層狀巖體順層滑動邊坡破壞機制及錨固機制的研究

林 森，代樹林

(吉林大學 建設工程學院，長春 130026)

順層巖體邊坡是指斜坡傾斜方向與巖層傾向一致的邊坡。1995年，蔣爵光等對國內(nèi)12條鐵路干線的巖石邊坡進行了詳細的調查統(tǒng)計后指出:巖石滑坡比較常見的類型為層狀結構巖體的順層滑動邊坡。凡是順層邊坡地段，不論邊坡坡度陡緩，只要邊坡坡度大于巖層傾角，而巖層傾角大于15°的情況下，幾乎都發(fā)生了順層滑塌或順層滑動的破壞現(xiàn)象。層狀邊坡順層滑動是一種常見的地質災害，多年來一直困擾著巖土、地質和工程界。據(jù)統(tǒng)計，其災害損失僅次于地震[1－4]。

1 層狀巖體順層滑動邊坡破壞機制

1.1 層狀巖體順層滑動邊坡破壞機制

不管是天然同傾向邊坡，或是人工開挖形成的同傾向邊坡，當坡面或斜面的坡度大于地層的傾角，則地層的層面或不連續(xù)面會出露在坡面上，而且呈現(xiàn)水平的狀態(tài)，在這種露層的狀況下，很容易發(fā)生順層滑動。對于同傾向層狀巖質邊坡，由于其不連續(xù)面(軟弱結構面)為一連續(xù)的平面，且該類平面在坡體內(nèi)有多個同時存在，所以尤其容易發(fā)生順層滑動破壞。層狀邊坡發(fā)生滑移破壞時，主要是受自重及其它荷載作用而引起順層滑移，變形破壞多是沿層間弱面的相對剪切滑移，且一般主滑帶與巖層的產(chǎn)狀基本一致。其變形破壞是坡體經(jīng)歷頂部拉張—順層滑動—底部剪出三個階段。要發(fā)生順層滑動必須符合三個基本條件:第一是山坡地必須是同傾向邊坡;第二是地層或不連續(xù)面的傾角要小于斜坡的坡角(即坡度);第三是地層或不連續(xù)面的傾角要大于潛在滑動面的內(nèi)摩擦角。因此，同傾向層狀邊坡在河流、水庫或湖泊的沖刷作用下，或者人工開挖坡腳的影響下，在適當?shù)那闆r下，可能會發(fā)生順向滑動[5]。

1.2 層狀巖體邊坡的破壞模式分類

1.2.1 中等緩傾角巖質邊坡

該類邊坡坡面傾向與巖層傾向夾角≤30°，巖層傾角<45°。巖質邊坡開挖坡角一般均 >45°，對于這類邊坡的巖層傾角，軟弱層面在前沿處于臨空狀態(tài)。這類邊坡的主要變形破壞模式為滑移—拉裂型。當巖層傾角低于10°且存在下伏軟弱層時，有可能產(chǎn)生滑移—壓致拉裂型、塑流—拉裂型破壞。

1.2.2 中等陡傾角巖質邊坡

該類邊坡坡面傾向與巖層傾向夾角≤30°，巖層傾角≥45°。這類邊坡巖層傾角 >45°，公路邊坡開挖一般不會導致前沿臨空，不具備產(chǎn)生滑移—拉裂型變形破壞的基本地質條件。其可能的變形破壞方式主要有以下幾種形式:

1)滑移—彎曲型 邊坡前沿的軟弱層面深埋于坡體之內(nèi)，大部分抗力體不受卸荷影響，巖體較完整，抵抗變形破壞能力相對較強。當邊坡高度足夠大時，在強大的自重應力作用下，邊坡巖體仍有向下滑動的趨勢，前沿受阻彎曲過程中產(chǎn)生一組共扼剖面 X節(jié)理，一旦緩傾坡內(nèi)的X節(jié)理與層面和后緣拉裂面貫通就將產(chǎn)生滑移—彎曲型滑坡。

2)蠕滑—拉裂型 雖然邊坡前沿軟弱層面未暴露地表，但離地表較近，作為抗力體的較堅硬巖體位于強卸荷帶中。當邊坡高度足夠大時，在自重應力作用下，邊坡前沿追蹤層面和卸荷裂隙產(chǎn)生蠕動變形，一旦與層面和后緣拉裂面貫通就可能產(chǎn)生蠕滑—拉裂型滑坡。

