软岩深路堑边坡工程问题综述

高红卓

（深圳市南华岩土工程有限公司，广东 深圳 518020）

【其 他】

软岩深路堑边坡工程问题综述

高红卓

（深圳市南华岩土工程有限公司，广东 深圳 518020）

国内高速公路网和铁路客运专线的新建，出现了一批软岩深路堑边坡工程，其中坡体的开挖、支护出现了前所未有的难题。通过对软岩深路堑边坡坡体变形力学特性研究、稳定性评价、支护方法等关键技术进行综述，提出了研究的重点、方法以及存在的问题，并探讨了软弱岩体和高边坡应力的处置办法，以期对软岩深路堑边坡工程问题的研究提供借鉴。

软岩；深路堑边坡；边坡稳定；锚固

1 前言

近几年来，国内高速公路网和铁路客运专线的新建，出现了一批深路堑边坡工程，其中一些岩体具有不同程度的软弱特性，这使得岩体的开挖、支护出现了前所未有的困难。而高边坡岩体普遍存在的应力软化问题以及岩体本身的软弱特性，造成边坡的稳定性问题愈加尖锐。如何解决软岩深路堑边坡工程所要面对的软弱岩体和高边坡应力，甚至是可能出现的软岩隧道边坡复合工程及其他边坡工程形式，需要作进一步的探讨。

目前，软岩坡体的变形力学特性研究、稳定性评价、支护方法等关键技术还未成熟，国内外少有关于此类问题的报道。本文通过检索相关的文献资料，并结合边坡工程的实际问题进行综合分析，以期对软岩深路堑边坡工程问题的研究提供借鉴。

2 软岩的变形力学特性研究

2.1 研究内容

软岩的变形力学特性研究一般有两个途径：①常规的岩石试验研究；②工程实体研究，包括在特定的工程环境条件下，软岩变形、强度的演变及力学参数的确定等。

目前软岩坡体的研究主要集中在岩体结构面、边坡几何尺寸以及坡体参数受环境因素影响的程度等，变形力学特性研究强调软岩的各向异性。软岩边坡岩体的研究除了参照坡体已有的研究成果之外，还要考虑软岩的岩石特性。

2.2 研究现状

吴刚等[1]、哈秋舲等[2]对复杂应力条件下岩体卸荷破坏做了大量的试验，对岩体开挖进行了研究。在水岩作用方面，王锦国等[3]对粗糙裂隙中的溶质运移采用特征有限元法进行了模拟；周翠英等[4]系统地探讨了软岩与水作用的力学损伤规律、时间效应模型及软岩性质软化的标志性临界阈值。在软岩的流变特性方面，白武明等[5]为软岩流变理论体系的建立作出了独特的贡献。齐伟等[6]对软岩扩容及物化膨胀联合作用进行试验研究。此外还有学者采用新方法或建立新理论来研究一些出现过的问题，如：申晋等[7]对岩体裂隙分布的分形研究理论进行了总结；沈珠江等[8]针对各向异性的裂隙岩土介质体提出“破损力学理论”。软岩坡体研究主要停留在宏观层面上，因此，还应加强从细观层面了解坡体开挖的变形机理，如张裂隙的演变等，并借助岩石力学的基础理论研究加快进程。

3 软岩边坡稳定性评价

3.1 破坏类型

软岩可能发生的破坏形态可以概括为四种：岩体塑性流动、岩体受拉开裂、结构面剪切滑移和结构面受拉开裂。在软岩边坡，这四种破坏形式都有可能发生。实测数据表明，岩体的塑性区在开挖之初是很少的，但随着时间推移逐渐扩大，直到最终导致岩体松动而失稳。

岩体的破坏往往取决于软弱层或软弱结构面的性质、分布和组合形式，因为它们控制着岩体内部应力状态的分布。许多岩土工程设计人员和研究者在处理岩体稳定问题时，倾向于所谓“弱面控制”的观点。对软岩边坡来说，大多数破坏是滑坡，也可能发生溃曲，这主要由坡体失稳的内外因素控制。边坡失稳的内部因素主要取决于岩石特性、不连续面的存在及其与坡面之间的空间组合关系，其外部因素包括降雨与地表水的渗入、地震和人类活动三大类。

