基于“锚杆框架梁+主动防护网”的裂隙岩质边坡治理措施研究

薛彦雨1， 李家欣， 袁 维

(1.中铁二十四局集团有限公司，上海 200433；2.石家庄铁道大学 土木工程学院，河北 石家庄 050043)

0 引言

近年来，裂隙岩体边坡的变形破坏机制与稳定性的评估已成为岩土工程领域的研究热点之一。国内外许多学者就此问题开展了相应研究，并取得了较为丰富的成果。然而，岩质边坡变形破坏机制与边坡稳定性的研究主要针对层状岩体或存在明确滑动面的节理岩体，对于裂隙发育型岩体边坡的稳定性研究还相对缺乏，制约裂隙发育型岩体边坡稳定性分析的关键因素就是裂隙岩体的力学参数取值问题。因此，对该类边坡岩体的边坡稳定性进行分析，并提出针对性的治理措施，具有重要的工程意义。以某高速公路某处具有典型滑坡趋势的岩质边坡为研究对象，首先通过现场地质调查手段获取坡高、坡角、岩性、节理、裂隙等地质信息，确定边坡的典型计算剖面形态，然后采用Bishop法、Morgenstern-Price法和Spencer法并利用Hoek-Brown经验强度准则反演边坡岩石的计算参数，为提出边坡支护方案奠定基础。最后，针对提出的设计方案，考虑3种工况(正常工况、暴雨工况、地震工况)对边坡防护措施的有效性进行分析，评估边坡治理后的稳定性。

1 Hoek-Brown经验强度准则基本原理

相关研究表明：岩体的破坏包线并非Mohr-Coulomb强度准则表述的线性关系，而为抛物线形状，岩体破坏时的极限强度σ-τ和σ1-σ3往往呈现非线性的破坏特征，即使对完整、坚硬的均质岩块也不例外[1]。而这种非线性破坏强度，是线性的Mohr-Coulomb强度准则所不能表述的。Hoek-Brown准则由E.Hoek在1980年提出并于1992年进行了修正，该准则综合考虑岩块强度、结构面强度、岩体结构等多种因素的影响，能够更好地反映岩体的非线性破坏特征。因此，已被岩土工程的学者们广泛应用到裂隙岩体的稳定性分析中。广义的Hoek-Brown准则的表达式如下

(1)

式中，mb为经验参数m的值，m反映岩石的软硬程度，其取值范围在0.000 000 1～25之间，对严重扰动岩体取0.000 000 1，对完整的坚硬岩体取25；s反映岩体的破碎程度，其取值范围在0～1之间，对破碎岩体取0.0，对完整岩体取1.0；a为经验参数，取值范围在0.5～0.6之间，块状岩体取0.5，破碎岩体取0.6；σc表示岩块的饱和单轴抗压强度。

2 工程地质概况

某路段为一石质挖方路段，边坡高度为 42.2 m，边坡坡率为 1∶0.4，共5级台阶。边坡岩层为第四系地层的更新世与全新世冲积、坡积黏性土和砾类土。砾类土主要为中侏罗系后城组厚层砾岩夹杂色凝灰质砂岩，砖红色砂砾岩，多为混积。坡面岩石裂隙横纵交错，较为破碎，岩层节理面结合很差，岩体破碎严重，有大块碎石裸露，极易形成危石坠落和滑塌，岩层产状N65-75°E/SW35°。节理3组，平均间距1.1 m，节理面结合很差,岩体体积节理数Jv为 9～20。由于坡面岩石受风化作用影响，造成坡面岩石松动、滚落现象，局部出现小型滑坡，阻塞道路，严重影响道路安全运营。坡面岩体形态如图1所示。

图1 某高速公路岩质边坡

3 边坡计算参数反演

图2 参数反演模型

目前边坡抗滑稳定计算方法主要有极限平衡法和强度折减法，极限平衡法最为常用，目前较为常用的极限平衡法有：Fellenius法，Bishop 法，Janbu法，Spencer法，Morgenstern-Price法等。对土质边坡和呈碎裂结构、散体结构的岩质边坡可采用瑞典圆弧法、Bishop法、Morgenstern-Price法、不平衡推力传递法等[2]。因此，针对京承高速某处结构碎散、风化严重,具有典型滑坡趋势的岩质边坡，采用Bishop法、Morgenstern-Price法和Spencer法对边坡进行参数反演。

为了评价此处裂隙岩质边坡的稳定性并确定其潜在的滑塌范围，根据该边坡剖面形态，利用silde软件建立边坡的二维地质模型，整个边坡模型分为一层，坡高为42.2 m，坡率为1∶0.4，分有5级台阶，台阶宽度为2 m，见图2。利用极限平衡法和Hoek-Brown岩体经验强度准则，通过反复试算，得到的反演参数结果见表1。

表1 参数反演结果

反演得到边坡状态安全系数、潜在临界滑动面和位移场如图3和图4所示。由图3可知，边坡现状的最小安全系数为1.096，处于临界滑动状态；由图4可知，边坡现状的最大位移值达到7.2 cm。

