泥岩边坡防护设计探讨

蔺　港　安明旭

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司　贵阳　550081)

泥岩边坡防护设计探讨

蔺港安明旭

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司贵阳550081)

摘要泥岩属于典型沉积岩类的原生软岩，种类繁多，分布较为广泛，是工程性质较差的一类岩石，给工程实践带来了很大困扰。文中探讨了泥岩边坡岩土力学指标的确定方法，采用FLAC数值模拟对该方法进行了验证。同时综合考虑多方面因素将泥岩边坡稳定性分为：稳定、基本稳定、稳定性差、不稳定4类。根据边坡的防护设计原则，结合各类边坡的特征，提出了一些防护措施。

关键词泥岩破坏模式FLAC防护措施

我国是一个多山国家，尤其在西部地区，随着基础建设的快速发展，大量的高边坡问题不断出现。泥岩属于典型沉积岩类的原生软岩，种类繁多，分布较为广泛。其强度高于松散岩土，低于坚硬岩，固结程度弱，质地松软，重结晶不明显,受环境变化影响大，具有较差的抗风化能力，遇水发生膨胀，易软化，易崩解等工程特征。同时，其岩体结构为层状结构，受构造影响大，节理裂隙较发育，在高边坡工程中呈现的问题特别突出。软岩(泥岩)是其中一种，因其具有特殊的物理力学性质，在工程中呈现的问题特别突出。如在重庆万梁高速公路K38～K52段[1]，该段单斜顺层岩体中夹泥岩，在路线修建过程，因开挖路堑，边坡岩泥岩界面产生了31处高边坡破坏。王淑英等[2]，对广西六寨—水任公路中的炭质泥岩的工程特性，及边坡的变形破坏模式和稳定性影响因素进行了分析研究,将沿线的边坡按不同稳定性程度分为4类,并科学合理地提出相关防护措施。本文以泥岩边坡岩土体力学指标为切入点，对泥岩边坡工程的防护以及设计进行了探讨。

1泥岩边坡岩土体力学指标的确定方法

1.1岩土体力学指标的确定方法

泥岩边坡岩体力学指标因受岩体节理裂隙，结构面发育、易风化崩解等多种因素的影响，合理地确定相关力学指标是泥岩边坡稳定性分析和确定防护措施的关键，目前在工程中确定岩体力学指标的方法主要有现场或室内实验、地方经验或相关规范、反演计算3种。对于岩体边坡稳定性分析假设不考虑变形，一般主要考虑粘聚力和内摩擦角2个力学参数。设边坡稳定的安全系数为Fs，Fs=抗滑力/滑动力，当Fs=1时边坡处于极限平衡状态，Fs>1时处于稳定状态，Fs<1时处于失稳破坏状态。实际上，以这种“点状态”去描述边坡的稳定性是不合理的，同时依据这种单一状态反算求得的参数偏高。边坡失稳是一个累积破坏的过程，受大量不确定因素的影响，如设计参数具有随机性和模糊性。文献[3]中提到，在实际工程中，定义：稳定系数小于0.95，边坡破坏；稳定系数等于0.95～0.975，边坡处于滑动状态；稳定系数等于0.975～1.0，边坡处于蠕滑状态。

根据瑞典条分法(简单条分法)理论：

径向力平衡

(1)

极限平衡条件

(2)

整体对圆心的力矩平衡

滑动力矩=抗滑力矩，即Ms=Mr

(3)

通过对该理论分析发现，对于一个边坡，抗滑力矩为内聚力和内摩擦力产生的力矩之和，然而通过大量实验发现，粘聚力和内摩擦角又没有直接的关系。要确定极限破坏下的c′，φ′值，可通过式(4)、式(5)确定。该类方法适用于潜在滑动面位置已确定，且滑坡体岩性单一的边坡，对于滑坡体岩性复杂的边坡，需综合其他方法去分析。

(4)

(5)

式中：c，φ，Fs为折减前的粘聚力、内摩擦角、安全系数；c′，φ′为折减后的粘聚力、内摩擦角。

对于泥岩高边坡，因受风化影响较大，即使开挖时是稳定的，但时间长了，受风化、构造因素的影响，相关力学指标不断地折减，也可能失稳破坏；对于永久性的工程，应尽量减少挖方，若非坡率很缓，都需要设立防护。利用有差分程序FLAC数值计算软件，通过不断降低c，φ值模拟泥岩边坡岩体力学指标折减过程中的边坡失稳情况。

1.2FLAC数值模拟验证

利用有限差分程序FLAC建立2个模型(Model-1，Model-2)分别模拟砂泥岩互层的顺层边坡(如图1a))和上软下硬的泥岩边坡(见图1b))，每个模型分别取8次不同的c，φ值，分别计算得出8个不同的安全系数Fs，再用不同的Fs依据式(4)、(5)分别折减出8个不同的c′，φ′值，再利用FLAC分别计算得出8个Fs′,计算结果见图2，3，4。

图1　FLAC计算模型

图2　模型1计算结果

图3模型2计算结果

图4安全系数变化曲线图

由图2～4可见，Model-1利用该方法得出的结果和(式(4)，(5))理论值一致，Model-2在Fs小于0.58，经过(式(4)，(5))折减后得出的Fs′不接近1。

