竹城公路层状岩质边坡的稳定性研究
曹 平1，林 杭1，李江腾1，何忠明1，黄杰安1, 2
(1. 中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙，410083；
2. 桂林矿产地质研究院，桂林 541004)
摘 要：
摘 要：为了研究竹城公路层状岩质边坡的稳定性及防治措施，通过现场调查和赤平投影分析边坡潜在变形滑动机理；利用UDEC软件建立层状边坡数值计算模型，分析开挖过程中岩土体的变形情况；根据变形破坏模式提出层状岩质边坡的长短锚杆交替复合支护结构。研究结果表明：浅层滑动和楔形体滑动破坏是该公路边坡的主要破坏模式；开挖完毕后左侧边坡存在稳定性隐患；当边坡开挖到第4步时，将发生滑移破坏；长短锚杆交替复合支护结构充分利用了锚杆和岩土体的受力特性，有效加固了边坡。
关键词：
中图分类号：TU457 文献标识码：A 文章编号：1672-7207(2009)03-0774-07
Stability of stratified rock slope in Zhu-Cheng road
CAO Ping1, Lin Hang1, LI Jiang-teng1, HE Zhong-ming1, HUANG Jie-an1, 2
(1. School of Resources & Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;
2. Guilin Institute of Geology for Mineral Resources, Guiling 541004, China)
Abstract: In order to study the stability of stratified rock slope in Zhu-Cheng road and its reinforcement method, the potential deformation and slipping mechanism of slope were analyzed using insitu-investigation and stereographic projection analysis method. The numerical calculation model for stratified rock slope was founded with UDEC software. The deformation of rock mass was analyzed in the excavation procedure, and the long-short compound bolt reinforcement structure was proposed according to the deformation failure mode of stratified rock slope. The results show that shallow slipping and wedge slipping are the main failure modes for the studied slope. The slope in the left side is in the unstable state after excavation. The slope will slip while excavation goes through the fourth excavation without reinforcement. The long-short compound bolt reinforcement system can make full use of the mechanical characteristic of bolt and rock mass, and then reinforces slope structure.
Key words: stratified rock slope; long-short bolt system; compound structure; stability; reinforcement measurement
