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某高速公路軟質(zhì)巖高邊坡穩(wěn)定性分析
【摘 要】 為了確保高速公路的安全，采取經(jīng)濟(jì)有效的加固防護(hù)工程措施和正確進(jìn)行高邊坡穩(wěn)定性分析是高邊坡設(shè)計(jì)的兩個(gè)重要方面。本文闡述影響邊坡穩(wěn)定性的因素，結(jié)合某山區(qū)高速公路路塹高邊坡工程實(shí)例，對(duì)該邊坡原有防治措施及施工過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，為類(lèi)似的工程提供一定的設(shè)計(jì)和施工借鑒經(jīng)驗(yàn)。
【關(guān)鍵詞】 高邊坡 軟質(zhì)巖 穩(wěn)定性
隨著我國(guó)高速公路建設(shè)的發(fā)展，高速公路逐漸向山區(qū)發(fā)展。在山區(qū)高速公路工程建設(shè)過(guò)程中，作為連續(xù)帶狀建筑物，高速公路將不可避免地會(huì)完整穿越或部分穿越山體。其中部分穿越山體的路段需要對(duì)山體進(jìn)行開(kāi)挖，開(kāi)挖后將形成高陡邊坡，致使山體邊坡應(yīng)力重分布。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，高陡路塹邊坡可能會(huì)出現(xiàn)變形破壞，如滑動(dòng)、邊坡崩塌等，這將增大公路建設(shè)的工程總投資，甚至延誤施工進(jìn)度及工期，并影響日后運(yùn)營(yíng)安全。因此，對(duì)深挖路塹邊坡的穩(wěn)定性及防治措施的效果進(jìn)行分析評(píng)價(jià)就有著非常重要的意義。本文以某高速公路軟質(zhì)巖高邊坡為例，對(duì)軟質(zhì)巖深挖路塹的穩(wěn)定性及防治措施進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，希望對(duì)類(lèi)似的工程能夠提供一定的借鑒經(jīng)驗(yàn)。
1 影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素
一個(gè)邊坡的失穩(wěn)往往是多種因素共同作用的結(jié)果，我們通常將導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的這些因素歸結(jié)為兩大類(lèi)。一是外界力的作用破壞了巖土體原來(lái)的應(yīng)力平衡狀態(tài)，如路塹或基坑開(kāi)挖、路堤填筑或邊坡頂面上作用外荷載，以及巖土體內(nèi)水的滲流力、地震力的作用等，改變?cè)袘?yīng)力平衡狀態(tài)，使邊坡坍塌；另一是邊坡巖土體的抗剪強(qiáng)度由于受外界各種因素的影響而降低，促使邊坡失穩(wěn)破壞，如氣候等自然條件使巖土?xí)r干時(shí)濕、收縮膨脹、凍結(jié)融化等，水的滲入、軟化效應(yīng)、地震引起砂土液化等均將造成強(qiáng)度降低。
邊坡是否穩(wěn)定受多種因素[1-3]的影響，主要有：
（1）巖土性質(zhì)。巖土的成因類(lèi)型、組成的礦物成分、巖土結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度等是決定邊坡穩(wěn)定性的重要因素。由（密實(shí)）堅(jiān)硬、礦物穩(wěn)定、抗風(fēng)化性好、強(qiáng)度較高的巖土構(gòu)成的邊坡，其穩(wěn)定性一般較好；反之就較差。
（2）巖體結(jié)構(gòu)。巖體的結(jié)構(gòu)類(lèi)型、結(jié)構(gòu)面形狀及其與坡面的關(guān)系是巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定的控制因素。巖層的構(gòu)造與結(jié)構(gòu)的影響，表現(xiàn)在節(jié)理裂隙的發(fā)育程度及其分布規(guī)律、結(jié)構(gòu)面的膠結(jié)情況、軟弱面和破碎帶的分布與邊坡的關(guān)系、下伏巖土界面的形態(tài)以及坡向、坡角等。