3)彎曲—拉裂型 當巖層傾角高于75°時，若邊坡坡角也>75°，易產(chǎn)生彎曲—拉裂型變形破壞。事實上，75°坡角幾乎是巖質邊坡設計的上限坡比，所以這種模式出現(xiàn)的可能性較小[5]。

1.3 層狀巖體順層滑動邊坡失穩(wěn)判據(jù)

1.3.1 巖層傾角<45°

邊坡的穩(wěn)定性取決于抗滑力(F)與下滑力(S)之比，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)K按下式求得:

當開挖邊坡高度介于20～40 m之間，高度為60～90 m之間時，對于這類潛在滑移面平直且長度不大的情況，抗滑力主要來源于摩擦阻力，內(nèi)聚力可忽略不計。上式可表達為:

顯然，可以根據(jù)層面內(nèi)摩擦角與層面傾角比較，很方便地判斷該類巖質邊坡的穩(wěn)定狀況。

1.3.2 巖層傾角≥45°

巖層傾角介于45°～75°之間時，設計坡比基本遵循巖層傾角。故施工開挖不會導致前沿軟弱結構面臨空，主要變形破壞模式為滑移—彎曲型，邊坡穩(wěn)定狀況與巖性和坡高密切相關。

巖層傾角>75°時，邊坡易產(chǎn)生彎曲拉裂變形，穩(wěn)定性相對較差。但75°坡角接近巖質邊坡設計坡比上限(1∶0.25)，只要按規(guī)程規(guī)范確定標準斷面，就可避免產(chǎn)生彎曲拉裂變形。

2 錨桿加固機理及最優(yōu)錨固角的選擇

綜上所述，層狀巖體順層滑動邊坡在實施開挖的同時，應該做好加固支擋措施。同順層巖質邊坡加固中常用的大截面抗滑樁相比，錨桿加固具有造價低、經(jīng)濟性好，適應性強，并且其靈活的布置形式特別適用于不同角度順層滑動邊坡的加固。

2.1 層狀邊坡順層滑動巖體中錨桿加固機理

在層狀巖體順層滑動邊坡中，錨桿的安設部位、傾角為抵抗邊坡順層滑動最有利的方向，一般錨桿軸線應當與巖石主結構面或潛在的滑移面呈大角度相交，如圖1所示。同時，錨桿的設置區(qū)域及方位還應充分考慮軟弱結構面的產(chǎn)狀、分布情況及可能發(fā)生的破壞模式?？煞稚⒕鶆虿贾?，也可集中布置，但錨桿應穿過軟弱層面一定深度。

圖1中(a)(b)順層邊坡每一層層面及層間充填特征基本相同，整個邊坡均勻布置錨桿對所有層面進行加固，可避免邊坡沿未加固層面發(fā)生順層滑動。圖1中(c)(d)順層邊坡有確定的軟弱層面，可針對該軟弱層面進行重點加固。(c)圖中錨桿集中布置在軟弱層面出露的部位，(d)圖錨桿垂直軟弱層面布置，按抗剪錨桿設計。

對巖體而言，錨桿支護起懸吊、組合梁和擠壓加固的作用。在層狀邊坡順層滑動中，錨桿主要起組合梁的作用，如圖1中(c)(d)所示。

圖1 錨桿加固順層邊坡布置

對于錨桿的組合梁作用:當巖體所含軟弱結構面主要為層理或片理，且?guī)r層的產(chǎn)狀與巖體坡面相近，結構面間c、φ中值較小，極易發(fā)生順層滑移。使用錨桿加固時，將錨桿與軟弱結構面近似垂直方向布置，錨桿的加固大大提高了層理或片理間的抗剪切強度，錨桿起到組合梁中鉚釘?shù)淖饔?。在這種情況下，錨桿的加固作用是非常明顯的。關于錨桿加固對巖體力學性質的改善，參見經(jīng)驗關系式

式中，c0，φ0，c1，φ1分別為原巖體及錨固巖體的黏聚力和內(nèi)摩擦角;τ，S分別為錨桿材料的抗剪強度及橫截面積;a，b為錨桿的縱、橫向間距;η為綜合經(jīng)驗系數(shù)，可取2～5。

