某山區(qū)公路巖質(zhì)岸坡變形破壞模式及自穩(wěn)性分析

李文強(qiáng)，孫雅潔，李宏濤

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院)

該山區(qū)公路位于湖北省境內(nèi)，北起巴東縣南接鶴峰縣，是一條重要二級(jí)公路，也是恩施州東北部地區(qū)重要的經(jīng)濟(jì)聯(lián)絡(luò)線。研究區(qū)邊坡屬于該二級(jí)公路沿線15 個(gè)重大地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)之一。該段邊坡緊鄰公路，邊坡高陡，發(fā)育多組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面，巖體表層較為破碎，嚴(yán)重威脅到公路和行車安全，為防止邊坡地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，需對(duì)該邊坡巖體物理參數(shù)及結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行深入細(xì)致的分析，判定其可能的變形破壞模式，據(jù)此對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行科學(xué)的評(píng)價(jià)，以確定邊坡主要病害，并提出針對(duì)性的防護(hù)措施建議。因此，研究工程區(qū)邊坡的變形破壞模式和穩(wěn)定性具有重要的工程意義。

1 工程地質(zhì)背景

1.1 地形地貌

工程區(qū)屬于侵蝕構(gòu)造低中山區(qū)，NNE 向延伸的褶皺線形山體，山頂最高海拔約1 051 m，與其下部河流相對(duì)高差約288 m。該段公路走向283°～314°，坡向13°～44°，邊坡最大坡高約50 m，平均坡高45 m。公路距下部河面高差約60～70 m，該段河谷走向160°～180°，與區(qū)域構(gòu)造線方向近垂直，河流不斷侵蝕下切形成深“V”型峽谷地貌，邊坡陡峻。

1.2 地層巖性

該段地層巖性為三疊系下統(tǒng)嘉陵江組三段(T1j3)，赤褐、灰褐色薄層～極薄層灰?guī)r，頂部發(fā)育灰白色中厚層微晶白云巖。邊坡表層巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，風(fēng)化破碎，其中尤以極薄層灰?guī)r遭受風(fēng)化作用更強(qiáng)烈，表部往往形成灰白、灰黃色鈣質(zhì)結(jié)核和灰黑色鐵錳質(zhì)薄膜。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

邊坡位于鶴峰向斜核部，巖體受擠壓作用較為明顯，在褶皺彎滑作用下，巖體層間錯(cuò)動(dòng)形成的旋轉(zhuǎn)剪節(jié)理和環(huán)狀剪節(jié)理，局部沿貫通的節(jié)理面錯(cuò)動(dòng)形成伴生小斷層，在極薄層灰?guī)r中，巖體具有一定的韌性，發(fā)生層間差異性滑動(dòng)易形成從屬小褶皺。

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，工程區(qū)邊坡共發(fā)育四組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀如下:層面:130°～145° ＜45°～60°，節(jié)理j1:55°～60°＜80°～84°，節(jié)理j2:202°～230° ＜55°～70°，節(jié)理j3:295°～300° ＜35°～40°，卸荷裂隙隨機(jī)發(fā)育，主要沿原生節(jié)理j3 擴(kuò)展，其中節(jié)理j1、j3為共軛剪節(jié)理。

2 邊坡基本特征

2.1 邊坡結(jié)構(gòu)特征

該段邊坡走向283°～314°，坡向13°～44°，巖層產(chǎn)狀整體上為130°～142° ＜45°～60°，主要為橫～切向坡。根據(jù)巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)判斷簡(jiǎn)表(表1)可初步判斷該段邊坡整體穩(wěn)定性為較好，不易產(chǎn)生邊坡整體性失穩(wěn)破壞，但由于受多組結(jié)構(gòu)面切割，邊坡局部巖體穩(wěn)定性較差。見表1。

表1 巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)判斷簡(jiǎn)表

2.2 邊坡變形破壞特征

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，該段邊坡主要存在兩種變形破壞特征，分別如下:

