陳坤

摘 要：通過分析軟硬交互地層的研究現(xiàn)狀，并結(jié)合某邊坡工程實(shí)例，采用理正巖土進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，對(duì)比了自然與暴雨?duì)顟B(tài)下軟硬交互地層的穩(wěn)定性，提出了防護(hù)建議，以期對(duì)后續(xù)類似工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

關(guān)鍵詞：軟硬交互地層；穩(wěn)定性計(jì)算；邊坡工程

中圖分類號(hào)：U418.52? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-6903（2024）05-0004-03

1 軟硬交互地層的工程特性

軟硬交互地層主要發(fā)育于沉積巖和變質(zhì)巖中，由韻律狀沉積的泥巖、砂巖、煤層堅(jiān)硬程度差異明顯的兩類或兩類以上巖組構(gòu)成，且多呈互層狀分布。根據(jù)定義，對(duì)于同一土層中相間呈韻律沉積，當(dāng)薄層與厚層的厚度比大于1/3時(shí)，宜定為互層；當(dāng)厚度比為1/10～1/3時(shí)，宜定為“夾層”，當(dāng)厚度比小于1/10的巖土層，且多次出現(xiàn)時(shí)，宜定為“夾薄層”；軟硬互層地層通常會(huì)出現(xiàn)3種結(jié)構(gòu)：硬巖為主夾軟巖結(jié)構(gòu)、軟巖為主夾硬巖結(jié)構(gòu)、軟硬互層結(jié)構(gòu)[1]。

不同的結(jié)構(gòu)代表著不同的巖層力學(xué)性質(zhì)，因而在開挖時(shí)會(huì)有不同的變形破壞模式，其中軟硬互層結(jié)構(gòu)的變形破壞模式介于前兩者之間。軟硬互層巖體不同巖層的力學(xué)性質(zhì)不同，在受拉時(shí)產(chǎn)生裂隙的時(shí)間、程度以及沿著臨空面發(fā)生的移動(dòng)量也有所差異。軟硬互層地層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，巖層的層厚、強(qiáng)度、傾角以及施工工況等都將影響邊坡的力學(xué)性能及破壞特征，這對(duì)軟硬交互地層邊坡的穩(wěn)定性及治理技術(shù)提出了較高要求，需要考慮多種影響因素進(jìn)行系統(tǒng)分析。

馬福榮[2]對(duì)南寧盆地軟硬水平互層泥巖的物理力學(xué)性質(zhì)、強(qiáng)度特性進(jìn)行了研究，討論了互層泥巖強(qiáng)度變化規(guī)律與物理力學(xué)特性的影響因素。馬福榮[3]基于單軸抗壓試驗(yàn)和三軸剪切試驗(yàn)，研究了軟硬互層泥質(zhì)巖試樣的破壞特征，提出了與均質(zhì)巖石不同的三種破壞模式：脆性-擴(kuò)容破壞、擴(kuò)容-刺入破壞及塑性擴(kuò)容破壞。

軟硬互層巖質(zhì)邊坡的開挖過程實(shí)質(zhì)就是卸荷過程，由于軟巖互層的特殊存在，不同的開挖過程對(duì)應(yīng)著不同的卸荷過程，也決定著邊坡的破壞特征。

孟欣采用數(shù)值試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法，研究了軟硬互層巖體在三軸壓縮及卸荷下的破壞過程，分析了開挖前后邊坡的應(yīng)力應(yīng)變、位移、塑性區(qū)等變化情況，計(jì)算了軟硬互層巖質(zhì)邊坡實(shí)際工程在不同工況下的開挖穩(wěn)定性。邊坡的應(yīng)變主要發(fā)生在軟巖層內(nèi)且多集中于開挖擾動(dòng)區(qū)域[4]。邊坡的主要位 移為坡腳的水平位移及坡頂?shù)呢Q向沉降。塑性區(qū)及應(yīng)變均呈現(xiàn)由離新開挖面最近的軟巖層坡腳沿一定的弧面向坡頂擴(kuò)展的分布規(guī)律。