如图2所示，通过对比Fs=0.37和Fs=1.01的剪切应力云图发现，Fs=0.37的边坡剪切破坏发生在第一个泥岩软弱层，Fs=1.01坡剪切破坏发生在第二个泥岩软弱层，不同的岩土体力学参数，导致了破坏面的位置不同。可见砂泥岩互层的顺层类边坡容易发生多层多级剪切滑动破坏。

2泥岩边坡分类及防护

根据泥岩的特殊工程特性，充分考虑边坡的工程地质条件及边坡的设计开挖情况，结合边坡破坏可能导致后果的严重性、破坏模式、坡形坡高、岩体结构面、风化程度、地下水等因素，将泥岩边坡划分为4类，针对各类边坡的特点，提出一些切实可行、科学合理的加固防治措施。具体各类边坡基本特征及防治措施如下。

(1)I类：稳定边坡。该类泥岩边坡工程地质条件好，无不良地质结构、构造，岩体以中风化～弱风化为主，岩体强度高或坡度陡，岩体呈水平层状、陡倾层状、反倾层状，节理裂隙不发育。挖方边坡稳定，无需支挡加固处理。因泥岩暴露在自然环境中，易风化崩解，形成新裂隙，岩体由整体变为松散，由坚硬变为软弱，经过长时间暴露边坡就会因为发生过量变形而破坏。防护的目是降低风化速率使边坡克服强度衰减和增强边坡的自身稳定性，主要防治边坡岩体风化、防雨水冲刷、防落石掉块。该类防护常用方法有植被防护和工程防护2类。对于风化程度较高、坡度较缓的边坡，主要措施有挂网客土喷播绿化、土工格室植被、三维土工网植被防护方案。对于高陡边坡，宜采用工程防护，主要方法有浆砌片石护面墙、挂网喷浆等。

(2)II类：基本稳定。该类边坡工程地质条件较好，整体结构较稳定，自然坡度较陡，不会发生整体变形失稳，主要由中风化泥岩构成，强度较高，其坡面岩体节理裂隙较发育，形态凹凸不平，局部有小范围楔形体破坏、落石等现象发生，暴露在自然界中表层岩体随时间变化，风化程度越严重，节理裂隙不断扩展加深，破坏范围不断增大，最终可能形成崩塌等浅层破坏。该类边坡需要进行工程防护，主要措施有喷锚网防护、挂网喷浆防护、用浆砌片石护面墙，还可以采用工程防护与植被防护相结合的综合防护，如菱形骨架植草护坡、方形骨架植草护坡、拱形骨架植草护坡等。

(3)III类：稳定性差。该类边坡工程地质条件较差，主要表现为:岩体较破碎，风化程度高，大部分由强风化泥岩组成，少部分呈中风化状态，存在不利结构面，边坡接近于极限平衡状态，如顺层或含软弱夹层边坡、发育多组节理结构面已贯通的边坡，这类边坡坡面有一定量的小裂缝，基本处于蠕滑阶段，一旦开挖，坡面就会发生开裂、变形。如果防护加固措施不跟上，边坡会局部或整体失稳。该类边坡应尽量将坡率控制在1∶1～1∶1.25之间。采用工程防护，主要有挡土墙、锚杆(索)、微型桩组合结构；综合防护主要采用框架锚杆植草、框架锚索植草、框架锚杆与挡墙相结合等。

(4)IV类：不稳定边坡。该类边坡工程水文地质条件差，岩体结构松散，节理裂隙非常发育，地下水丰富，边坡整体结构不稳定，这类边坡开挖随深度增加，边坡会产生严重变形破坏，主要是基座式岩体结构边坡或由节理裂隙发育，风化程度极严重的泥岩及富含地下水的边坡，存在明显滑坡迹象。该类边坡可采用预应力锚固、抗滑挡土墙、抗滑桩、微型桩组合结构等防护措施，或采用综合防治方法，如预应力锚索抗滑桩加固、锚杆(索)挡土墙、预应力框架锚索植草等。

3结论

(1) 泥岩高边坡，因其特殊工程性质，即使开挖时是稳定的，但时间长了，受风化、构造等因素的影响，相关力学指标不断的折减，也可能失稳破坏。

(2) 本文提出对该类边坡在极限破坏状态下进行设计，先通过式(4)、(5)对其力学指标进行折减，得到处于极限状态的力学指标，然后再把折减后的力学指标利用FLAC软件或理正岩土软件寻找潜在破坏面的位置。

(3) 该方法适用于潜在破坏面单一，且只发生在一种性质的岩土体内。对于岩层性质差异较大、潜在破坏面可能穿过多层的边坡，可以综合常规的逆算法。结合边坡破坏可能导致后果的严重性、破坏模式、坡形坡高、岩体结构面、风化程度、地下水等因素，将泥岩边坡划分为4类，针对各类边坡的特点，制定切实可行、经济合理的加固防治措施。

参考文献

[1]马惠民,王恭先.山区高速公路高边坡病害防治实例[M].北京：人民交通出版社，2006.

[2]王淑英,周富华,钟守宾.寨任路炭质泥岩边坡稳定性研究及防治措施[J].广西交通科技，2003，104(28):42-45

[3]刘波，韩彦辉.FLAC原理、实例与应用指南[M].北京：人民交通出版社，2005.

收稿日期：2014-11-05

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.022