新原高速雁門關(guān)段Ⅲ-9邊坡穩(wěn)定性分析

【摘 要】山西是一個(gè)多山的省份，近幾年忻(州)～阜(平)高速、太(原)～長(治)高速、汾(陽)～ 邢(臺(tái))高速等工程，均穿越山嶺地貌，高邊坡穩(wěn)定性分析歷來是工程建設(shè)的一大難點(diǎn)，本文利用自然斜坡類比法、赤平投影圖解法[1]、Sarma法對(duì)新原高速公路雁門關(guān)段Ⅲ-9邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)坡體穩(wěn)定性差，建議采取削方、錨固、網(wǎng)噴、排水等整治措施。希望對(duì)今后山西乃至全國同類工程建設(shè)起到借鑒和指導(dǎo)作用。

【關(guān)鍵詞】 類比法;圖解法;Sarma法;高邊坡穩(wěn)定性分析

Xinyuan highway wild yanmenguan segment Ⅲ- 9 side ascent stability analysis

Qing Rui-ping

(Shangxi province No.3 geology engineerings investigate hospital Jinzhong Shangxi 045400)

【Abstract】Shangxi is a mountainous province， the last few years， Xin(zhou) ～ Fu(ping) high speed， tai(yuan) ～ chang(ye) high speed， Fen(yang) ～ Xing(tai) highway etc. engineering， all cross mountain range geography， Gao Bian Po stability analysis in times gone by is an engineering construction of one big crux， this text make use of nature slope ratio method， red even cast shadow illustrated manual table the method [ one ] ， Sarma method rightness new original superhighway wild goose door pass segment Ⅲ- 9 the side ascent's stability carry on analysis， evaluation ascent body stability bad， suggestion adopt to pare square， the anchor man be solid， the net spray， drain etc. be whole to cure measure.Hope to aftertime shangxi is go to whole country the same kind engineering construction have already draw lessons from with instruction function.

【Key words】Type ratio method;Illustrated manual table method;Sarma method;The stability analysis of high slope

1. 引言

山西是一個(gè)多山的省份，北東部有恒山～五臺(tái)山、東部以太行山與河北、中部有太岳山，西部有呂梁山，西南部以中條山與河南接壤，近幾年建成的忻(州)～阜(平)高速、太(原)～長(治)高速、長(治)～晉(城)高速、長(治)～邯(鄲)高速、陽(城)～侯(馬)高速、晉(城)～濟(jì)(源)高速、汾(陽)～ 柳(林)高速、汾(陽)～ 邢(臺(tái))高速等工程，均穿越山嶺地貌，高邊坡穩(wěn)定性分析歷來是工程建設(shè)的一大難點(diǎn)。新原高速公路在雁門關(guān)段橫穿恒山山脈，山高溝深，地形起伏，多處形成高陡邊坡，邊坡穩(wěn)定性分析與整治是該線路的主要工程及難點(diǎn)之一。Ⅲ-9邊坡位于K105+175～K105+365段，據(jù)調(diào)查分析，該邊坡座落在一古滑坡體上，滑體上“馬刀樹”、前緣擠壓變形等特征明顯，且斷裂構(gòu)造比較發(fā)育。原始地形為一垂直于公路走向的山脊，平均坡度35°，兩側(cè)發(fā)育沖溝，該段路基標(biāo)高1388.575m，開挖形成八級(jí)邊坡，七級(jí)平臺(tái)，最大挖深64m，位于K105+260，在施工過程中，邊坡多次發(fā)生坍塌、滑坡等，導(dǎo)致工程被迫中斷[2]。

2. 工程地質(zhì)特征

邊坡長約190m，坡向278°，由強(qiáng)～弱風(fēng)化斜長角閃片麻巖及云母片巖組成(圖1)，片麻理產(chǎn)狀為135～175°∠35～66°，局部地段出露偉晶巖脈。坡頂有一產(chǎn)狀為175°∠35°的正斷層通過，破碎帶寬5～6m，構(gòu)造角礫、斷層泥發(fā)育，帶內(nèi)擠壓錯(cuò)動(dòng)痕跡明顯，可見擦痕;受其影響節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體風(fēng)化強(qiáng)烈，多呈碎塊狀，塊度一般10～30cm，黑云母片巖夾層多呈粉末狀。總風(fēng)化厚度達(dá)100多m，巖土體力學(xué)性質(zhì)受風(fēng)化程度影響，大體可分為4層(表1)。

