非线性强度准则下炭质泥岩路堑边坡稳定性分析

黄静宇，黄新任

(1.湖南路桥建设集团有限责任公司，湖南 长沙 410004; 2.湖南省交通科学研究院，湖南 长沙 410015)

0 引言

为满足现代化及经济建设的需求，不可避免地高速公路网络向不良工程地质区域布展。炭质泥岩属于膨胀性软岩，遇水易崩解、强度低、水理性强、受风化影响明显，炭质泥岩的分布给高速公路的建设及运营安全提出了苛刻的要求。炭质泥岩主要分布于广西、湖南及重庆等地区，并呈显著的区域差异性。对炭质泥岩的研究罕见报道，主要集中于炭质泥岩的饱水软岩力学性质［1］、降水入渗的稳定性影响［2，3］、流变性质［4］及边坡稳定性、加固处理［5－8］及路堤稳定性［9］等方面。炭质泥岩属于极软岩，同时因受工程环境及自然环境的影响，其力学性质随时间均呈非线性变化，使用Mohr－Coulomb 准则具有一定的局限性。本文基于非线性Hoek－Brown 准则及地质强度指标GSI 系统获取炭质泥岩的动态力学参数与稳定性系数，具有快速辨识路堑边坡稳定性的优点，为其处治方案的拟定提供理论支撑。

1 炭质泥岩路堑边坡工程性质

泥岩为沉积岩，主要矿物成分为黏土矿物，属膨胀性软岩，其抗压强度一般小于25 MPa。广义的炭质泥岩为灰岩、砂岩、泥岩等沉积岩中含黑色炭质即称为炭质泥岩。炭质泥岩具有明显的地域差异性，但其具有工程性质的共性。如易风化:炭质泥岩在温度、风力及雨水等自然营力下一般易风化、易崩解、软化效应明显。尤其路堑边坡因其开挖新裸露的炭质泥岩受风化影响较大，岩性劣化速率加大，边坡稳定性降低。受水影响大:炭质泥岩中含有亲水性较强的膨胀性岩，吸水迅速膨胀，失水收缩开裂，且在降雨时容易因黏性物质起润滑作用促进岩块脱离母岩。节理裂隙发育:炭质泥岩形成年代较久远，因地质作用混以其他物质并呈泥化状态，节理面发育明显并在开挖卸荷作用下，致使节理面张开，坡体破损伤与松动。矿物成分复杂、不易植被生长:炭质泥岩中因含大量碳、硫等矿物而呈酸性，且植物所需的氮、钾、磷等缺乏，在炭质泥岩边坡上铺筑草皮一般难以成活，生态护坡困难。

2 基于GSI的Hoek－Brown准则

由于岩体性质的非连续性及具有时空效应，因而力学参数也随之具有不均匀性、不确定性与不连续性，同时，因条件的制约室内试验很难量测到与现场实际岩体力学参数，表现出显著的差异性及随机性;原位试验因不可能布设整个岩体工程范围从而代表性不足可信度偏低且费时费力。广义H－B 强度准则综合考虑了准则参数的多种影响因素，该强度准则巧妙结合定性与定量分析，具有简便及适用等优点，在岩体工程设计与科研中不断得到验证及改进。

基于GSI的Hoek－Brown 准则是在Hoek－Brown准则的基础上通过引入GSI 系统后提出的［10］，该准则克服了M－C 准则不能解释低应力及各向异性性质的不足，并能延用到破碎岩体，其表达式相对简单且较大程度符合工程实际，因而在岩体工程中得到广泛应用。其表达式为 σ1=σ3+σci(mb× σ3/σci+s)a，式中:σ1、σ3分别代表岩体屈服时的最大主应力及最小主应力;σci为完整岩石的单轴抗压强度;半经验参数mb，s 与 a 计算式分别为 mb=mi×exp［(GSI－100)/(28－14D)］、s = exp ［(GSI －100)/(9 －3D)］与a=0.5+［exp(－GSI/15)－exp(－20/3)］/6。其中:D 为扰动系数，表征施工荷载对岩体的作用影响程度，mi为岩石常数，由岩石种类确定。

3 路堑边坡防治技术

路堑边坡的稳定性同时受自身材料性质、结构及外界环境等密切相关，因此其稳定性评价及处治为一项系统工程。路堑开挖后，岩体原有的受力破坏，在达到新的平衡时往往会发生坍塌、滑坡等地质灾害，因此需采取措施确保路堑边坡的稳定性。边坡的防治措施分为“防护”与“治理”，在实际边坡设计时往往将其融合，秉承“以防为主，防治结合”的设计施工理念。只有当防护措施不能够完全达到边坡稳定目的或边坡有失稳迹象或己发生失稳则需进行治理。炭质泥岩路堑边坡稳定性的防治措施基于炭质泥岩的性质有如下几种常用防治技术:

1)防水排水:对于膨胀性炭质泥岩边坡，水是影响其稳定性重要的因素之一，进行边坡的防护和治理应对水重点治理。防排水的原则是:以防为主、防治结合;因地制宜，考虑经济、环保等要求;多种方式综合使用。常用的边坡防排水方式是设置排水沟、截水沟、边沟、渗沟、平孔等，在边坡工程中往往综合使用。