（3）水的作用。水文地質(zhì)條件的影響，包括地下水的埋藏條件、地下水的流動(dòng)及動(dòng)態(tài)變化等；水的滲入使巖土體質(zhì)量增大，巖土因被軟化而抗剪強(qiáng)度降低，并使孔（隙）水壓力升高；地下水的滲流將對(duì)巖土體產(chǎn)生動(dòng)水力，水位的升高將產(chǎn)生浮托力；地表水對(duì)岸坡的侵蝕使其失去側(cè)向或底部支撐等，這些都對(duì)邊坡的穩(wěn)定不利。暴雨、長(zhǎng)期降雨以及融雪過(guò)后，邊坡巖土體含水量增加甚至飽和，致使邊坡巖土體強(qiáng)度降低，坡體下滑力增大，滑動(dòng)面的抗滑力減小，從而導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。
（4）風(fēng)化作用。風(fēng)化作用使巖土體的裂隙增多、擴(kuò)大，透水性增加，抗剪強(qiáng)度降低。風(fēng)化作用的影響，氣候引起巖土風(fēng)化速度、風(fēng)化厚度以及巖石的機(jī)械、化學(xué)變化，同時(shí)引起地下水（降水）作用的變化。
（5）地形地貌。臨空面的存在以及邊坡的而高度、坡度等都是直接與邊坡穩(wěn)定有關(guān)的因素。平面上呈凹形的邊坡較呈凸形的穩(wěn)定。如邊坡的高度、坡度和形態(tài)等；
（6）地震。地震作用除了使巖土體增加下滑力外，還常常引起孔隙水壓力的增加和巖土體的強(qiáng)度的降低；另外，人類(lèi)活動(dòng)的開(kāi)挖、填筑和堆載等人為因素同樣可能造成邊坡的失穩(wěn)。
2 工程實(shí)例
某山區(qū)高速公路ZK24+860～ZK25+080段左側(cè)中風(fēng)化砂巖挖方邊坡長(zhǎng)220m，最大挖方高度約53m。
2.1 地質(zhì)構(gòu)造
擬建道路ZK24+850～ZK25+100段左側(cè)挖方邊坡巖層呈單斜狀產(chǎn)出，巖層產(chǎn)狀210°∠35°。經(jīng)對(duì)巖體露頭進(jìn)行裂隙調(diào)查統(tǒng)計(jì)，主要發(fā)育兩組構(gòu)造裂隙：
（1）組裂隙，產(chǎn)狀為221°∠58°，微張～閉合，裂面附鐵質(zhì)膜，延伸大于1.1～2m，間距為0.30～1.00m；
（2）組裂隙，產(chǎn)狀為95°∠52°，微張～閉合，無(wú)充填，延伸1.00～1.50m，間距為0.50～1.10m。
2.2 地層巖性
勘察區(qū)主要地層為第四系全新統(tǒng)殘坡積層（Q4el+dl）的粘土。下伏基巖為三疊系中統(tǒng)百逢組（T2b）砂巖。現(xiàn)由新至老，從上到下分述：
（1）粘土：褐色，可塑狀，主要由粘土夾碎石組成，碎石粒徑10～50mm，含量約占20%，稍密，稍濕。
（2）三疊系中統(tǒng)百逢組（T2b）砂巖。
砂巖：灰綠色～灰色，細(xì)～中粒結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造。主要礦物為長(zhǎng)石等，泥質(zhì)膠結(jié)，巖體較完整，巖芯呈碎塊狀，屬軟巖。
3 邊坡穩(wěn)定性分析
線路左側(cè)的邊坡為挖方邊坡，最大挖方高度為53m，邊坡的穩(wěn)定性分析如下：
由赤平投影圖分析（詳見(jiàn)圖1），線路走向202°左右，與巖層傾向（210°）大角度相交，為切向坡，無(wú)外傾結(jié)構(gòu)面，邊坡的穩(wěn)定性受巖體強(qiáng)度的控制。
考慮到該段邊坡以上的實(shí)際情況，對(duì)邊坡采用加設(shè)錨桿、錨索框架梁加固，并對(duì)加固后的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，為了簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，容重飽和狀態(tài)下取23kN/m3。采用圓弧滑動(dòng)、折線滑動(dòng)和層面滑動(dòng)穩(wěn)定分析方法，滑動(dòng)面參數(shù)的驗(yàn)算安全系數(shù)正常工況時(shí)取1.25，考慮地震的工況II時(shí)取1.1，據(jù)此對(duì)放緩坡率后的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，經(jīng)驗(yàn)算，加固后的邊坡均能滿(mǎn)足邊坡整體穩(wěn)定性的要求。
4 施工中出現(xiàn)的問(wèn)題
4.1 問(wèn)題描述
在施工過(guò)程中，該段邊坡整體穩(wěn)定性較好，沒(méi)有出現(xiàn)整體滑塌的情況或趨勢(shì)，但邊坡局部出現(xiàn)多次塌方的情況：第一次塌方，邊坡已開(kāi)挖至第二級(jí)邊坡，邊坡加固也同邊坡開(kāi)挖一起進(jìn)行施做，塌方段落沿第三級(jí)平臺(tái)往下垮塌，已施做的錨索框架梁下出現(xiàn)脫空的現(xiàn)象；第二次塌方，在第一次塌方還未治理完時(shí)，經(jīng)歷了一場(chǎng)大雨之后，該部位再次發(fā)生塌方，段落內(nèi)沿第三級(jí)平臺(tái)往下全部垮塌，已施工的錨索框架梁也因下部掏空而斷裂破壞。 分析該段邊坡塌方的原因，均與降雨有關(guān)，每次塌方均發(fā)生在降雨的時(shí)候。