3. 穩(wěn)定性分析

3.1 自然斜坡類比法。

首先從1/2000地形圖上量取地質(zhì)、巖性、結(jié)構(gòu)、水文等因素相近坡體的最陡邊坡及其投影長度，再利用最小二乘法，求得雙對(duì)數(shù)回歸方程為LogH=log1.23+0.97logL，求出該類邊坡的穩(wěn)定坡角為47.6°，9#邊坡自然坡度為45°，說明自然狀態(tài)下是穩(wěn)定的;開挖坡角近些90°，說明開挖后坡體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

1.第四系上更新統(tǒng)殘坡積物;2.第四系上更新統(tǒng)坡洪積物;3.五臺(tái)群金崗庫組二段全風(fēng)化層;4.五臺(tái)群金崗庫組二段強(qiáng)風(fēng)化層;5.五臺(tái)群金崗庫組二段中等風(fēng)化層;6.偉晶巖脈;7.云母片巖;8.構(gòu)造破碎帶;9.地質(zhì)界線;10.風(fēng)化程度界線;11.原始地形線;12.開挖地形線;

3.2 赤平投影圖解法。

通常坡體開挖后，邊坡易沿傾向與坡向接近的，且傾角小于坡角的結(jié)構(gòu)面發(fā)生破壞變形。該坡體受構(gòu)造等影響共發(fā)育各類結(jié)構(gòu)面共計(jì)25條，其中節(jié)理19條(圖2)，斷層2條，軟弱夾層3層，由(圖3)所反應(yīng)的結(jié)構(gòu)面的分布形態(tài)，對(duì)各結(jié)構(gòu)面進(jìn)行穩(wěn)定性分析，由于受結(jié)構(gòu)面①(斷層)及結(jié)構(gòu)面②、③ (次一級(jí)斷裂)的影響，坡體內(nèi)節(jié)理裂隙發(fā)育，風(fēng)化強(qiáng)烈。在結(jié)構(gòu)面④、⑤(云母片巖等軟弱層)及結(jié)構(gòu)面⑨、⑩、⑿、⒆的作用下，坡體穩(wěn)定性差，極易沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生破壞變形。

圖2 節(jié)理走向玫瑰花圖 圖3 結(jié)構(gòu)面赤平投影圖

3.3 Sarma法。

據(jù)實(shí)地調(diào)查分析Ⅲ-9號(hào)邊坡破壞模式為復(fù)雜平面滑動(dòng)形式(圖4)，根據(jù)極限平衡理論，應(yīng)用北京理正軟件設(shè)計(jì)研究院編制的《巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析軟件》，采用Sarma法進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。

3.3.1 基本假設(shè)。

(1)結(jié)構(gòu)面(滑裂面)為折線;

(2)內(nèi)部結(jié)構(gòu)面(豎向結(jié)構(gòu)面)不一定豎直;

(3)所有結(jié)構(gòu)面均服從摩爾～庫侖破壞準(zhǔn)則;

(4)安全系數(shù)的定義為結(jié)構(gòu)面上抗剪強(qiáng)度和剪應(yīng)力的比值;

(5)在臨界地震力(Kcw)的作用下，所有結(jié)構(gòu)面同時(shí)達(dá)到極限平衡狀態(tài);

(6)在極限平衡狀態(tài)下所有結(jié)構(gòu)面的安全系數(shù)相同。

(7)不考慮裂隙水作用。

第i塊滑體的受力情況及幾何模型見圖5。

圖4 復(fù)雜平面滑動(dòng)形式 圖5 第i塊滑體受力及幾何模型

3.3.2 計(jì)算單元剖分。

根據(jù)坡體形態(tài)和巖性組合、風(fēng)化程度等情況進(jìn)行計(jì)算單元剖分，縱向上可分為15段(表2)，垂向上分為8段(圖6)，與巖層層面等組合確定控制截面10個(gè)(表3)，最終將坡體剖分為5個(gè)計(jì)算單元，共有5個(gè)結(jié)構(gòu)面(表4)，其中4個(gè)為內(nèi)部結(jié)構(gòu)面(表5)。

3.3.3 基本方程。

對(duì)于每個(gè)計(jì)算單元(以不同的結(jié)構(gòu)面來劃分單元)，都滿足下面的平衡方程。

豎直方向的平衡方程:

Ni cosαi+Ti sinαi=Wi+Xi+1cosδi+1-Xi cosδi-E i+1 sinδi+1+Ei sinδi(1)

水平方向的平衡方程:

Ticosαi-Nisinαi=KcWi+Xi+1sinδi+1-Xisinδi+Ei+1cosδi+1-Eicosδi(2)

摩爾庫侖破壞準(zhǔn)則:

Ti=(Ni-ui) tg φ'i + ciLi(3)

Xi=(Ei-Pwi)tgφ'i +ci'di(4)

式中:Kc——臨界加速度系數(shù);

Wi——結(jié)構(gòu)單元i的重量(KN);