(1)危石、巖塊墜落、滑落

該段邊坡高陡，墜落(碎落)為巖體表層松動(dòng)卸荷帶和危石(群)主要的破壞方式。其特征均為下部臨空，受不利結(jié)構(gòu)面組合切割，沿卸荷裂隙或中傾坡外節(jié)理，剪斷鎖固段，從而失穩(wěn)破壞。

巖體表層松動(dòng)卸荷帶，為該段邊坡的主要病害類型之一，松動(dòng)卸荷帶的巖體受陡傾坡外的節(jié)理j1和中傾坡外的節(jié)理j3或中陡傾坡外的卸荷裂隙的密集切割，呈層狀碎裂結(jié)構(gòu)，為地下水提供了流通和賦存的空間，加速了表體巖體礦物的風(fēng)化和結(jié)構(gòu)面的擴(kuò)展、貫通，局部巖體極易沿貫通的結(jié)構(gòu)面失穩(wěn)破壞。而表層被切割形成的片狀塊體(圖4)，極易發(fā)生碎落破壞。表層巖塊失穩(wěn)崩落后，使內(nèi)部巖體暴露，往往又加速其風(fēng)化過程，這是該段松動(dòng)卸荷帶的特征之一。

(2)彎曲—拉裂變形破壞

由于坡腳修路開挖，邊坡表部應(yīng)力重分布，在邊坡淺表層發(fā)生卸荷回彈變形。特別是沿中傾坡外節(jié)理產(chǎn)生的差異卸荷回彈變形比較明顯，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面的剪切應(yīng)力集中，剪應(yīng)變?cè)龃蟆Ｍ瑫r(shí)，卸荷變形使得淺表部巖體沿陡傾坡外的節(jié)理產(chǎn)生拉張破裂，且由于前緣修路開挖坡率較高，巖體下部臨空，板梁彎曲形成彎曲－拉裂變形。隨著彎曲變形的進(jìn)一步發(fā)展，緩傾坡外的結(jié)構(gòu)面向深部擴(kuò)展，并產(chǎn)生新的表生結(jié)構(gòu)面，為地下水入滲提供了良好的通道，使得結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度進(jìn)一步降低。在自重應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下，巖體彎曲—拉裂變形加強(qiáng)，結(jié)構(gòu)面逐漸連通，板梁根部剪斷，進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)榛疲训膹?fù)合變形模式。最終，當(dāng)在暴雨、振動(dòng)荷載等外因誘發(fā)下，鎖固段剪斷，變形體與母巖脫離，沿貫通的結(jié)構(gòu)面進(jìn)而發(fā)生整體滑移式破壞。

此彎曲—拉裂變形體被結(jié)構(gòu)面切割成規(guī)模不等的塊體，形成危巖體、危石(群)，甚至個(gè)別塊體前緣臨空，處于極限平衡狀態(tài)，極易失穩(wěn)崩落。

3 邊坡變形破壞模式分析

(1)與變形失穩(wěn)機(jī)理相結(jié)合;(2)與防治措施相對(duì)應(yīng)。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查主要是查明潛在危巖體的具體位置，幾何特征、結(jié)構(gòu)特征及邊界條件等形態(tài)參數(shù)。因此，最可行的分類方式應(yīng)該是根據(jù)幾何特征、巖體結(jié)構(gòu)特征、臨空條件、邊界結(jié)構(gòu)面特別是后緣主控結(jié)構(gòu)面方位、組合關(guān)系和特性的危巖體結(jié)構(gòu)狀態(tài)分類。在結(jié)構(gòu)狀態(tài)分類體系下，危巖體的類型一旦確定，其可能的變形失穩(wěn)機(jī)理也就基本確定了，進(jìn)而也就可以很方便的為危巖體的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和防治提供可靠的依據(jù)。

根據(jù)危巖體巖性組合情況及已有的破壞現(xiàn)象，結(jié)合其他不利結(jié)構(gòu)面的組合情況，并考慮到坡面上的巖體松動(dòng)情況和破壞特征，經(jīng)綜合分析，初步判斷該邊坡的變形破壞模式為滑移式和傾倒式。