层状岩质边坡的破坏与失稳是岩土工程的重大灾害之一，研究其破坏类型、机理、稳定性以及防治措施具有现实意义[1-2]。此类边坡中结构面在很大程度上影响整体的稳定性，其变形特征基本涵盖了各类边坡破坏的地质力学模式[3]，如蠕滑-拉裂模式、滑移-压致拉裂模式、滑移-拉裂模式、滑移-弯曲模式、弯 曲-拉裂(倾倒)模式、流塑-拉裂模式及各种复合模式等。当公路经过层状岩体地质结构层时，因受开挖的影响，往往容易发生路堑边坡滑坡、崩塌、碎落等地质病害，造成巨大经济损失以及人员损失。许多学者通过理论和相似试验探讨了层状岩质边坡可能发生的病害种类及其影响因素、产生原因和形成机理[4-9]，如朱晗迓等[5]采用特殊函数理论进行分析，得出各层岩体溃曲曲线的理论公式，对边坡溃曲破坏的临界坡长和破坏位置进行求解；王芝银等[7]视顺层边坡岩层为岩梁结构，讨论了岩梁变形的前屈曲稳定状态和后屈曲稳定状态的分叉特性，建立了岩层结构发生灾变的判据；陈从新等[8]根据相似理论建立地质力学模型，研究了边坡的变形破坏机制以及改变边坡岩体的岩层倾角对边坡稳定性的影响；卢增木等[9]在工程地质分析的基础上，根据相似理论建立了地质力学模型，研究了逆倾层状边坡岩体的变形破坏机制。近年来，随着计算机技术的不断发展，采用数值模拟方法分析边坡稳定性成为新的趋势[10-13]，范文等[14-16]将层状边坡视为连续介质，采用有限元法或拉格朗日元法对其进行分析。在此，本文作者将层状岩质边坡视为非连续介质，以湖南邵阳地区的竹城公路为例，对K81~K83段层状岩质边坡的变形破坏机制进行现场调查分析， 并运用UDEC软件[17]进行开挖支护的数值模拟，提出治理措施。
1 工程概况
竹城公路地处云贵高原余脉武陵山脉，岩体层状特征明显；研究范围内的边坡岩土综合状况从上到下分别如下：种植土，呈灰黄~褐黄色，硬塑~软塑状，饱和~稍湿，以黏性土为主，含强风化碎石，含有机质及15%泥灰岩角砾、砾石，层厚为0.2~1.0 m；低液限粉土，呈黄~褐黄色，硬塑~坚硬状，稍湿~湿，含少量泥灰岩角砾(约10%)，局部含块石，底部见灰岩，层厚为0~2.4 m；泥灰岩，呈黄色~深灰色，强风化，泥质结构，中厚~薄层状，岩体完整~极破碎，岩芯多呈碎块状，局部呈坚硬土状，岩体整体性差，层理明显，顺层裂隙及1~2组反倾向节理发育，沿节理为全风化层，呈坚硬状，厚度为3~15 cm，节理间距为0.5~ 1.5 m，全风化与强风化厚度比为1?10，地层产状为275?~307?∠40?~60?，节理产状为110?~260?∠44?~70?，地表土层沿岩、土界面约滑动2 m，该处土界面与层面一致，土石类别为软石~次坚石，土石等级为Ⅳ~Ⅴ，层厚为2.6~20.5 m；高液限粉土，呈黄~灰黄，软塑~坚硬，稍湿~饱和，含少量泥灰岩碎石及角砾，局部含砂质，主要分布于农田及低洼地段，层厚为0~5.0 m。土石类别为普通土，土石等级为Ⅲ级，层厚为0.8~ 2.4 m；对强风化泥灰岩，呈灰黄色，泥质结构，薄~中厚层状，层厚为6.0~9.4 m；弱风化泥灰岩，呈青灰~深灰色，泥质结构，薄~中厚层状，顺层裂隙及陡倾角裂隙发育，岩芯多呈柱状，少量呈块状，层厚大于10.0 m；微风化泥灰岩，呈深灰色，泥质结构，薄~中厚层状，裂隙稍发育，被方解石充填，岩芯多呈柱状，局部岩芯呈块状，岩体完整，层厚最大达20.5 m。
结构面对边坡稳定性影响明显，在开挖过程中结构面产状如图1所示。采用赤平极射投影方法对边坡进行分析，结果表明[16]，从几何稳定性上，右侧逆层坡是稳定的，不稳定区域主要发生在左侧顺层坡，因此，需对顺层坡的力学稳定性进行进一步分析。
(a) 左侧顺层坡；(b) 右侧逆层坡
图1 开挖过程中揭露的结构面产状
Fig.1 Attitude of structure plane during excavation
2 边坡开挖的数值模拟
按照实体单元建立竹城公路层状岩质边坡离散元模型，如图2所示，边坡高为45 m，包含3组结构面，其中2组为层理面，1组为节理面；结构面产状倾向为145?，倾角分别为45?和30?；第3组为水平节理面，随机分布。整个边坡模型由717个块体(block)组成，划分成154 280个可变形单元(Zone)。模型的边界条件为：两侧边界约束水平位移，下侧边界约束竖向位移，模型的上部条件为自由边界；荷载条件为自重应力场；通过室内试验得到相应参数，并利用工程处理方法得到计算参数[16]。为保证计算结果能够真实反映现场实际情况，首先计算边坡在自重应力下的平衡，再将位移以及速率清零，确保计算模型在计算之前处于地应力的初始状态；由于地下水和地震对边坡稳定性的影响没有具体数据可参考，故通过对岩体参数进行弱化来模拟弱面[16]。
图2 边坡离散元模型图
Fig.2 Discrete model of slope
2.1 未支护情况下的数值计算
在未支护的情况下，边坡开挖成台阶形式，台阶高度至上而下，分别为5，10，10，12和8 m，开挖剖面如图3所示。
图3 开挖剖面示意图
Fig.3 Sectional plane of excavation