2.2 最優(yōu)錨固角的選擇

錨桿布置方向在邊坡錨固工程設計中，是個十分重要的問題。正確選取這一參數(shù)對錨桿錨固系統(tǒng)結構的受力狀況、錨固長短和施工難易等都有重要影響。經(jīng)過大量論證得知最有效的布置方向為逆滑動方向布置。但由于受滑動體的邊界條件、施工條件等限制，只能以一定的角度去布置，所以必須經(jīng)過綜合比較，選擇最優(yōu)的錨固方向，以達到最有效的加固效果[6]。

圖2中α為錨桿同滑動面的夾角，β為錨桿同水平面的夾角，θ為滑動面的傾角，它們有如下關系

由錨桿提供的抗力為

圖2 最優(yōu)錨固角

式中:φ為滑動面上的內(nèi)摩擦角。

當α=φ時，可得最大抗滑力為 P抗max=P/cosα，但此時錨桿最長，不經(jīng)濟。綜合比較后，當α優(yōu)=45°+φ/2時，得到最優(yōu)的錨固角度，因此最優(yōu)的錨固角為:

因此，得出最優(yōu)的錨固角為 θ±(45°+φ/2)。但有些時候，受到施工條件和結構本身的限制，不可能按最優(yōu)錨固角進行布置，此時可對錨固角進行適當調整，但必須保證提供較好的錨固效果。另外，當錨固傾角在－10°～+10°范圍時，注漿材料硬化時產(chǎn)生的殘余漿渣及注漿料的泛漿將會影響錨桿的承載力，應予以避開。

3 錨桿加固受力分析

假定錨桿力T以β角穿過軟弱層面，巖層傾角θ，邊坡坡角α(圖3)，則加固后順層邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為

式中，c、φ為巖層層間的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角;θ、l為層面的傾角和長度;G為巖體自重;T為錨桿拉力。

式(7)表明錨桿的作用:一是減小了下滑力 T sinβ;二是增加了層面上的法向力T cosβ?？梢酝ㄟ^設置錨桿來提高順層邊坡的穩(wěn)定性。

根據(jù)式(7)，錨桿提供的錨固力可按式(8)計算

圖3 錨桿加固順層邊坡受力分析

當不考慮水壓力作用時，錨桿提供的錨固力為

對于非預應力錨桿，錨桿為被動受力，不宜考慮錨桿在層面上產(chǎn)生的法向阻力Tcosβtanφ，錨桿加固后順層邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為

當錨桿垂直于層面布置時，對于預應力錨桿，其作用主要是，通過所施加的預應力，在層面上產(chǎn)生法向阻力，同時錨桿具有一定的抗剪能力;對于非預應力錨桿，其作用主要是錨桿自身強度所提供的抗剪力。此時剪力錨桿提供的抗剪力為

式中，Ag為剪力錨桿鋼筋截面面積，[τg]為錨桿鋼筋容許剪應力。剪力錨桿加固后順層邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為

4 結論

本文通過對層狀巖體順層滑動邊坡破壞機制的理論分析研究，總結出其變形破壞是坡體經(jīng)歷頂部拉張—順層滑動—底部剪出三個階段。并按傾角對破壞模式進行分類?？偨Y出實際工程治理中最適宜采用錨桿加固的治理方法，并對其錨固機理進行研究，得出層狀巖體順層滑動邊坡的最優(yōu)錨固角為 θ±(45°+φ/2)。通過對錨桿加固的力學分析得出加固后順層邊坡的穩(wěn)定系數(shù)K以及錨桿錨固力T在預應力和非預應力錨桿以及有無水作用情況下的計算公式。

[1]崔政權，李寧.邊坡工程-理論與實踐最新發(fā)展[M].北京:中國水利水電出版社，1999.

[2]蔣爵光.鐵路巖石邊坡[M].北京:中國鐵道出版社，1997.[3]蔡美峰.巖石力學與工程[M].北京:科學出版社，2002.

[4]曾憲明，林潤德，易平邊.基坑與邊坡事故警示錄[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1999.

[5]張倬元，王士天，王蘭生.工程地質分析原理[M].北京:地質出版社，1994.

[6]程良奎，范景倫，韓軍，等.巖土錨固[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2001.