多台阶岩质边坡破坏机理及加固技术

赵培清 刘昌松

湖南省建筑科学研究院有限责任公司 湖南 长沙 410000

台阶状岩质边坡的出现往往伴随着人类活动，若是其出现失稳问题，将会对人们的安全造成一定的威胁，因此对其破坏机理展开分析，探索其加固方式具有重要的现实意义。因多台阶岩质边坡自身的特性，在对其进行加固时，往往需要采取多种加固方式，从而获得更好的加固效果，再对其加固过程中，也需要根据实际情况，确定合理的开挖、支护顺序，从而获得较好成效，以下对其相关内容进行讨论。

1 多台阶岩质边坡的特点

台阶状的边坡往往在露天开采中有所应用，也就是对存在不同岩层的矿体，按照一定的层次展开开采，最终形成阶梯状的斜坡[1]。伴随着我国工程建造业的不断发展，该边坡形式也出现在一些铁路、公路、水利等多种行业之中。和自然形成的单台阶岩质边坡相比，多台阶岩质边坡也存在一些特点，如下所示：

从其形态以及结构组成上来看，该类型的坡高往往较大，从几十米到几百米，且走向较长；该类岩质边坡是因人工开挖所造成的，因此形态上呈现出了一定的规则性。

从其稳定性上来看，在边坡开挖施工中，边坡土体稳定性势必会受到一定的干扰，人工作业过程中的一些爆破、挖掘等活动，会导致整个边坡的处于动态扰动变形之中，因此探究其开挖对坡体的影响至关重要。

从其变形和破坏规模上来看，对岩质边坡来说，其受到的变形是因滑动面上的应力释放和转移。相比起普通的岩质边坡，多台阶岩质边坡虽然允许在单个台阶上进行小范围破坏，但多个台阶的小范围破坏会诱发边坡整体破坏，所造成的规模和灾害性更强，因此需要对影响其稳定性的因素展开探究。

2 岩质边坡岩体结构分类

岩质边坡的岩体构成类型存在一定的差异，其地质结构也存在一定的不同。其种类划分可以根据其成因类型和强度特性，也可以根据其规模、地质构造运动、强度等对结构面进行划分[2]。岩体本身所呈现出来的诸多特性，其都是因岩体的某种关系组合并与岩石结合形成的结构面对其稳定性的破坏，这样的结构面对岩体整体强度会产生一定的负面影响，但也在无形之中增强了岩体变形能力。

2.1 块状岩体结构

块状岩体结构的基本结构体为块状和柱状，主要特征为：多以刚性结构面、节理为主，少见贯穿性的软弱结构，其结构面不发育。相对的块状结构边坡，具有较高的强度，稳定性较好，该岩体结构出现的边坡失稳，常是因为沿某一软弱结构面复合结构面出现滑动。对其边坡失稳展开研究主要从结构面的强度、性状、不利组合形式展开。

2.2 层状岩体结构

层状岩体结构的基本结构体为板状和模形状，主要特征为：多以层理、片理、节理为主，软弱夹层和层间错动带一般为贯穿性软弱结构面，其结构面较发育。相对的层状结构边坡，是一种常见形式，其岩体为层状，具有较高强度，该岩体结构出现的边坡失稳，往往是以沿着贯穿性软弱结构面发生。对其边坡失稳展开研究主要是对坡面和优势结构面产状的关系进行。

2.3 碎裂岩体结构

碎裂岩体结构的基本结构体为碎块状，主要特性为：节理、断层、断层破坏交叉出现从而将岩体分割成相对破碎的岩石，结构面短小且分布不规则，其结构面发育。因该岩体的特性，其岩体的优势结构面很难做出清晰地划分。相对的碎裂结构边坡，常出现在岩石易被风化的区域，其岩体完整性交叉，强度较低，因此整体稳定性较差，在外部环境因素的影响下，很容易出现局部滑移和落实。对其边坡失稳展开研究主要从岩块间的镶嵌情况和咬合力展开。

2.4 散体岩体结构

散体岩体结构的基本结构为碎屑状、颗粒状、鳞片状，主要特征为：结构面大多是断层破碎带、风化带、次生结构面，该岩体结构之中高度密集的结构面导致其软弱结构面呈现出网状。由于岩体强度和其完整性之间存在正相关，由于该岩体结构为松散破碎的内部结构，因此该边坡的强度极低且稳定性极差，对其边坡失稳展开分析可采取土质边坡的方法。

3 多台阶岩质边坡破坏机理分析

因岩体自身的结构性状复杂，因此对其稳定性产生影响的因素也是多样性的，大致可以归纳为两类：一是岩坡破坏的主导因素，也就是内部要素，如岩体结构、边坡形态等；二是诱发岩坡破坏的外部因素，也就是外部要素，如人类活动、风化、地震等[3]。具体如下：