图4所示为开挖过程中左侧边坡坡顶监测点水平位移曲线。可以看出，在开挖初期(图4(a))，边坡水平位移发生突变，达到7.50 mm；随着开挖的进行，水平位移逐渐下降，这是由于台阶开挖使边坡表面岩土体蓄存的弹性应变能被释放，产生较大的回弹效应，从而出现位移突变现象。但随着时间的推移，岩土体受到重力作用，弹性回弹现象逐渐消失，位移趋于一定值4.16 mm，此时，边坡处于稳定状态；在第2步开挖初期(图4(b))，监测点水平位移先是急剧增大至50.00 mm。这是由于开挖量较大，造成应力释放较大。随着开挖的进行，又发生急剧下降，水平位移回弹量逐渐减小，监测点位移最终趋于一定值17.00 mm；在第3步开挖过程中(图4(c))，监测点的水平位移随着开挖的进行逐渐增大，水平位移曲线存在回弹和跌落现象，但对比前2步，此步开挖引起的回弹效应减小很多，说明边坡上部受到开挖扰动的影响越来越小，符合圣维南原理，最终监测点水平位移趋于一定值 27.02 mm，边坡不发生滑动破坏；在第4步开挖后(图4(d))，监测点水平位移从0开始不断增大，边坡浅层部位出现明显塑性区(图5(a))，此时，左侧边坡监测点位移发生突变，浅层岩体弱面发生剪切破坏。在第4步开挖完成后，第1~4台阶处的浅层块体由于岩体弱面被破坏，发生滑坡，深层的块体属于潜在滑移面，由于坡脚抗阻力的作用，没有发生滑移；整体开挖完毕后，在与前几步开挖相同的计算时间内，边坡的滑移面由浅层向深层转移，且滑体体积不断增大(图5(b))；监测点水平位移仍不断增大，边坡继续滑动，位移无法收敛。
(a) 第1步开挖；(b) 第2步开挖；(c) 第3步开挖；(d) 第4步开挖
图4 监测点水平位移趋势
Fig.4 Horizontal displacement of monitoring point
(a) 第4步；(b) 开挖完毕
图5 塑性区分布
Fig.5 Distribution of plastic zone
2.2 支护情况下数值计算结果分析
在边坡实际开挖过程中，采用长短锚杆交替复合支护结构[16](见图6)以及边开挖边支护的施工步骤，其中长短锚杆长度分别为6 m和2 m，间距为2 m，锚杆倾角为20?。图7所示为支护情况下边坡水平位移云图。可以看出，左右侧边坡均存在卸载回弹变形，边坡内部不同区域如左侧坡顶、第1步边坡左右两侧开挖平台、边坡右侧最终坡脚都存在不同程度的回弹效应，其中，左侧边坡形成1个长半轴为35 m，短半轴为10 m左右的椭圆状大位移区。右侧边坡仅在开挖坡角处出现向左上的局部位移区。左侧边坡的最大水平位移为3.75 mm，右侧边坡的最大水平位移为 1.25 mm。在第2步开挖时，水平位移发生较大变化，其原因是开挖量相对于第1步来说变化较大；左侧边坡形成5层不同半径的弧形水平位移区，最大水平位移为16.00 mm，位于第1步和第2步的开挖坡面，右侧边坡仅在开挖坡角处出现极小的水平位移，且范围较小，最大水平位移为4 mm左右；在第3步开挖时，左侧边坡的水平位移影响区域基本不变，而且左侧边坡水平位移由于锚杆的加固作用，最大水平位移区逐渐减小，左侧边坡的最大水平位移为26 mm，右侧边坡的最大水平位移为8 mm。在第4步开挖后，由于锚杆的加固作用，左侧边坡的最大水平位移已经固定在一定的范围内，但由于开挖范围加大，开挖扰动造成大位移区域增大，并且数值也不断增大，但增幅较小，仅为0.6 mm，说明锚杆起到了抑制边坡水平位移的作用；对于第5步开挖，由于开挖范围相对较小，对边坡的扰动也较小，水平位移得到有效抑制，边坡处于稳定状态，左侧边坡的最大水平位移为3 cm，与第4步开挖的最大水平位移相同，说明此步开挖对水平位移影响不大。
采用6 m和2 m锚杆交错布置，间距为2 m×2 m，倾角为20?
图6 左侧边坡锚杆布置图
Fig.6 Bolt location in the left side of slope
单位：m
开挖步：(a) 第1步；(b) 第2步；(c) 第3步；(d) 第4步；(e) 第5步
图7 边坡水平位移云图
Fig.7 Horizontal displacement contour of slope
图8所示为开挖过程中竖直位移云图。由于边坡左右两侧之间存在临空面，左右边坡的竖直位移云图没有贯通，两侧边坡都出现圆弧状梯度位移，左侧边坡的最大竖直位移为1.7 cm，右侧边坡的最大竖直位移为1.1 cm，边坡处于稳定状态。第2步开挖后，边坡的位移云图仅在最下面部分贯通，仍呈半圆弧形分布；随着深度增加，弧形范围不断增大，在开挖面和开挖台阶处竖直位移最大，其中左侧边坡的最大竖直位移为4.25 cm，右侧边坡的最大竖直位移为2.75 cm。对于第3步开挖，两侧竖直位移云图基本上呈对称分布，但左侧边坡由于受潜在滑动面的影响，最大竖直位移的影响范围较右侧边坡大。其中左侧最大竖直位移为5.5 cm，右侧最大竖直位移为4.5 cm。当开挖到第4步时，由于两侧的竖直位移完全贯通，边坡的最大竖直位移都移向边坡坡角处，左侧最大竖直位移为 7.0 cm，右侧最大竖直位移为5.5 cm；当边坡开挖到第5步时，左侧边坡的最大竖直位移为7 cm，右侧边坡的最大竖直位移为5 cm，比第4步开挖的最大竖直位移减少0.5 cm，两侧边坡的最大竖直位移均位于边坡的最终坡角处，说明边坡的开挖对竖直位移的影响也已经较小，整体边坡开挖的回弹效应逐渐消失。
