西南地區(qū)某大橋岸坡穩(wěn)定性研究

曹集士，尹燕萍，秦 龍

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司)

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西南地區(qū)某大橋岸坡穩(wěn)定性研究

曹集士，尹燕萍，秦 龍

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司)

通過對(duì)西南地區(qū)某大橋岸坡坡體的地質(zhì)情況進(jìn)行分析，得出其主要特征為地形坡度較大、坡高較高和坡體物質(zhì)以粘土為主及坡體底部的古溶洞的存在，通過數(shù)值模擬研究這些因素對(duì)該大橋岸坡穩(wěn)定性的影響，對(duì)西南地區(qū)巖溶區(qū)修建公路或鐵路橋梁的岸坡穩(wěn)定問題具有一定的指導(dǎo)意義。

岸坡；巖性特征；地形地貌；破壞機(jī)理；巖溶

1 該邊坡邊坡特征

1.1 地形地貌

該岸坡位于貴州北部高山河谷的畢節(jié)縣內(nèi)，周圍環(huán)境以中低山地貌為主，山坡相對(duì)高差較大約為300～600 m，最大高程可達(dá)1 000 m，坡度較陡，一般約為30°，且呈現(xiàn)小的平緩?fù)蛊旅鏍畹纳狡隆?/p>

坡體周圍受季節(jié)性降水尤其以雨水沖刷為主使得槽、溝谷較為發(fā)育，沖溝多沿砂巖與灰?guī)r接觸帶分布。坡體長約256 m，均寬約76 m，平均厚約35 m，總面積約40 994 m2，總體積約為143萬m3，屬巨型厚層古巖溶塌陷不穩(wěn)定體。坡體較陡，平均可達(dá)30°以上，植被較發(fā)育，基巖少有出露，表層覆蓋較厚土層，主要為粘土和碎石土，坡體形狀如圖1所示。

1.2 地層巖性及構(gòu)造

該岸坡區(qū)內(nèi)出露有第四系松散堆積的粉質(zhì)黏土、粗角礫土、細(xì)角礫土、碎石土、塊石土、三疊系的砂巖、泥質(zhì)砂巖夾炭質(zhì)頁巖和煤層、灰?guī)r、白云巖、鈣質(zhì)泥巖。坡體表層以膨脹性粘土層為主，土體潮濕呈硬塑狀，含大量砂礫，含約10%塊石，粒徑5～30 mm，厚度大于60 m，從圖1可見植被茂密，說明坡體土含水率較高，坡體內(nèi)粘土滲透性較差其儲(chǔ)水能力較強(qiáng)，易形成飽和粘土，從而使土體粘聚力下降，并且增加坡體自重。粘土層下部為碎石土，呈黃褐色，以砂巖碎石為主，棱角狀，粒徑5～60 mm，磨圓度較差，級(jí)配、分選性較差，含泥約50%，充填粉質(zhì)粘土。坡體中巖層巖性以三疊系的白云巖及鈣質(zhì)泥巖為主，灰色、深灰色，中厚層狀，局部含硬石膏、鹽溶角礫巖，可溶性較強(qiáng)，易于發(fā)生溶蝕形成大的地下溶洞。

坡體穿越兩組斷層面，受區(qū)域性斷裂的影響，坡體附近發(fā)育有一逆斷層和一正斷層，上覆基巖為三疊系的砂巖及泥巖，節(jié)理發(fā)育，易崩塌致使坡體覆蓋層較厚，主要為碎塊石，巖層結(jié)構(gòu)松散，巖體力學(xué)強(qiáng)度較低，其下基巖為可溶巖地層，巖溶較為發(fā)育，物探初步測(cè)定其體積約有400 m3，由于巖溶溶蝕塌陷而牽動(dòng)坡體較厚的覆蓋層下滑失穩(wěn)而形成滑動(dòng)，從而造成邊坡失穩(wěn)的可能性極大。