滑移式:陡傾坡外巖層在強(qiáng)烈卸荷過程中，層面被拉開，產(chǎn)生張拉裂縫，后期的重力及漸進(jìn)性風(fēng)化作用促使裂縫擴(kuò)張，巖體松馳，巖體力學(xué)性質(zhì)降低，成為潛在滑面。當(dāng)滑移面向臨空方向傾角足以使上覆巖體的下滑力超過該結(jié)構(gòu)面的實(shí)際抗滑力時(shí)，后緣拉裂面貫通，迅速滑落。其發(fā)育條件為:①縱向谷，順層坡，前緣有臨空面;②危巖體后緣主控結(jié)構(gòu)面中—緩傾坡外。

傾倒式:危巖體是指后緣存在陡傾或反傾結(jié)構(gòu)面的板狀巖體，陡傾或反傾結(jié)構(gòu)面有一定的張開，形成的不穩(wěn)定或欠穩(wěn)定的巖體。

這種類型危巖體主要出現(xiàn)在臨空面陡峻，甚至呈反坡狀，巖層呈直立狀，層厚較薄或者陡傾坡內(nèi)、坡外結(jié)構(gòu)面非常發(fā)育的部位。

伴隨強(qiáng)烈的卸荷作用，后緣陡傾結(jié)構(gòu)面張開，在自重、水壓力和震動(dòng)荷載等作用下，巖體向臨空方向發(fā)生較強(qiáng)烈的傾倒變形，直至失穩(wěn)，完全脫離母巖，造成危巖體災(zāi)害。

4 邊坡穩(wěn)定性分析

(1)定性評(píng)價(jià)

通過野外調(diào)查，并結(jié)合危巖體的幾何特征、誘因、變形破壞形式等對(duì)危巖進(jìn)行穩(wěn)定性初步分析，詳見表2 所示。其中，WY1，受不利結(jié)構(gòu)面組合切割處于半切割狀，然而后壁與母巖未完全貫通，穩(wěn)定性為較差;而WY2 被結(jié)構(gòu)面半切割的危巖，且下部臨空，板梁根部易拉裂貫通而失穩(wěn)破壞，故穩(wěn)定性為差。見表2。

(2)定量計(jì)算

采用靜力學(xué)解析法，建立在塑性極限平衡概念基礎(chǔ)上，以庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行靜定問題求解，對(duì)于超靜定問題則采用假定法消去多余的未知數(shù)使之轉(zhuǎn)化為靜定問題。針對(duì)已有界面，進(jìn)行整體力矩平衡或力的平衡計(jì)算，以其比值作為穩(wěn)定性系數(shù)來表示其穩(wěn)定性，結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 危巖體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

由表2 和表3 可知，定性與定量評(píng)價(jià)的結(jié)果基本一致，綜合判定危巖體WY1 穩(wěn)定性為較差，WY2 為差。建議對(duì)局部表層破碎巖體進(jìn)行清除，并掛主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)。

5 結(jié) 論

(1)通過調(diào)查分析，工程區(qū)地質(zhì)環(huán)境背景有利于地質(zhì)災(zāi)害的孕育和發(fā)育，根據(jù)邊坡結(jié)構(gòu)類型、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等工程地質(zhì)條件，該段邊坡不具備發(fā)生大規(guī)模整體變形破壞的條件，研究區(qū)邊坡主要發(fā)育兩處危巖體，方量不大，其中WY1 變形破壞模式主要為滑移式，WY2 為傾倒式。

(2)采用工程地質(zhì)分析法和靜力學(xué)解析法綜合進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，得出WY1 穩(wěn)定性為較差，WY2 為差，嚴(yán)重威脅到道路和行車安全，應(yīng)當(dāng)及時(shí)采取治理措施，建議采用掛主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)+局部清除的治理措施。

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