4.2 問(wèn)題分析
在影響邊坡穩(wěn)定的諸多因素中，水對(duì)邊坡的影響也是一個(gè)極其重要的因素，但往往會(huì)被人們淡化，甚至被忽略。水對(duì)邊坡的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面[4]：
（1）地下水影響。地下水是影響邊坡穩(wěn)定的一個(gè)重要因素，通常與大氣降水、地面徑流密切相關(guān)。它的作用是在巖體裂隙中產(chǎn)生靜水壓力和動(dòng)水壓力，減小摩擦力和增加巖體的下滑力。此外，地下水沿巖體結(jié)構(gòu)面長(zhǎng)期滲流，對(duì)于結(jié)構(gòu)面的泥質(zhì)物起到軟化作用，降低巖體強(qiáng)度。
減少地下水影響的常用措施：用截水溝攔截大氣降水的地表徑流，用排水溝疏導(dǎo)地表水，用疏水廊道引排地面水流或在邊坡表面打水平鉆孔排泄邊坡內(nèi)部的積水等。
（2）降雨對(duì)邊坡的影響[4]。對(duì)邊坡而言，降雨的不利作用主要表現(xiàn)在降低巖體強(qiáng)度、抬高地下水位和加大邊坡內(nèi)孔隙水壓力三個(gè)方面。
對(duì)于巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)，起控制作用的是巖體結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度。水的介入對(duì)硬質(zhì)結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度并無(wú)多大影響，主要影響軟弱結(jié)構(gòu)面。軟弱結(jié)構(gòu)面遇水后，充填的軟弱物進(jìn)一步軟化，其抗剪強(qiáng)度則顯著降低，從而導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。在強(qiáng)風(fēng)化帶和軟弱巖層區(qū)，災(zāi)害性滑坡常常發(fā)生。
一次降雨量使山體地下水位升高的幅度與水文地質(zhì)條件有密切關(guān)系。在有些條件下，地下水位能大幅度升高，而在另一些條件下，水位升高可能極為有限。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)巖體不是特別厚，山坡較緩且地下水位在弱風(fēng)化層以上時(shí)，由于巖體孔隙率大，水位上升需要更多水分供給，同樣的降雨條件，水位上升幅度小。同時(shí)由于裂隙發(fā)育，巖質(zhì)破碎滲透系數(shù)大，水位升高后很容易排走。
降雨使得地下水位上升，使邊坡內(nèi)孔隙水壓力加大。強(qiáng)度超過(guò)入滲率的降雨歷時(shí)越長(zhǎng)，孔隙壓力也越大。雖然這一孔隙壓力是暫態(tài)的，降雨停止后能以較快的速度消散，但如果量值較大，則對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響不容忽視。
該段邊坡出現(xiàn)的兩次局部塌方均與降水有關(guān)，兩次塌方均發(fā)生在降雨的過(guò)程中。
5 結(jié)語(yǔ)
（1）高速公路挖方路塹邊坡防護(hù)中，在保證邊坡整體的穩(wěn)定性的前提下，邊坡的局部穩(wěn)定性也必須予以重視；（2）水對(duì)邊坡的影響是至關(guān)重要的，設(shè)計(jì)時(shí)，必須要充分考慮降水、地下水等水體對(duì)邊坡可能造成的破壞，并提出相應(yīng)的防治措施；（3）施工人員應(yīng)結(jié)合設(shè)計(jì)文件，并根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的具體情況，及時(shí)作出應(yīng)對(duì)措施，認(rèn)真、及時(shí)地施做各種防排水設(shè)施，使地表、地下水及降水盡快的排出坡體，以減少水對(duì)坡體的破壞作用，保證邊坡的穩(wěn)定；（4）在地下水或雨水豐富的區(qū)域，路塹邊坡的防、排水設(shè)施必須與邊坡同步施工。
參考文獻(xiàn)：
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