3.2 稳定性理论

分析边坡的稳定性可以有两个途径：①忽略加载或卸载的过程，直接分析边坡在破坏那一刻的极限荷载，即极限平衡法和极限分析法；②模拟边坡加载或卸载的全过程，通过严格的应力、应变分析求解边坡的极限荷载，即数值分析法[9]。由于岩体内通常都存在着一组陡倾角的结构面，在发生滑动时，一方面沿底滑面滑动，一方面也沿这些陡倾角结构面错动。萨尔玛法[10]采用斜条分法，假定条块倾斜界面之间也达到了极限平衡，认为除平面和圆弧面外，滑动体必须先破裂成相互滑动的块体后才能滑动，静力平衡方程和未知数的数目恰好匹配。因此，它是一个分析岩质边坡稳定性较合理的方法。剩余推力法适用于滑动由结构面控制的折线形滑坡，并假定滑面两侧摩擦力和滑动体自身挤压作用，在岩质边坡的稳定性分析中也得到广泛的应用。

3.3 稳定性评价

Morgenstern[11]指出，边坡的稳定性评价包括：工程地质特征勘查、破坏模式的确定、材料性质试验、孔隙水压力特征模型的建立、数值分析模型的建立。黄宏伟等[12]出了完整边坡稳定性的评价方法，具体包括研究岩体结构，进行稳定计算，确定发展趋势。对于裂隙介质的软岩边坡工程，其变形破坏通常是从岩体内弱面局部剪应力集中的区域开始，然后逐渐扩展到整体破坏，因此正确选取稳定分析方法至关重要，其关键是分析岩体软弱面的组合形式。

为准确地对软岩边坡的稳定性进行评价，在重大复杂的边坡工程中，往往采用可靠性分析法和极限分析法，以便互相印证，提高分析精度，且把可靠性分析的破坏概率或可靠指标与极限平衡分析的安全系数一并作为边坡安全性的评价指标。此外，还有风险分析法、多目标决策分析法、计算机模拟法等。

4 软岩边坡支护理论及实践中存在的问题

4.1 研究内容

边坡的支护方法很多，如抗滑桩、挡墙、锚杆和锚索等，其中由于锚杆锚索等岩土锚固技术能体现主动支护的概念，得到了广泛的重视。对于软岩高边坡，单一的锚固方法往往不能很好地起到支护作用，所以经常采用复合锚固甚至是锚固结构与抗滑桩联合工作的复合结构。此外，软岩较低的抗剪强度以及可能存在的破碎岩层常常使得锚固的效果不能得到充分发挥，软岩高边坡的锚固应该配合以其他处理方法，注浆是其中较为有效的一种。

软岩高边坡的开挖支护是软岩边坡工程的核心问题，支护方案多种多样，影响因素也不同，其理论研究不仅应该考虑软岩边坡的支护方法，了解其工作机理，还要考虑支护效果的分析，其理论基础是前文所述的边坡稳定性理论。

4.2 设计计算

抗滑桩作为一种承受岩土体侧向位移的被动桩，国外的研究多侧重于土坡变形对桩体的影响，尤其是对于海港工程、堤坝工程中承受软粘土变形的被动桩的研究较多。国内对于抗滑桩的计算研究主要集中于加固岩土体边坡方面，尤其以加固大、中型破碎岩体滑坡为主。抗滑桩计算方法归纳起来有压力法、位移法和有限单元法。

预应力锚索抗滑桩的计算方法普遍采用简支梁式结构，假定顶端铰支、下端弹性固结。也有一些学者提出了改进的计算方法，总的说来，预应力锚索抗滑桩的计算方法主要区别在于是否考虑锚索与抗滑桩的协调变形。

对于预应力锚索(杆)地梁(包括单梁和框架梁)的设计计算，肖世国等[13]、夏雄[14]进行了较为详尽的论述。计算方法主要是沿用建筑地基基础中计算连续基础的刚性梁或连续梁和一般弹性地梁的方法。计算的难点在于如何综合考虑地梁与坡体之间的协调变形作用及框架各节点荷载之间的相互影响，尤其是在将其拆分为单梁计算时，如何考虑节点处两个方向的转角相容条件及纵横梁相交产生的扭矩影响。此外，由于软岩岩体性质较为复杂，地梁在施工完成后的受力状态可能会随着环境的变化而改变，目前的设计计算方法没有考虑地梁的这种工作特性。

4.3 锚固机理

由于工程介质的复杂性以及锚固方式的多样性，至今尚未出现统一的锚固理论。国内外岩土锚固理论研究主要围绕以下两方面展开：①岩锚荷载传递机理，特别是注浆锚索(杆)中索(杆)体与注浆体、注浆体与围岩间粘结应力的分布状态及传递机理的研究；②从锚固体加固效果角度出发研究岩锚作用机理。