2邊坡穩(wěn)定性計(jì)算的方法

極限平衡法是工程實(shí)踐中工程師們常用的一種定量分析方法。首先假設(shè)邊坡存在潛在滑裂面，然后取破壞面上土體為脫離體，并進(jìn)行分條和力系簡(jiǎn)化處理，求出脫離體達(dá)到靜力平衡時(shí)土體所需的抗力與破壞面實(shí)際提供的土體抗力值，從而最終求得相應(yīng)的安全系數(shù)。

隨著計(jì)算理論和精度的不斷提高和工程實(shí)踐的應(yīng)用，極限平衡法也得到了一些應(yīng)用。鄭穎人[5]在極限平衡解析法的基礎(chǔ)上導(dǎo)出了單階和多階斜坡的穩(wěn)定安全系數(shù)，提出了各種條分法的統(tǒng)一迭代式公式。張均鋒[6]針對(duì)邊坡穩(wěn)定分析中的二維Janbu條分法局限性，對(duì)三維簡(jiǎn)化的Janbu法進(jìn)行了擴(kuò)展，提出了各條塊底滑面的幾何特性與受力分析給出其獨(dú)立的安全系數(shù)以及各條塊潛在的滑動(dòng)方向的推斷。2005年張均鋒[7]基于二維法提出了一種滿足所有條塊力與力矩平衡的三維極限平衡方法，該法可以解決存在地下水和分層地質(zhì)條件的土坡穩(wěn)定問題。在工程實(shí)際的計(jì)算中，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，往往基于極限平衡法，作出如下假設(shè)：土體為剛塑性材料，設(shè)滑動(dòng)面上的每個(gè)點(diǎn)都是同一個(gè)安全系數(shù)，不考慮土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。這樣算出來的結(jié)論與實(shí)際的偏差性有限，也可以用于指導(dǎo)實(shí)際施工。

“理正巖土”是北京理正軟件公司出品的邊坡穩(wěn)定分析系統(tǒng)軟件，是針對(duì)鐵路、公路路基設(shè)計(jì)而開發(fā)的專業(yè)設(shè)計(jì)軟件，目前其計(jì)算方法和精度已經(jīng)得到行業(yè)內(nèi)的認(rèn)可。該軟件選用的計(jì)算方法有瑞典條分法、簡(jiǎn)化Bishop法、JanBu法3種，可通過自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑動(dòng)面形狀來計(jì)算剩余下滑力。

3 邊坡概況

某軟硬交互地層邊坡段長(zhǎng)約320 m，位于剝蝕丘陵地貌區(qū)，山體自然坡體坡度約10～25°，山頂呈渾圓狀，坡底為沖溝，地表高程在92.30～159.50 m，相對(duì)高差約68 m。山體表層植被發(fā)育，自然斜坡整體穩(wěn)定性較好。因工程建設(shè)需要開挖邊坡，坡底標(biāo)高為123.0 m，最大開挖處邊坡高約31.83 m。根據(jù)勘察，邊坡坡體的地層主要為強(qiáng)風(fēng)化泥巖、強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖交互出現(xiàn)，下部為褐灰色夾褐黃色強(qiáng)風(fēng)化泥巖，表層含有少量的硬塑狀粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化泥巖層。區(qū)域內(nèi)巖層產(chǎn)狀為250°∠16°。各土層的巖土參數(shù)見表1。

4 邊坡穩(wěn)定性分析

4.1 開挖工況

當(dāng)該邊坡開挖后，最大開挖高度約31.83 m，將會(huì)形成高邊坡，邊坡坡體主要由粉質(zhì)黏土、全-強(qiáng)風(fēng)化泥巖、強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖組成，屬土質(zhì)邊坡。在此選取典型橫斷面，采用利用理正巖土計(jì)算系列軟件6.5版簡(jiǎn)化Janbu法，對(duì)開挖后的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算分析。圓弧穩(wěn)定分析采用自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑裂面。當(dāng)土條重切向分力與滑動(dòng)方向反向時(shí)按當(dāng)下滑力對(duì)待，條分法的土條寬度、搜索時(shí)的圓心步長(zhǎng)及搜索時(shí)的半徑步長(zhǎng)均設(shè)置為2 m。在邊坡開挖后，邊坡高約32.0 m，邊坡坡向?yàn)?66°，坡角約35°。在自然狀態(tài)下，采用天然狀態(tài)參數(shù)按20°進(jìn)行預(yù)放坡，經(jīng)驗(yàn)算后為邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定為0.861，未治理前邊坡穩(wěn)定性計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1。當(dāng)處于暴雨工況下時(shí)，經(jīng)驗(yàn)算后邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定系數(shù)為0.673。