图3 反演的边坡滑动面示意图

图4 反演的边坡位移场

4 防护措施安全性评价

在裂隙岩体边坡的安全防护方面，锚杆框架防护和主动防护网是2种有效的治理措施，其中锚杆框架防护是近年来在总结锚杆挂网喷浆防护的经验教训后发展起来的，它既保留了锚杆对风化破碎岩石边坡主动加固作用，防止岩石边坡经开挖卸荷和爆破松动而产生的局部楔形破坏，又吸收了浆砌片石骨架防护的造型美观的优点[3]，适用于稳定性较差土质边坡和坡体中无不良结构面、风化破碎的岩石路堑边坡；主动防护网系统常用于坡面崩塌、危岩、落石、风化剥落、溜坍、溜滑或塌落类地质灾害加固防护，其明显特征是采用系统锚杆固定，并根据柔性网的不同，分别通过支撑绳和缝合张拉(钢丝绳网和铁丝格栅) 或预应力锚杆( TECCO-65 格栅) 来对柔性网部分实现预张，从而对整个边坡形成连续支撑，其预张拉作业使系统尽可能紧贴坡面并形成了抑制局部岩土体移动或在发生局部位移或破坏后将其裹缚(滞留) 原位附近的预应力，从而实现其主动防护(加固) 功能[4]。

该边坡的设计方案如下：

1、2级边坡采用锚杆框架梁支护，3、4、5级边坡设置主动防护网，全长粘结型锚杆杆体材料采用直径为32 mm的HRB335级钢筋，锚杆长度12 m，锚杆垂直间距2 m，纵向间距3 m，锚固角度为20°，钻孔直径为 90 mm，注浆水泥砂浆强度为 M30；矩形框架梁单元尺寸不宜小于3 m×3 m。主动防护网采用施加主动荷载的方式进行模拟，即在3、4、5级边坡表面垂直坡面施加1.0 kPa。

通过采用极限平衡法(Bishop法、Spencer法、Morgenstern-Price法)，并结合Hoek-Brown准则对支护后边坡进行安全系数计算，结果表明，以上支护参数符合规范要求。详细计算过程如下所述：

图5 治理后正常工况下的位移场

(1)正常工况。《公路路基设计规范》JTG D30—2015中规定[5]，正常工况下边坡的安全系数值为1.2～1.3。支护后正常工况下以上3种计算方法的安全系数见表2，位移场分布见图5。由表2可知，各种计算方法的安全系数均大于规范的要求值，同时，由图5可知，治理后正常工况的最大位移值为0.84 cm，因此，可认为边坡在正常工况下是符合稳定性要求的。

表2 正常工况下安全系数

图6 治理后暴雨工况下的位移场

(2)暴雨工况。《公路路基设计规范》JTG D30—2015中规定[5]，暴雨工况下，边坡的安全系数建议取1.1～1.2。根据文献[6]中的方法，当模拟暴雨工况时，假定整个边坡全部被水浸润(即浸润线位于边坡表面)，且岩体强度按照正常工况下的0.8倍进行折减。支护后暴雨工况下各种计算方法得到的安全系数见表3，位移云图见图6。由表3可知，各种计算方法的安全系数均大于规范的要求值，同时，由图6可知，治理后暴雨工况的最大位移值为0.96 cm，因此，可认为边坡在暴雨工况下是符合稳定性要求的。

表3 暴雨工况下安全系数

图7 治理后地震工况下的位移场

(3)地震工况。《公路路基设计规范》[5]JTG D30—2015中规定，边坡在地震工况下的安全系数建议取1.05～1.1。根据《建筑抗震设计规范》GB 50011—2010中附录A的要求[7]，该地区的地震加速度峰值取0.05g。根据《公路工程抗震规范》JTG B02—2013中8.2.6条规定[8]，采用拟静力法进行抗震稳定性验算，根据公式8.2.6-1和公式8.2.6-2可知，该边坡的水平地震作用系数为0.034，竖向地震作用系数为0.0。因此，支护后地震工况下各种计算方法得到的安全系数见表4，位移云图见图7。由表4可知，各种计算方法的安全系数均大于规范的要求值，同时，由图7可知，治理后地震工况的最大位移值为1.08 cm，因此，可认为边坡在地震工况下是符合稳定性要求的。

表4 地震工况下安全系数

5 结论

以某高速公路具有典型滑坡趋势的岩质边坡为研究对象，通过地质调查和数值模拟相结合的方法对某处边坡的稳定性进行了分析，对边坡的计算参数进行了反演，并对具体支护措施进行了安全性评价，取得的主要结论如下：

(1)假定临界状态边坡安全系数等于1.0，基于临界状态边坡实际破坏状态，通过采用极限平衡法并结合Hoek-Brown经验强度准则，对边坡的岩体参数进行了反演分析，反演得到的破坏形态与现场实际情况较为吻合，从而认为反演得到的参数即为边坡临界状态的力学参数，该参数为评价边坡稳定性和支护结构合理性提供重要参数依据。

(2)通过反复试算，得到该边坡的整体治理方案为：1、2级边坡采用锚杆框架梁支护，3、4、5级边坡设置主动防护网。采用3种极限平衡法(Bishop法、Spencer法、Morgenstern-Price法)对治理后的边坡在正常工况、暴雨工况和地震工况下的安全系数进行了计算，结果表明，正常工况的安全系数最大，暴雨工况次之，地震工况的安全系数最小，3种工况皆满足相关规范对应的安全系数要求，因此，锚杆框架梁+主动防护网可以提高此处边坡的安全性。