岩锚荷载传递机理的研究表明，一般情况下，锚索(杆)本身强度很高且其表面粗糙性很好，力的传递由锚索(杆)到灌浆体，再由灌浆体到围岩体的过程中，浆体和锚索(杆)界面的性质不是研究的重点，研究重点应放在浆体自身的性质以及浆体与围岩体界面的性质上。添加剂(包括速凝剂，膨胀剂)对锚索(杆)承载力的影响还值得进一步研究。岩锚荷载传递机理研究的目的是如何取得最大锚固力，但是从工程上讲，得到最大锚固力并非最终目的，最终目的应是确保工程安全的同时，力求经济、快速。这就要求研究如何有效、合理的利用锚固力，即从加固效果角度出发研究锚固作用机理。

由于锚固工程是一项隐蔽工程，锚索(杆)的工作状态的好坏不能直接观察得出，因此采取何种检验手段来评价锚固的效果显得至关重要。针对软岩坡体的低抗剪、多空隙、抗扰动能力差等特点，其支护工程一般是以注浆和锚固工程为主，支档、排水工程为辅，此外还要加强加固效果的检验，并对加固后坡体的安全度进行合理的评估。

4.4 存在的问题

(1) 获得合理的参数比较难。一般来讲，要经过工程地质勘察、现场测试、室内试验及数值反馈分析，最终通过优化处理，才能得到比较合理的参数。

(2) 数值分析模型的建立不够理想。软岩工程中，通过变化着的物理力学参数所显示出来的软岩非线性性质起因于诸多因素，如应力状态、裂隙和夹泥层的存在、加载历时、温度以及裂隙孔隙中液体的性质等，而这些因素起因于细观和微观的构造特性。非线性性质对岩体的破坏有重要影响。由于普遍缺乏对这些问题的充分考虑，尽管非线性弹性理论至今已取得较大的进展，但是用来分析软岩的变形失稳问题效果差强人意。

(3) 工程运营的安全性评价需进一步完善。软岩边坡工程较早地出现在采矿、水利等部门，其安全运营情况已得到一定程度的检验，但由于稳定性分析理论本身的不足和评价模式的缺陷，安全性评价工作往往不能充分反映新建工程的安全储备、已建工程老化程度、受损工程安全情况及工程抵抗外部作用力的能力。

(4) 缺少规范及规程的说明。目前国内路基、边坡相关规范标准对软岩高边坡的论述太少，以至于软岩边坡的设计趋于保守，造成了大量的浪费。随着软岩边坡工程的全面兴建，如何应对可能出现的问题是迫切需要解决的问题。

5 结语

软岩深路堑边坡工程是一项特殊的边坡工程，岩体抗扰动能力差，岩质各向异性程度高，坡体高陡支护难等，寻求一套合理的施工设计方案绝非探囊取物。边坡工程研究百年有余，边坡稳定分析方法研究已近一个世纪，岩体支护理论也随着巷道开挖技术的发展逐渐完善并很好地服务于边坡工程，可以说，软岩深路堑边坡工程的研究虽然起步伊始，但是已有较为雄厚的理论研究背景，相信在解决实际工程问题中可以取得更大的研究进展。

[1]吴刚.复杂应力状态下岩体卸荷破坏的机理及其应用研究[D].上海：同济大学，1995.

[2] 舲哈秋 ，张永兴.长江三峡工程岩石边坡各向异性岩体卸荷非线性力学研究[M].北京：中国建筑工业出版社，1997.

[3]王锦国，周志芳.裂隙岩体地下水溶质运移的尺度问题[J].水科学进展，2002，13(2)：239-245.

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[6]齐伟，贾志远，肖裕行.软岩扩容及物化膨胀联合作用的研究[J].水文地质工程地质，1994(6)：1-3.

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[14]夏雄.预应力锚索地梁的设计理论及工程应用[D].成都：西南交通大学，2002.

【修回日期】2014-06-16

Problems of High Weak-rock Slope

GAO Hong-zhuo
(Shenzhen Nanhua Geotechnical Engineering Co., Ltd., Shinzhen 518020, China)

Problems in excavation and support of high weak-rock slope were come up with the newly constructions of highway nets and passenger dedicated line including many high weak-rock slopes. Reviews of many key techniques about high weak-rock slopes engineering are done, such as the rock distortion mechanism, slope stability estimation and slope support methods. The emphases and means of research are proposed as well as unsolved problems. Besides, methods and theories are discussed to deal with the weakness of rock and complex stress condition of high slope. Results mentioned above can be used for references about problems of high weak-rock slope.

weak-rock; high cut slope; stability of slope; anchorage

U416.13；U416.14

A

1007-9386(2014)05-0053-03

2014-03-07