3.1 内部影响因素

3.1.1 岩体结构

对岩质边坡稳定性造成影响的最大因素就是结构面，即使岩体本身强度够高，但是在结构面分割后，仍会存在失稳问题。结构面会影响坡体之内的应力传递，导致应力集中在结构面周围，从而造成剧烈变形和破坏。岩体结构中的结构面组数和数量越多，对于岩体造成的切割破坏越严重，岩体自由变形能力越大，边坡失稳出现的可能越大。

3.1.2 地质构造

边坡所具有的地质构造也会造成边坡失稳现象。岩体出现褶皱的位置会产生构造应力从而导致破碎带的出现，因裂隙节理发育，将会导致稳定性变差。节理就是岩体中的不同裂缝，其出现导致岩体完整性被破坏，从而发生失稳破坏现象；断层是岩体出现明显位移，不仅造成岩体完整性被破坏，也影响岩体连续性，边坡会在断层面上出现滑动破坏。

3.1.3 边坡形态

在边坡的坡高、坡角、坡面之中，前两者对边坡稳定性的影响较大。坡高不同会造成岩体内应力状态不同，从而影响稳定性；坡角不同也会造成岩体内应力不同，其变化会引发坡肩和坡面的张力带变大，其坡角越大，张力带范围越大，失稳破坏现象出现概率越大。

3.2 外部影响因素

3.2.1 地震

地震发生会对岩体内部应力状态造成影响，其本质是对岩体施加惯性力，从而增加滑体下滑力，也会减弱岩体内部原有的软弱结构面的咬合力，影响结构面发育，从而破坏边坡稳定性。

3.2.2 水

水包含地下水和雨水，其是较难治理的一个问题。水位上升会造成孔隙水，从而加大岩体中的压力，增加滑体下滑力，影响其稳定性。水也会与岩体的造岩矿物产生水化反应，影响岩体的矿物成分，改变岩性，影响其稳定性。当水和气温产生共同作用时，会加速裂隙面的开裂成都和岩体的破碎程度，最终都会影响岩体稳定性。

3.2.3 风化

风化主要对岩体表面产生作用，会引起岩体矿物成分改变，扩大内部张烈裂隙，增大岩体自身的破碎度，影响岩体完整性，减弱岩体强度，从而造成边坡变形和破坏。长期的风化作用也将对边坡原有形态造成影响，将会诱发边坡失稳破坏。

4 岩质边坡加固方法

在对岩质边坡完成状态评定之后，若是其不能满足施工需求或者存在失稳概率，且边坡存在的问题会对人类活动产生危害、对经济造成损失后，就需要采取有效措施对其展开修正，从而转变其稳定状态，确保其安全性[4]。

4.1 坡率法

该方法是对原始边坡的形状进行改变，主要针对其主要高度、坡角，通过转变改善滑体在潜在破坏面上的受力状态，最终提升岩质结构的整体稳定性。其主要针对滑坡，采用减载的方式，通过对滑体超重部分进行削减，从而降低其滑力。但是该方法存在较大局限性，易受到周围环境影响，且并不能阻止岩体下滑的可能性，常用于交通、水利工程出现的边坡治理中。

4.2 混凝体支挡

该方法是使用钢筋混凝土材料，根据设计要求进行浇筑的一种相对被动的加固结构，其有挡墙和抗滑桩两种。抗滑桩是依靠深入岩体的锚固段，从而提供侧向地基抗力来对悬臂段承担土的压力或者滑体滑动力进行抵抗的一种结构。该结构有部分处于岩体之中，因此其为桩结构。依托于桩体和岩体之间的摩擦力，可以更好与接触岩体进行结合，共同承受压力，缓解岩体结构压力。挡墙是长度相对较长的一种连续板状结构，借用墙体实现对滑体移动的阻止，墙体构件根据不同承载方式划分为不同类型。

4.3 排水措施

由于外部环境因素对于岩体结构会造成较大影响，水往往会对岩体结构造成破坏，从而引发边坡失稳问题，因此可通过良好的排水措施来阻止或降低雨水、地下水等水对岩体的侵蚀。常见的有坡内排水、表面排水，前者是通过在岩体结构中设置排水井，在坡面上安置排水孔，从而实现控制地下水位和消解孔隙水压力的效果；后者是通过在坡顶和坡面上设置截水沟，在坡地修建排水沟的方式来实现截取、排泄地面水的目的，其将阻止地表水下渗产生孔隙水压力，从而对岩体结构进行保护，减轻边坡岩体的变形。

4.4 生态防护技术

该方法是近些年来借鉴国外经验的一种新方法，其也将对项目建设中对生态环境造成的破坏进行修复。其主要是种植植物来形成植被护坡，通过植物根系与岩体内部形成合力，来实现稳定的作用。植物根系在其生长过程中，能对裂隙内的水压力起到消解的作用，也能缓解坡面上水流速度，实现固土的效果，在防止雨水侵蚀岩质，降低空隙水压力等方面具有明显成效，是一种相对环保且成效良好的方法。

