某工程陡倾角顺层边坡破坏机制及稳定性分析

赵之举

(上海勘测设计研究院有限公司,上海 200434)

边坡工程中,顺层边坡由于坡脚受阻约束,相对于同倾向切层边坡来说一般是稳定的,但随着边坡高度和岩层倾角的增加,具备软弱夹层的斜坡常会发生溃屈破坏。由于公路、铁路工程，水利水电工程，矿山开采等人类活动的深入,科技人员对于边坡溃屈破坏的研究和认识也在不断深入。1988年孙广忠在《岩体结构力学》一书中提出了板裂结构的概念,并对板裂结构边坡的力学模型进行了试验研究[1]。1990年潘瑞林、李秉生等对板裂结构顺层边坡岩体给出了在地震力、地下水和坡顶荷载作用下的溃屈破坏临界坡长力学计算模型和方法[2]。1995年李树森、任光明等以板梁弯曲变形为基本力学模型,对顺层斜坡的溃屈破坏进行了力学分析和定量描述,并给出了溃屈破坏的临界坡长计算公式[3]。2004年朱晗迓、马美玲等在利用力学分析推导临界坡长求解的基础上又对影响边坡溃屈破坏临界坡长的岩石弹性模量、层间滑动面强度、岩层厚度、层面倾角等因素进行了分析[4]。

本文通过对某工程顺层边坡的溃屈破坏力学模型的分析和稳定性计算,进一步分析探讨影响溃屈破坏的地质因素,验证适合该类型边坡的评价方法和加固处理措施。

1 地质概况

某工程边坡位于长江南岸江西某地一工业园区内,开挖坡面走向NEE82°,边坡倾向NW,坡顶高程110～130 m,边坡高度90～110 m,现状边坡地形坡度50°～60°,相应的边坡长度110～130 m。

边坡岩性为上泥盆系五通组(D3w)粉砂岩夹泥岩,其中,粉砂岩单层厚度5～20 cm,泥岩单层厚度5～10 cm,粉砂岩约占69%,泥岩约占31%。边坡岩层产状走向NE80°～85°,倾向NW,倾角55°～60°。边坡坡向及倾角与岩层倾向、倾角基本一致,为顺层坡。

边坡主要发育层面裂隙(1)组,产状NE85°/NW∠58°；构造裂隙(2)组,产状NE8°/NW∠50°；构造裂隙(3)组,产状NW350° /SW∠80°。

现状坡面岩体较破碎、裂隙发育,分布有楔形凹槽和溃屈破坏的危岩体。溃屈段边坡顶部可见沿层面向下发生台阶状错动位移,后缘及南侧侧面均出现拉裂缝,裂缝宽度10～35 cm,坡面岩体层面张裂缝非常发育，岩体呈块裂结构,坡脚岩层可见向外弯曲隆起，并产生折断破坏,中下部浅层可见岩体局部架空现象。受溃屈蠕动变形破坏影响,现状边坡常见岩块剥落、崩塌和滑塌发生,边坡现状见图1,岩体物理力学参数见表1。

2 破坏机制

根据现场调查,上述工程边坡为薄层状板裂结构岩体,其破坏型式主要为顺层溃屈破坏。结合板梁弯曲理论分析,该边坡变形过程大致分为初期的滑移—弯曲、中期的溃屈—折断、末期的剪切—滑动破坏三个阶段。

(1) 滑移—弯曲阶段：由于层状岩体层间软弱结构面强度较低,在重力作用下板状岩体沿层面向下蠕动滑移,各层间发生轻微的差异性错动,在坡脚处产生应力集中进而发生弯曲变形,这一阶段岩层基本处于弹性变形阶段,边坡中下部坡面仅出现轻微的鼓起变形(图2-a)。

图1 某工程陡倾角顺层边坡现状(左为正面,右为西侧面)
Fig.1 Present situation of steep dip bedding slope in a project

表1 某工程边坡岩体物理力学参数建议值Table 1 Recommended values of physical and mechanical parameters of rock mass for a project slope

(2) 溃屈—折断阶段：随着时间的推移,边坡下部岩层蠕变—弯曲变形进一步加剧,弯曲岩层伴随着 “X” 剪切裂隙和张裂隙带的出现而发生折断；实际上,当坡脚发生溃屈变形时,边坡坡面已经产生了小范围的浅层滑塌破坏(图2-b)。

(3) 剪切—滑动破坏阶段：随着弯曲变形的进一步发展,斜坡底部变形体中的剪切裂隙和张裂隙进一步贯通,上部层间软弱结构面和底部溃屈带张裂隙、剪裂隙的抗滑力低于变形体的下滑力时,边坡变形体的势能将得到瞬间释放，即发生大的滑坡(图2-c)。

图2 顺层滑移溃屈破坏变形过程模型图
Fig.2 Model diagram of failure and deformation process of bedding slip and buckling

①.张裂隙；②.剪裂隙；③.坡顶错动台阶；④.主滑面；⑤.次滑面。

根据边坡变形的三个阶段划分,该处工程边坡不同部位目前处于不同的变形阶段,东侧边坡处于初期滑移—弯曲阶段,西侧部分边坡则已经发生了溃屈—折断,并处于剪切—滑动的酝酿阶段。

