层状岩体顺层滑动边坡破坏机制及锚固机制的研究

林 森，代树林

(吉林大学 建设工程学院，长春 130026)

顺层岩体边坡是指斜坡倾斜方向与岩层倾向一致的边坡。1995年，蒋爵光等对国内12条铁路干线的岩石边坡进行了详细的调查统计后指出:岩石滑坡比较常见的类型为层状结构岩体的顺层滑动边坡。凡是顺层边坡地段，不论边坡坡度陡缓，只要边坡坡度大于岩层倾角，而岩层倾角大于15°的情况下，几乎都发生了顺层滑塌或顺层滑动的破坏现象。层状边坡顺层滑动是一种常见的地质灾害，多年来一直困扰着岩土、地质和工程界。据统计，其灾害损失仅次于地震[1－4]。

1 层状岩体顺层滑动边坡破坏机制

1.1 层状岩体顺层滑动边坡破坏机制

不管是天然同倾向边坡，或是人工开挖形成的同倾向边坡，当坡面或斜面的坡度大于地层的倾角，则地层的层面或不连续面会出露在坡面上，而且呈现水平的状态，在这种露层的状况下，很容易发生顺层滑动。对于同倾向层状岩质边坡，由于其不连续面(软弱结构面)为一连续的平面，且该类平面在坡体内有多个同时存在，所以尤其容易发生顺层滑动破坏。层状边坡发生滑移破坏时，主要是受自重及其它荷载作用而引起顺层滑移，变形破坏多是沿层间弱面的相对剪切滑移，且一般主滑带与岩层的产状基本一致。其变形破坏是坡体经历顶部拉张—顺层滑动—底部剪出三个阶段。要发生顺层滑动必须符合三个基本条件:第一是山坡地必须是同倾向边坡;第二是地层或不连续面的倾角要小于斜坡的坡角(即坡度);第三是地层或不连续面的倾角要大于潜在滑动面的内摩擦角。因此，同倾向层状边坡在河流、水库或湖泊的冲刷作用下，或者人工开挖坡脚的影响下，在适当的情况下，可能会发生顺向滑动[5]。

1.2 层状岩体边坡的破坏模式分类

1.2.1 中等缓倾角岩质边坡

该类边坡坡面倾向与岩层倾向夹角≤30°，岩层倾角<45°。岩质边坡开挖坡角一般均 >45°，对于这类边坡的岩层倾角，软弱层面在前沿处于临空状态。这类边坡的主要变形破坏模式为滑移—拉裂型。当岩层倾角低于10°且存在下伏软弱层时，有可能产生滑移—压致拉裂型、塑流—拉裂型破坏。

1.2.2 中等陡倾角岩质边坡

该类边坡坡面倾向与岩层倾向夹角≤30°，岩层倾角≥45°。这类边坡岩层倾角 >45°，公路边坡开挖一般不会导致前沿临空，不具备产生滑移—拉裂型变形破坏的基本地质条件。其可能的变形破坏方式主要有以下几种形式:

1)滑移—弯曲型 边坡前沿的软弱层面深埋于坡体之内，大部分抗力体不受卸荷影响，岩体较完整，抵抗变形破坏能力相对较强。当边坡高度足够大时，在强大的自重应力作用下，边坡岩体仍有向下滑动的趋势，前沿受阻弯曲过程中产生一组共扼剖面 X节理，一旦缓倾坡内的X节理与层面和后缘拉裂面贯通就将产生滑移—弯曲型滑坡。

2)蠕滑—拉裂型 虽然边坡前沿软弱层面未暴露地表，但离地表较近，作为抗力体的较坚硬岩体位于强卸荷带中。当边坡高度足够大时，在自重应力作用下，边坡前沿追踪层面和卸荷裂隙产生蠕动变形，一旦与层面和后缘拉裂面贯通就可能产生蠕滑—拉裂型滑坡。

3)弯曲—拉裂型 当岩层倾角高于75°时，若边坡坡角也>75°，易产生弯曲—拉裂型变形破坏。事实上，75°坡角几乎是岩质边坡设计的上限坡比，所以这种模式出现的可能性较小[5]。

1.3 层状岩体顺层滑动边坡失稳判据

1.3.1 岩层倾角<45°

边坡的稳定性取决于抗滑力(F)与下滑力(S)之比，边坡的稳定系数K按下式求得:

当开挖边坡高度介于20～40 m之间，高度为60～90 m之间时，对于这类潜在滑移面平直且长度不大的情况，抗滑力主要来源于摩擦阻力，内聚力可忽略不计。上式可表达为:

显然，可以根据层面内摩擦角与层面倾角比较，很方便地判断该类岩质边坡的稳定状况。

1.3.2 岩层倾角≥45°

岩层倾角介于45°～75°之间时，设计坡比基本遵循岩层倾角。故施工开挖不会导致前沿软弱结构面临空，主要变形破坏模式为滑移—弯曲型，边坡稳定状况与岩性和坡高密切相关。

岩层倾角>75°时，边坡易产生弯曲拉裂变形，稳定性相对较差。但75°坡角接近岩质边坡设计坡比上限(1∶0.25)，只要按规程规范确定标准断面，就可避免产生弯曲拉裂变形。

2 锚杆加固机理及最优锚固角的选择

综上所述，层状岩体顺层滑动边坡在实施开挖的同时，应该做好加固支挡措施。同顺层岩质边坡加固中常用的大截面抗滑桩相比，锚杆加固具有造价低、经济性好，适应性强，并且其灵活的布置形式特别适用于不同角度顺层滑动边坡的加固。