αi——單元i中結(jié)構(gòu)面的傾角(°);

Li——單元i中結(jié)構(gòu)面的長度(m);

ci——單元i中結(jié)構(gòu)面的內(nèi)聚力(KPa);

i——單元i中結(jié)構(gòu)面的內(nèi)摩擦角(°);

δi——單元i左測(cè)面和垂直面的夾角(°);

di——單元i左側(cè)面的長度(m);

ci′——單元i左側(cè)面的內(nèi)聚力(KPa);

φi——單元i左側(cè)面的內(nèi)摩擦角(°);

Ni——單元i中結(jié)構(gòu)面上的正壓力(KN);

Ti——單元i中結(jié)構(gòu)面上的剪切力(KN);

ui——單元i中結(jié)構(gòu)面上的水壓力(KPa);

Ei——單元i左側(cè)面正壓力(KN);

Xi——單元i左側(cè)面剪切力(KN);

PWi——單元i左側(cè)面上的水壓力(KPa)。

根據(jù)上面的假設(shè)條件，假設(shè)有n個(gè)單元，則有未知數(shù):n個(gè)Ni、n個(gè)Ti、(n-1)個(gè)Ei、(n-1)個(gè)Xi、1個(gè)Kc，有方程數(shù):n個(gè)方程(1)、n個(gè)方程(2)、n個(gè)方程(2)和(n-1)個(gè)方程(4)，解方程組即可求出所有的未知數(shù)。

采用Sarma法計(jì)算安全系數(shù)。消除公式(1)-(4)中的Ti、Ni、Ui、Xi、Xi+1得到:

E i+1=ai-PiKc+Eiei (5)

其中: 

KC=an+an+ en+an-2enen-1+…a1enen-1 +…e3e2pn+pn-1en+pn-2enen-1+… p1enen-1+…e3e2 (6)

ai=Qi[Wisin(φ i-αi)+Ricosφ i+Si+1sin( φi-αi-δi+1)-Sisin(φ i-αi-δi)] (7)

Qi=cosφ'i+1cos(φi-αi+φ'i+1-δi+1) (8)

Pi=WiQicos( φ i-αi) (9)

ei=Qicos(φi-αi+φi-δicosφi (10)

Ri=cibisecαi-uitg φ i(11)

i=ci'di-Pwitgφi(12)

邊界條件:φ'i=δ 1 = φ'n+1 =δn+1=0

假定安全系數(shù)為某個(gè)值K，以Ci K代替ci、tgφi K 代替tg φ i 、atgtgφK 代替φi、 C'IK代替C'I 、 tgφ'i K代替 tgφ'i、atgφ'itgφ'i K 代替 φ'i，用迭代法根據(jù)上述公式計(jì)算Kc和所有未知數(shù)(表6)。當(dāng)Kc=0時(shí)，求得無地震力作用的邊坡安全系數(shù);當(dāng)Kc=地震加速度系數(shù)(roCKh)時(shí)，求得的有地震力作用的邊坡安全系數(shù)。

3.3.4 穩(wěn)定性分析。

求得有地震力作用的邊坡安全系數(shù)為:0.914，可見坡體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，需加固整治。

4. 結(jié)論

通過自然坡度類比法、赤平投影圖解法、Sarma法三種方法對(duì)坡體穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，類比法分析開挖后坡體處于不穩(wěn)定狀態(tài);圖解法獲悉在結(jié)構(gòu)面④、⑤(云母片巖等軟弱層)及結(jié)構(gòu)面⑨、⑩、⑿、⒆的作用下，坡體穩(wěn)定性差，極易發(fā)生破壞變形;Sarma法求得坡體安全系數(shù)為0.914，三種方法分析結(jié)果均為坡體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，建議采取削坡、錨固、網(wǎng)噴、截排水等整治措施，確保坡腳公路建設(shè)和運(yùn)營安全。

參考文獻(xiàn)

[1] 常士驃，張?zhí)K民等.工程地質(zhì)手冊(cè)(第四版)[M]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社， 2006.

[2] 郜玉蘭、周永昌等，《山西大運(yùn)高速公路雁門關(guān)段隧道及高邊坡地質(zhì)工程病害處治應(yīng)用技術(shù)研究》，[M].北京:地質(zhì)出版社，2005。

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[文章編號(hào)]1619-2737(2010)05-04-096

[作者簡(jiǎn)介]秦瑞萍(1971-)，山西省陽泉市盂縣人，1989年畢業(yè)于鄭州地質(zhì)學(xué)校水工專業(yè)，2007年完成中國地質(zhì)大學(xué)(北京)資源勘察專業(yè)(本科)學(xué)業(yè)，工程師，一直從事水文、工程、環(huán)境地質(zhì)工作。