3 稳定分析

层状溃屈破坏的边坡可通过临界坡长来进行稳定性分析,当层状边坡的坡长大于某一特定长度时,边坡就会发生溃屈失稳,这一特定坡长称为临界坡长,用Lcr表示。根据板梁弯曲变形理论、能力平衡原理,李树森、任光明等给出了层状顺层边坡临界坡长Lcr的计算公式：

(1)

式中：γ为岩体容重(kN/m3)；h为岩体单层厚度(m)；n为岩层层数；α为斜坡倾角(°)；φ为岩层结构面内摩擦角(°);c为岩层结构面粘聚力(kPa);E为岩体弹性模量(MPa)。

工程边坡坡长L=130.16 m,坡角α=56°,与岩层倾角相同。岩体弹性模量采用粉砂岩与泥岩的加权模量E=4 640 MPa,岩层结构面抗剪强度采用泥岩结构面强度参数,其中粘聚力c=50 kPa,摩擦系数f=0.35,溃屈深度B=n·h。根据上述公式(1)绘制临界坡长Lcr与层数n的关系曲线如图3所示。

图3 某工程边坡临界坡长与岩层层数关系
Fig.3 The relationship between the critical length
of slope and the number of strata

由临界坡长计算公式(1)和图3散点曲线可见,△T=nγhsinα-(nγhcosαtanφ+c)，为坡体岩层剩余下滑力。对于特定的边坡,当层数n很小时,边坡体剩余下滑力△T<0,不会产生溃屈破坏,边坡岩体以层面剥落、崩塌型式破坏;当剩余下滑力△T≥0时,边坡才具备溃屈变形的条件,此时的溃屈深度称为起始溃屈深度,经计算本工程起始溃屈深度为3.2 m。随着岩层层数及溃屈深度的增加,临界坡长趋于稳定,取n=100对应的边坡厚度为溃屈深度B=5～20 m,与现场调查的多处溃屈破坏现状基本相符。溃屈破坏临界坡长计算结果如表2所示。

由计算结果可见,该边坡临界坡长为14.85～28.39 m,边坡稳定系数K=0.11～0.22,<1,边坡存在破坏风险,上述计算结果与边坡现状基本吻合。

表2 临界坡长计算结果Table 2 Calculation results of critical slope length

4 工程防护措施建议

由公式(1)可见影响层状边坡溃屈稳定的因素主要有岩石的弹性模量、层间结构面的粘聚力和内摩擦角、岩层厚度、层面倾角,这些因素均与临界坡长呈正相关性。其中临界坡长与粘聚力、内摩擦角和单层厚度的关系曲线如图4-图6所示。因此,通过锚杆加固板状岩层,变单薄岩层为厚层—巨厚层岩体可显著地提高临界坡长。

图4 临界坡长Lcr与摩擦系数tanφ关系曲线
Fig.4 Relation curve between critical slope lengthLcrand friction coefficient tanφ

图5 临界坡长Lcr与粘聚力c关系曲线
Fig.5 Curve of relationship between critical slope lengthLcrand cohesionc

图6 临界坡长Lcr与单层厚度h关系曲线
Fig.6 Relation curve between critical slope lengthLcrand single layer thicknessh

各岩层力学参数基本相同时,锚固前边坡等效抗弯刚度为：

(2)

锚固后岩层的截面惯性矩发生了变化,其等效抗弯刚度为[3]：

(3)

对比上述公式(2)、(3)可见,锚固后岩层的抗弯刚度得到了大大的提高,锚固后的临界坡长计算公式可改写为：

经计算,加固后的边坡临界坡长可分别达到611 m,413 m和319.9 m,稳定系数K=2.45～4.70,其边坡稳定性系数远远大于其锚固前数值,边坡的稳定性得到了极大地提高。实际工作中,由于锚固工作施工质量往往难以得到较好的控制，以及其它一些环境条件等原因,锚固效果难以达到理论水平,因此该工程建议采用分级削坡、降低坡高、锚杆加固等措施进行综合处理。

5 结论

(1) 中—陡倾角层状顺层边坡受重力作用及层面结构强度控制,边坡坡角岩体易产生弯曲变形,进而发展成为溃屈破坏和滑动破坏；溃屈破坏是顺层边坡破坏的主要型式。

(2) 因抗弯刚度的不同,溃屈破坏边坡一般都是发生在软质岩或软硬相间的中陡倾角岩层中,中厚层无软弱夹层的硬质岩边坡一般不易产生溃屈破坏。

(3) 边坡溃屈破坏的临界坡长与边坡岩层厚度、滑移面的粘聚力及内摩擦角、边坡坡角和岩体弹性模量有关,随着溃屈深度的增加临界坡长趋于稳定值。

(4) 经计算,该工程边坡临界坡长小于实际坡长,稳定系数<1,边坡存在溃屈破坏风险。

(5) 抗弯刚度是控制岩层溃屈破坏的主要内部因素,边坡加固可通过锚固、降低坡高、减小坡长等措施进行处理,尽管理论计算锚固效果最佳,但由于锚固施工质量控制等问题,往往难以达到理想的效果,实际工作中应以锚固和降低坡高综合处理较好。