索加固

該邊坡含三層巖性不同的炭質(zhì)泥巖，分別為強(qiáng)風(fēng)化、微風(fēng)化及未風(fēng)化，考慮錨根的承載力以及施工的難易程度，選用800 kN 級(jí)錨索，錨索束體為5 ×7Φ5 鋼絞線。按照0.85 的設(shè)計(jì)折減系數(shù)，需要采用24 根錨索，間距取3～3.5 m，在坡面呈梅花形分布?？紤]超拉荷載，錨固段長度取為4.2～5.4 m，錨索的埋設(shè)深度可設(shè)為4.8～17.5 m，從下往上埋設(shè)深度依次增長。外錨頭以現(xiàn)澆砼進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，底面積為 1.0 × 1.0 m2，頂面積為 0.3 × 0.3 m2，高為0.35 m。經(jīng)預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)后邊坡穩(wěn)定性如圖3所示，穩(wěn)定性系數(shù)為1.427，大于1.3，符合工程邊坡安全要求。

4.2.2 坡面與坡頂防護(hù)

坡面采用C15 素混凝土進(jìn)行噴射防護(hù)，厚度為50 mm，水灰比為0.4，砂率為50%。同時(shí)做好防水排水措施，坡頂采用截水溝、排水溝、邊溝，并于坡頂鋪設(shè)混凝土網(wǎng)格，客土移植草皮，防止雨水沖刷，抑制路塹邊坡炭質(zhì)泥巖的劣化。

圖3 路塹邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)論

炭質(zhì)泥巖是具有遇水易崩解及風(fēng)化的膨脹性軟巖，在開挖卸荷的損傷與裸露風(fēng)化作用下將劣化其工程力學(xué)性質(zhì)，其穩(wěn)定性得不到保障，威脅到高速公路的安全建設(shè)及營運(yùn)。因此，本文以湖南境內(nèi)某高速公路某炭質(zhì)路塹邊坡為工程背景，基于非線性的H－B 準(zhǔn)則及地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI 系統(tǒng)獲取炭質(zhì)泥巖的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)與路塹邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，通過此次研究得出以下結(jié)論:

1)炭質(zhì)泥巖由于其強(qiáng)度低、水理性強(qiáng)、易風(fēng)化等特性，作為路塹邊坡必須進(jìn)行處治，方能保證高速公路的建設(shè)及營運(yùn)安全。

2)基于GSI 的Hoek－Brown 準(zhǔn)則能夠較好地反映炭質(zhì)泥巖等軟巖的非線性性質(zhì)，可彌補(bǔ)Mohr－Coulomb 準(zhǔn)則這一缺陷，同時(shí)GSI 系統(tǒng)的引入，可實(shí)現(xiàn)路塹邊坡開挖及暴露期間巖體力學(xué)參數(shù)的動(dòng)態(tài)辨識(shí)，為邊坡穩(wěn)定性評(píng)估提供便捷。

3)使用 Slide 軟件內(nèi)置的廣義 Hoek－Brown 巖體屈服準(zhǔn)則及GSI 取值系統(tǒng)，獲取開挖后的炭質(zhì)泥巖路塹邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為0.803，經(jīng)預(yù)應(yīng)力錨索加固后，穩(wěn)定性系數(shù)升至1.427，滿足工程邊坡穩(wěn)定性要求，同時(shí)為防止炭質(zhì)泥巖的進(jìn)一步劣化，采用C15素混凝土噴射防護(hù)坡面，并設(shè)置防排水系統(tǒng)。

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