4.5 锚固手段

该方法是当前应用范围较广的一种加固手段，其具有成本低、治理成效好的优势，在工程界受到了广泛好评。该方法是用过将锚杆或者锚索深入到岩体结构内部的稳定区域之中，从而将岩体作用在锚头结构上的力通过拉杆的方式传输至深层稳定的岩体之中，实现力的分散，锚固体和其周围岩体的粘结力和摩擦力提供拉力，实现稳定[5]。预应力锚索加固方式属于主动加固方式，其施加的预应力通过锚头紧固装置进行分压，转变岩体内部原有的应力场，不仅可以提升岩体完整度，也将增强滑面上的抗滑能力，转变边坡稳定状态，具有较好成效。

5 多台阶岩质边坡的加固案例

5.1 工程概况

该边坡工程为某新建小区北侧所形成的人工岩质边坡，标高在130m～180m之间，属平缓丘陵地貌。该小区建设在四面环山的盆地上，北侧坡体标高为138.32m～177.55m之间，靠近坡底位置上为一排六层居民楼，距离坡脚7m左右。工程建设中，在北侧形成了多台阶岩质边坡，边坡划分为四级，采取台式边坡，各级开挖面从上至下坡率为：1:10、1:10、1:0.75、1:0.75；台高为10m、10m、8m、6m，台宽为4m。

该坡体中下部表面岩体存在风化，呈破裂结构，岩层为单斜结构，平均高度约36m，坡面水平向约42.5m，边坡走向长度约195m，总坡角为40.2°。

5.2 坡体稳定性情况

根据现场勘查，该多台阶岩质边坡中，二、三级台阶上受人工开挖和风化的影响，其表面岩体结构存在破裂结构特征，岩体完成性较大，强度也低，稳定性较差，在恶劣天气的影响之下，该边坡较容易发生局部滑落或者落石现象。

运用传递系数法对该多台阶岩质边坡的二、三级阶梯的稳定性安全参数进行计算，计算结果为：在天然状态下的二级边坡稳定性系数为1.27、三级边坡稳定性系数为1.087；在地震工况下的二级边坡稳定性系数为1.086、三级边坡稳定性系数为0.912。根据结果表明，地震对于该边坡的影响较为明显，易导致边坡出现失稳破坏，因此需要对其采取相应措施来增强其安全。

采取强度折减的FLAC3D模拟计算对开挖后边坡整体完全系数进行计算，值为1.37，根据模拟计算发现该多台阶岩质边坡中的二、三、四级边坡在开挖过程中，其应力场、位移场变化较为强烈，容易产生拉应力区而破坏岩体完整性。在坡面形成后，第四级边坡的坡面和坡脚存在位移变形量较大的问题。

综合评估后，需要对该多台阶岩石边坡的二、三、四级实施加固处理，降低局部破坏对边坡整体的影响，提高其稳定性。

5.3 多台阶岩石坡体的加固方案

5.3.1 加固方法

本次加固考虑到该多台阶岩质边坡的特点和其表面将经过人孔开挖以及风化成破碎化结构的现实情况，考虑该边坡自身具有较高安全等级，对其采取“预应力锚索+喷射混凝土面层”的加固方案。

5.3.2 主结构设计

锚索材料选用1×7Φ15.2型钢绞线，其力学参数如表1所示，锚索为4束预应力钢绞线。

表1 7丝标准型钢绞线参数表

锚索倾角20°，二、三级设置三排预应力锚索，四级设置两排，每级锚索竖向间距3m。锚索成孔直径150mm。灌浆材料选取普通硅酸盐水泥，灌注形式为M30纯水泥浆，水灰比为0.45。坡面挂设钢筋网并喷射混凝土，混凝土选择C30，厚度为12mm，选择直径为6mm的螺纹钢筋，钢筋网的网格尺寸为200mm。

5.4 其他加固方法

除了主要加固设施外，也需要采取一定的辅助设施，本项目采取增加排水设施作为辅助。应该多台阶岩质边坡下方为居民区，为减小雨水伤害，坡顶增设截水沟，坡地增加排水沟，坡面安置排水孔，从而排除坡体内部裂隙水并降低地下水位。

6 总结

多台阶岩质边坡作为一种人类活动后出现的岩质边坡类型，文中可知，岩质边坡出现失稳的因素包含内部因素和外部因素，人类活动会对岩体本身的结构造成影响，因此多台阶岩质边坡出现失稳问题是较常见的。目前岩质边坡的加固方法包含坡率法、混凝土支挡结构、锚固手段、排水措施、生态防护技术，本文以某工程案例对其应用做了简要呈现。总的来说，因多台阶岩质边坡的特性，在加固技术的选择和应用中，需要根据实际进行确定，以此来提高其应用成效。