2 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

坡體為巖溶發(fā)育區(qū)溶蝕風(fēng)化堆積物，通過對(duì)工點(diǎn)進(jìn)行鉆探取樣并進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)分析，得知其物理力學(xué)指標(biāo)具體如表1所示。滑體表層厚約30 m的粘土夾雜碎塊石，呈硬塑狀，其天然密度較高，坡體表面植被茂密，可知土體具有一定的富水性。粘性土在干燥時(shí)其強(qiáng)度相對(duì)較大，粘聚力較高，而一旦有水體入滲后其粘聚力將減小，加之其具有膨脹性，則在水的作用下坡體上層粘土性自重加大、內(nèi)聚力減小，相當(dāng)于對(duì)滑體增加了坡體自重同時(shí)又將減弱了坡體內(nèi)土體間粘聚力。粘土層下的碎塊石土中碎塊石強(qiáng)度較大，但是其中充填的粘土與其之間的膠結(jié)力決定著整個(gè)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，粘土物受水影響較大，必將削弱粘土與碎塊石間的連接力，從而使巖土體形成蠕動(dòng)。巖層物質(zhì)成分以碳酸鹽巖為主，其具有較強(qiáng)的溶蝕性，在地下水系的溶解、溶蝕作用下易于形成地下空洞，從而易使滑體底部支撐力減小，垂直向受力增大，加劇巖土體的剪切破壞。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值模擬

通過前面對(duì)岸坡巖層結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部物質(zhì)成分特性的分析，可建立數(shù)值模擬對(duì)該岸坡進(jìn)行受力和變形的計(jì)算，從而對(duì)進(jìn)一步分析滑坡機(jī)理基礎(chǔ)研究。見圖1。

圖1 該岸坡數(shù)值模型

圖2 坡體X方向位移

圖3 坡體Y方向位移

通過進(jìn)行數(shù)值模擬，可得出坡體在自然狀態(tài)下的變形、位移圖，具體如圖2、圖3所示，因坡體表土厚、坡度較大，坡體X方向有沿坡面向下位移增大的趨勢(shì)，加之坡體右下部古巖溶的存在導(dǎo)致其變形位移出現(xiàn)小突變、集中現(xiàn)象，更易于形成坡體結(jié)構(gòu)破壞；Y方向位移隨深度不斷加大，使坡體產(chǎn)生較大豎向位移，同時(shí)壓應(yīng)力也逐漸增大，使巖土體形成壓裂破壞。

圖4 坡體最小主應(yīng)力

圖5 坡體最大主應(yīng)力

圖4所示為最小主應(yīng)力，最小主應(yīng)力在坡面上局部形成拉應(yīng)力，坡面附近最小主應(yīng)力方向幾乎與坡面平行，向坡內(nèi)逐漸正?；?，逐漸變化為與埋深呈線性關(guān)系，坡體底部因溶洞存在而使得巖體形成局部應(yīng)力拉張區(qū)，總體來說，局部拉應(yīng)力的形成不利于坡體的穩(wěn)定。

圖5所示為最大主應(yīng)力，其與隨著坡體厚度的加大而增加，與巖土體埋深呈線性關(guān)系，坡腳及巖溶體附近形成應(yīng)力集中區(qū)，最大主應(yīng)力可達(dá)30.0 MPa以上，但仍遠(yuǎn)低于巖體的抗壓強(qiáng)度。

圖6 XY方向有效剪應(yīng)力

由圖6可以看出剪應(yīng)力在坡腳和巖溶孔洞附近同樣形成應(yīng)力集中現(xiàn)象，特別是坡腳，剪應(yīng)力值較大，最大可達(dá)10.0 MPa左右，在坡體由陡變緩的轉(zhuǎn)折處，剪應(yīng)力也較大，這些對(duì)坡腳及變坡點(diǎn)附近巖體的穩(wěn)定不利，容易造成邊坡巖體剪裂、錯(cuò)動(dòng)。

4 結(jié) 論

(1)該岸坡自然狀態(tài)下處于穩(wěn)定態(tài)，其表層的粘土夾卵石層本身結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)性弱、強(qiáng)度低，一旦遇水將極大削弱巖土體粘結(jié)力及抗壓抗拉強(qiáng)度，其對(duì)坡體的穩(wěn)定性具有較大影響。

(2)該岸坡坡度較大，加之其表層土體強(qiáng)度低，在坡體由陡轉(zhuǎn)緩的轉(zhuǎn)折點(diǎn)處形成極值應(yīng)力拉張，局部的最大主應(yīng)力呈拉張狀，這將造成巖土體在局部點(diǎn)可能形成拉裂、張開等破壞現(xiàn)象，有必要對(duì)其進(jìn)行防治。

(3)該邊坡底部溶洞的存在造成坡腳處巖土體向溶洞內(nèi)拉張、剪裂，加之最大主應(yīng)力在坡腳形成的應(yīng)力集中，故其對(duì)邊坡坡腳帶來直接剪切破壞，從而造成整個(gè)岸坡失穩(wěn)。

(4)坡體附近斷裂構(gòu)造將使巖體的整體性降低，加劇巖體破碎的進(jìn)程，加快坡體失穩(wěn)。

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2015-06-11

U416.1

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1008-3383(2015)09-0020-02