单位：m
开挖步：(a) 第1步；(b) 第2步；(c) 第3步；(d) 第4步；(e) 第5步
图8 边坡竖直位移云图
Fig.8 Vertical displacement contour of slope
此外，在锚杆支护情况下，随着开挖向下进行，由于边坡卸载回弹的影响，边坡的最大水平位移和竖直位移均增加，但最终都趋于定值。左侧边坡的潜在滑移面得到锚杆的加固，右侧边坡处于稳定状态，而且在锚杆全部打进岩体后，左侧边坡位移控制在一定的圆弧范围内，整体边坡处于稳定状态。
3 边坡的防治措施设计
根据该边坡的地质调查和定量的数值计算评价结果，提出相应支护方式设计，并对坡面进行防护、防排水处理。
3.1 支护方式设计
根据边坡工程安全等级分类，此路段边坡为Ⅱ类边坡，安全等级为2级。因边坡高度较大，边坡采取分级开挖放坡，边坡坡比采用1?1.00~1?1.25，左侧边坡采用锚杆加锚固墩的支护方式[16]，右侧边坡采用地梁支护形式，如图9所示。
(a) 左侧边坡支护；(b) 右侧边坡支护
图9 支护结构图
Fig.9 Bolt reinforcement structure
3.2 边坡排水设计
由于边坡所处路段处于全年降雨量丰富的地区，区内水网密集，河流、溪沟发育，地表水发育，所以，要考虑地下水和地表水导致岩体强度降低的影响，应采用良好的坡面，同时，应做好临时排水和坡体排水措施。在坡顶可布置截水沟，在坡面也可以设置环形截水沟和顺坡汇水沟，使坡面水尽快排走，减少地表水渗入对坡面的冲刷。在坡体下部应布置泻水孔，加快地下水的疏干速度，减少浸泡时间。边坡平台采用M7.5浆砌片石砌筑，平台内侧设置平台截水沟并引流至边坡截水沟排出，截水沟断面长×宽为80 cm× 60 cm。在锚杆群中部纵横向间距8 m布置1根长为 6 m、厚为10 cm的软式水管，用于坡体排水，其埋深视开挖边坡后具体工程地质情况而定。
3.3 施工措施
施工时应遵循先上后下，分级、分区、分节施工的原则，开挖1节，防护1节，不得一次性开挖。并应保持两侧边坡稳定，保证废弃土石、渣不导致边坡附加变形或者破坏现象发生。对于坡顶已经张开的裂隙，要采用黏土封堵，并定期检查，以免由于边坡变形导致再次开裂。
a. 注浆液对节理面的负面影响：在灌注水泥砂浆过程中，当注浆液瞬间进入弱面时，在没有凝结前，它对节理面起到进一步弱化作用，在短时间内降低了节理面的抗剪强度。这种负面影响完全可以采取相应的措施予以调整。由于小范围的局部弱化，不会造成整体失稳，因此，可用间隔“跳注”的方法予以弥补。
b. “跑浆”的负面影响：若水灰比和灰砂比控制不当，则会出现“跑浆”现象，使灌浆失效。可通过采取调整浆液的塌落度、二次灌浆或添加外加剂的办法予以调整。
4 结 论
a. 竹城公路边坡岩性软弱，呈典型层状，结构面产状很不利于边坡的稳定。竹城二级公路层状边坡岩体的力学性质和结构面的产状对边坡的稳定性产生不利影响，是边坡施工和今后公路运营中的重大安全 隐患。
b. 边坡开挖前3个台阶时，位移均趋于一定值，边坡处于稳定状态，但开挖到第4个台阶时位移无法收敛，边坡发生滑动，建议在施工过程中采用分步开挖和边开挖边支护的方式进行施工，使得边坡开挖施工引起的位移以及局部区域的破坏得到有效控制。
c. 提出了层状岩体边坡的长短锚杆交替复合支护结构，其中长短锚杆长度分别为6 m和2 m，间距为2 m，锚杆倾角为20?，采用边开挖边支护的施工步骤，该支护系统充分利用了长短锚杆和岩土的受力特性，有效加固和支护了边坡岩土体，整体开挖完毕后，边坡整体处于稳定状态。
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收稿日期：2008-06-20；修回日期：2008-09-18
基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20060533071)；湖南省研究生创新基金资助项目(1343-74236000014)；中国博士后科学基金资助项目(20060400264)；国家自然科学基金资助项目(50774093)
通信作者：曹 平(1959-)，男，湖南祁东人，博士，教授，博士生导师，从事岩土工程理论、试验和数值计算的研究；电话：0731-8879263；E-mail: pcao_csu@tom.com