當(dāng)參照《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2015）規(guī)定及地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，考慮右側(cè)邊坡擬分四級(jí)開挖，自下而上坡率分別為1：1.5、1：1.5、1：1.75、1：2，坡高每隔10 m設(shè)置一道邊坡平臺(tái)，平臺(tái)寬不小于2.0 m。經(jīng)計(jì)算，邊坡在自然狀態(tài)下處于穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定系數(shù)為1.767，在飽和狀態(tài)下在自然狀態(tài)下處于穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定系數(shù)為1.431。 放坡后邊坡穩(wěn)定性計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖2。

按擬定坡率開挖后，在正常工況下坡體安全系數(shù)K=1.767＞1.20，滿足路基設(shè)計(jì)規(guī)范要求，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；非正常工況Ⅰ下坡體安全系數(shù)K=1.431＞1.10，滿足規(guī)范要求，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。但由于邊坡地層主要為粉質(zhì)黏土、全～強(qiáng)風(fēng)化泥巖，均為土狀、土柱狀，其最可能破壞形式為在圓弧滑動(dòng)破壞。

4.2 穩(wěn)定性對(duì)比分析

通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，按80°開挖遇見暴雨工況時(shí)，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)降幅為21.8%。采用分級(jí)放坡開挖遇見暴雨工況時(shí)，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)降幅為20.1%。這主要是由于降雨時(shí)雨水大量滲入土體，增加土體自重，大量雨水入滲到表層風(fēng)化巖體，雨水沿巖石風(fēng)化裂隙流通，進(jìn)一步破壞表層巖體的破碎度，并降低其穩(wěn)定性。

4.3 邊坡防護(hù)建議

綜上定性和定量分析所述，在正常工況下及非正常工況Ⅰ下，左右邊坡安全系數(shù)均能滿足規(guī)范要求。但構(gòu)成邊坡地層的粉質(zhì)黏土、全-強(qiáng)風(fēng)化泥巖巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，構(gòu)成坡體的大部分巖體結(jié)構(gòu)已破壞，多呈土狀，抗風(fēng)化和抗沖刷能力均較差，強(qiáng)降雨時(shí)，邊坡易產(chǎn)生掉塊、坍塌、崩塌等變形破壞，水對(duì)穩(wěn)定性的影響較大。

建議左、右兩側(cè)邊坡作必要的防護(hù)工程，盡量利用地形條件適當(dāng)放緩，在左側(cè)邊坡設(shè)置擋墻或其他支護(hù)結(jié)構(gòu)，在右側(cè)邊坡設(shè)置錨桿格構(gòu)梁等支護(hù)措施，并對(duì)邊坡進(jìn)行噴播綠化防護(hù)。邊坡開挖應(yīng)盡量避開雨季施工，施工過程中應(yīng)嚴(yán)格采用逆作法，并做到“逐級(jí)開挖，逐級(jí)防護(hù)”的要求，要求邊坡開挖后盡快完成坡面封閉，坡頂和平臺(tái)位置處應(yīng)設(shè)置截水溝和平臺(tái)排水溝。

5 結(jié)束語

通過采用理正巖土對(duì)某軟硬互層邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析計(jì)算，考慮一定放坡的條件下，邊坡可處于穩(wěn)定狀態(tài)下。在特大暴雨或持續(xù)降雨條件下，隨著降雨入滲、地下水位抬升，巖土體達(dá)到飽和狀態(tài)，穩(wěn)定系數(shù)顯著降低，說明降雨是該類邊坡失穩(wěn)的誘發(fā)因素，因此在設(shè)計(jì)和施工過程中，應(yīng)特別注意截水和排水設(shè)施的配置。

軟硬交互地層大多數(shù)以泥質(zhì)巖為主，且形成時(shí)間較短，甚至半固結(jié)成巖。其性質(zhì)上接近于土，巖土層試驗(yàn)參數(shù)低，且往往具有膨脹性。軟硬交互地層的軟硬層交界面上的界面力學(xué)與傳力機(jī)制，是影響邊坡穩(wěn)定的重要因素，需作進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

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