2.1 层状边坡顺层滑动岩体中锚杆加固机理

在层状岩体顺层滑动边坡中，锚杆的安设部位、倾角为抵抗边坡顺层滑动最有利的方向，一般锚杆轴线应当与岩石主结构面或潜在的滑移面呈大角度相交，如图1所示。同时，锚杆的设置区域及方位还应充分考虑软弱结构面的产状、分布情况及可能发生的破坏模式。可分散均匀布置，也可集中布置，但锚杆应穿过软弱层面一定深度。

图1中(a)(b)顺层边坡每一层层面及层间充填特征基本相同，整个边坡均匀布置锚杆对所有层面进行加固，可避免边坡沿未加固层面发生顺层滑动。图1中(c)(d)顺层边坡有确定的软弱层面，可针对该软弱层面进行重点加固。(c)图中锚杆集中布置在软弱层面出露的部位，(d)图锚杆垂直软弱层面布置，按抗剪锚杆设计。

对岩体而言，锚杆支护起悬吊、组合梁和挤压加固的作用。在层状边坡顺层滑动中，锚杆主要起组合梁的作用，如图1中(c)(d)所示。

图1 锚杆加固顺层边坡布置

对于锚杆的组合梁作用:当岩体所含软弱结构面主要为层理或片理，且岩层的产状与岩体坡面相近，结构面间c、φ中值较小，极易发生顺层滑移。使用锚杆加固时，将锚杆与软弱结构面近似垂直方向布置，锚杆的加固大大提高了层理或片理间的抗剪切强度，锚杆起到组合梁中铆钉的作用。在这种情况下，锚杆的加固作用是非常明显的。关于锚杆加固对岩体力学性质的改善，参见经验关系式

式中，c0，φ0，c1，φ1分别为原岩体及锚固岩体的黏聚力和内摩擦角;τ，S分别为锚杆材料的抗剪强度及横截面积;a，b为锚杆的纵、横向间距;η为综合经验系数，可取2～5。

2.2 最优锚固角的选择

锚杆布置方向在边坡锚固工程设计中，是个十分重要的问题。正确选取这一参数对锚杆锚固系统结构的受力状况、锚固长短和施工难易等都有重要影响。经过大量论证得知最有效的布置方向为逆滑动方向布置。但由于受滑动体的边界条件、施工条件等限制，只能以一定的角度去布置，所以必须经过综合比较，选择最优的锚固方向，以达到最有效的加固效果[6]。

图2中α为锚杆同滑动面的夹角，β为锚杆同水平面的夹角，θ为滑动面的倾角，它们有如下关系

由锚杆提供的抗力为

图2 最优锚固角

式中:φ为滑动面上的内摩擦角。

当α=φ时，可得最大抗滑力为 P抗max=P/cosα，但此时锚杆最长，不经济。综合比较后，当α优=45°+φ/2时，得到最优的锚固角度，因此最优的锚固角为:

因此，得出最优的锚固角为 θ±(45°+φ/2)。但有些时候，受到施工条件和结构本身的限制，不可能按最优锚固角进行布置，此时可对锚固角进行适当调整，但必须保证提供较好的锚固效果。另外，当锚固倾角在－10°～+10°范围时，注浆材料硬化时产生的残余浆渣及注浆料的泛浆将会影响锚杆的承载力，应予以避开。

3 锚杆加固受力分析

假定锚杆力T以β角穿过软弱层面，岩层倾角θ，边坡坡角α(图3)，则加固后顺层边坡的稳定系数为

式中，c、φ为岩层层间的内聚力和内摩擦角;θ、l为层面的倾角和长度;G为岩体自重;T为锚杆拉力。

式(7)表明锚杆的作用:一是减小了下滑力 T sinβ;二是增加了层面上的法向力T cosβ。可以通过设置锚杆来提高顺层边坡的稳定性。

根据式(7)，锚杆提供的锚固力可按式(8)计算

图3 锚杆加固顺层边坡受力分析

当不考虑水压力作用时，锚杆提供的锚固力为

对于非预应力锚杆，锚杆为被动受力，不宜考虑锚杆在层面上产生的法向阻力Tcosβtanφ，锚杆加固后顺层边坡的稳定系数为

当锚杆垂直于层面布置时，对于预应力锚杆，其作用主要是，通过所施加的预应力，在层面上产生法向阻力，同时锚杆具有一定的抗剪能力;对于非预应力锚杆，其作用主要是锚杆自身强度所提供的抗剪力。此时剪力锚杆提供的抗剪力为

式中，Ag为剪力锚杆钢筋截面面积，[τg]为锚杆钢筋容许剪应力。剪力锚杆加固后顺层边坡的稳定系数为

4 结论

本文通过对层状岩体顺层滑动边坡破坏机制的理论分析研究，总结出其变形破坏是坡体经历顶部拉张—顺层滑动—底部剪出三个阶段。并按倾角对破坏模式进行分类。总结出实际工程治理中最适宜采用锚杆加固的治理方法，并对其锚固机理进行研究，得出层状岩体顺层滑动边坡的最优锚固角为 θ±(45°+φ/2)。通过对锚杆加固的力学分析得出加固后顺层边坡的稳定系数K以及锚杆锚固力T在预应力和非预应力锚杆以及有无水作用情况下的计算公式。

[1]崔政权，李宁.边坡工程-理论与实践最新发展[M].北京:中国水利水电出版社，1999.

[2]蒋爵光.铁路岩石边坡[M].北京:中国铁道出版社，1997.[3]蔡美峰.岩石力学与工程[M].北京:科学出版社，2002.

[4]曾宪明，林润德，易平边.基坑与边坡事故警示录[M].北京:中国建筑工业出版社，1999.

[5]张倬元，王士天，王兰生.工程地质分析原理[M].北京:地质出版社，1994.

[6]程良奎，范景伦，韩军，等.岩土锚固[M].北京:中国建筑工业出版社，2001.