2)坡面防护:对于易风化的岩体边坡，适合在岩坡表面抹面护坡或喷射混凝土，也可通过客土植草的方法，防止雨水的冲刷及岩体的劣化。

3)边坡受力:最常用的是开挖放坡，在挖方较大引起经济、环境影响时则选用挡土墙、抗滑桩及锚杆等。

炭质泥岩路堑边坡的滑坡处治应根据炭质泥岩的工程性质，因地制宜，综合使用，尽量做到安全、经济及环保等各项要求。

4 工程实例分析

湖南省某高速公路全长140 km，设计时速100 km/h，为完善区域交通系统，擢升地区经济发展有着较大的促进作用。该高速公路沿线娄底区域炭质泥岩分布较为普遍，炭质泥岩风化带中，节理发育，含较丰富的裂隙水，在降雨作用下易发生崩塌、滑坡、泥石流地质灾害。受亚热带季风气候的影响，该路段地表风化程度较强烈，全风化～强风化岩体破碎，并含有一定渗水性。其中某右边路堑坡段的情况如下:该段边坡坡高大约10 m，坡长约40 m，中厚层状，劈理发育，经地质调查鉴定为炭质泥岩路段，分化程度不一，节理裂隙较发育，节理面较粗糙，节理间距0.2～0.5 m，延展性一般，单条延伸长度约为4.5～6.0 m，发育密度为 3.5～4.5 条/m，经开挖卸荷后开挖面可见拉裂缝。为保障该炭质泥岩路堑施工与运营期的安全，进行稳定性分析与加固设计。

4.1 路堑边坡稳定性数值计算分析

Slide 软件是具有通用性适用性强、操作简便的边坡分析软件。该软件内含良好界面的前后处理与求解器，且实现了圆弧、折线滑面、组合画面等自动搜索，并且在保持高精度计算结果时使计算时间减少并能直观形象地表示出安全系数等值线与可靠性指标。本文基于极限平衡分析使用Slide 软件建模如图1，从上往下依次为强～全风化炭质泥岩、弱～微风化炭质泥岩与未风化炭质泥岩。

图1 边坡稳定性计算模型

Slide 软件中具有广义Hoek－Brown 材料屈服准则，同时该软件中含有各岩体力学参数取值标准，炭质泥岩的岩体力学参数也采用广义Hoek－Brown 准则进行选取。根据现场炭质泥岩地质实际情况，可选取如下参数:其中全～强风化泥岩取GSI =10，mi=6，σci=25 MPa，D =0.4;微～弱风化岩泥岩 GSI取15;未风化炭质泥岩(含碎石、块石黏土)GSI =25，mi=6，σci=25 MPa，D =0.2(取值方法参见文献［11］)。边坡稳定性如图2所示。

图2 广义H－B 准则下的边坡稳定性

根据图2:该炭质泥岩路堑边坡稳定性系数为0.803，这与应用强度折减法［12］所得的结果相近。表明在当前状况下处于不稳定状态，考虑炭质泥岩易风化、崩解、蠕变性较大等特性，其边坡稳定性必然会进一步劣化，故需立即采取防治措施，保障高速公路的正常安全运营［13］。

4.2 路堑边坡综合防治措施

通过以上计算分析可知该炭质泥岩边坡安全储备较小，并经风化、崩解及蠕变作用可能随着时间的增长进一步劣化，且剩余下滑力较大，故采用预应力锚索进行加固。根据已有的滑坡处治经验［14］，在该工序完成后，再进行坡面抹面、排水防水的综合处治措施。

4.2.1 坡面预应力锚索加固

该边坡含三层岩性不同的炭质泥岩，分别为强风化、微风化及未风化，考虑锚根的承载力以及施工的难易程度，选用800 kN 级锚索，锚索束体为5 ×7Φ5 钢绞线。按照0.85 的设计折减系数，需要采用24 根锚索，间距取3～3.5 m，在坡面呈梅花形分布。考虑超拉荷载，锚固段长度取为4.2～5.4 m，锚索的埋设深度可设为4.8～17.5 m，从下往上埋设深度依次增长。外锚头以现浇砼进行加固设计，底面积为 1.0 × 1.0 m2，顶面积为 0.3 × 0.3 m2，高为0.35 m。经预应力锚索支护后边坡稳定性如图3所示，稳定性系数为1.427，大于1.3，符合工程边坡安全要求。

4.2.2 坡面与坡顶防护

坡面采用C15 素混凝土进行喷射防护，厚度为50 mm，水灰比为0.4，砂率为50%。同时做好防水排水措施，坡顶采用截水沟、排水沟、边沟，并于坡顶铺设混凝土网格，客土移植草皮，防止雨水冲刷，抑制路堑边坡炭质泥岩的劣化。

图3 路堑边坡支护结构图

5 结论

炭质泥岩是具有遇水易崩解及风化的膨胀性软岩，在开挖卸荷的损伤与裸露风化作用下将劣化其工程力学性质，其稳定性得不到保障，威胁到高速公路的安全建设及营运。因此，本文以湖南境内某高速公路某炭质路堑边坡为工程背景，基于非线性的H－B 准则及地质强度指标GSI 系统获取炭质泥岩的动态力学参数与路堑边坡的稳定性系数，通过此次研究得出以下结论:

1)炭质泥岩由于其强度低、水理性强、易风化等特性，作为路堑边坡必须进行处治，方能保证高速公路的建设及营运安全。

2)基于GSI 的Hoek－Brown 准则能够较好地反映炭质泥岩等软岩的非线性性质，可弥补Mohr－Coulomb 准则这一缺陷，同时GSI 系统的引入，可实现路堑边坡开挖及暴露期间岩体力学参数的动态辨识，为边坡稳定性评估提供便捷。

3)使用 Slide 软件内置的广义 Hoek－Brown 岩体屈服准则及GSI 取值系统，获取开挖后的炭质泥岩路堑边坡稳定性系数为0.803，经预应力锚索加固后，稳定性系数升至1.427，满足工程边坡稳定性要求，同时为防止炭质泥岩的进一步劣化，采用C15素混凝土喷射防护坡面，并设置防排水系统。

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