小康高速公路K169+520反倾层状路堑边坡稳定性数值分析

摘要:倾倒变形是变质岩地区反倾向层状结构边坡变形的主要型式。现将变质岩地区反倾向层状结构边坡的倾倒变形进一步划分为脆性折断倾倒、延性弯曲倾倒两种类型。该类边坡倾倒变形的主控因素为变质岩的岩石性质、岩石结构和边坡构造特点。选择陕西小康(小河-安康)高速公路K169+520反倾向层状边坡结构进行了边坡变形模式分析,进而采用数值模拟法进行了边坡稳定性分析。在此基础上,提出了边坡处治要点,得到了关于反倾向结构公路边坡稳定性的基本认识。

关键词:边坡;反倾向层状结构;稳定性;小康高速公路

中图分类号:P642;TU454文献标识码:A文章编号:1672-1683(2010)05-0095-04

Numerical Analysis of the K169+520 Cutting Slope Stability of Layered Structure with Reverted Dip Direction in Xiaokang Expressway

GOU Rui1,SU Sheng-rui2,HE Hui-wen3

(1.Xi′an Company of Shaanxi Expressway Construction Group,Xi′an 710054,China; 2.Chang′an University,Xi′an 710054,China;3.Xi′an University of Architecture Technology,Xi′an 710054,China)

Abstract:Toppling is the main deformation type of slopes of layered structure with reverted dip direction in the metamorphic areas. The toppling in the metamorphic areas is divided into brittle fracture and ductile bending. The controlling factors for the failure of these kinds of slope are the lithology,texture of rocks and the structure of the slope.The authors analyzed the failure model and stability of K169+520 slope of Xiaokang expressway by numerical modeling. The treatment points are suggested and the basic understanding to the stability of slopes of layered structure with reverted dip direction is drawn.

Key words: slope;layered structure with reverted dip direction;stability;Xiaokang expressway

由于形成的地质条件不同,变质岩与沉积岩、岩浆岩相比有着不同的特点[1-2]。伍法权[3]研究了宝成铁路阳平关段云母石英片岩斜坡的弯曲倾倒变形;何振海[4]等研究了鞍钢眼前山铁矿上盘千枚岩边坡的工程地质特征,探讨了合理边坡角的选取;李树德[5]研究了陇南武都白龙江流域变质岩区滑坡的活动性,并进行了边坡稳定性分区。

岩层走向与边坡走向夹角小于30°、倾向与坡向相反的边坡,即属于反倾向层状结构边坡。该类边坡的稳定性问题在水利水电、道路边坡开挖等方面都广泛存在,且主要发生在斜坡前缘或侧缘[6],其发生失稳破坏的主要形式常为“点头哈腰”型的弯曲倾倒变形。

硬岩边坡中的倾倒变形问题,最早是Muller[7]提出的,之后,国外多位学者对该问题进行了模型研究和计算分析,如Hoek.E在对倾倒破坏问题进行的详细研究[8]。随着我国工程建设的发展,许多学者对边坡倾倒变形机理进行研究,并运用各种方法对其分析计算[9]。

小(河)-(安)康公路是西部大通道阿荣旗-北海线的陕西境横穿秦岭的一部分,北起旬阳县小河镇,南止安康市汉滨区的五里镇,全长59.1 km。沿线反倾向层状结构边坡发育,边坡变形的模式和稳定性问题是边坡处治的关键所在。本文在对变质岩区反倾向层状边坡的变形类型和变形机理分析的基础上,对小康高速公路K169+520边坡进行了稳定性分析,并提出了边坡处治要点。

1 变质岩区反倾向边坡倾倒变形的类型和破坏机理

倾倒变形是边坡漫长地质历史演变过程的产物,主要发育在陡立或陡倾坡内层状岩质边坡中,其中以柔性为主的薄层状岩体易发生弯曲倾倒变形;以脆性为主、横节理发育的层状岩体,多呈块状倾倒或弯曲倾倒变形。

1.1 脆性折断倾倒

对于中厚度的层状岩体如板岩、薄层灰岩、层状变质砂岩及层状变质火山岩等,由于岩石刚度较大,抗弯度小,超过弹性限度后易折断堆砌。其变形发展可分为以下3个阶段:① 卸荷回弹,陡裂面拉裂;② 板梁弯曲,拉裂面向深部扩展并向坡后扩展;③ 板梁根部折断,岩块转动、倾倒,根部架空导致破坏。最终发展为层叠状破坏,在坡体表面形成大量的反向台阶。随板梁弯曲发展,临空面的向后和向深部推进,有明显的而连续的底部边界。其特征变形为:变形岩体与下伏正常岩体接触为突变式接触,在变形体内部基本为均一的板状块体,板状组合总体构成楔形体,底部有明显、连续而微张的剪切面,在破裂面处形成三角形架空空间,在进一步风化过程中,泥质充填,变形破坏沿层间软弱结构面产生错动,形成滑动界面。

1.2 延性弯曲倾倒

对于薄而软的层状岩体如云母片岩、千枚岩等,由于具有很好的柔性,弯曲变形角度可以很大,变形连续,最大弯折带常形成倾向坡外断续的拉裂面,岩层中原有的垂直层面的裂隙转向坡外倾斜,变形进一步发展,形成向外拉伸破裂面的连续贯通,以深部拉裂面为底部边界,形成滑移-拉裂变形破坏。其演化过程可分为:表部弯曲→弯曲带向深部发展,后缘拉裂→表部滑塌,剪切带形成→剪裂面贯通发生深部滑坡。

2 小康高速公路K169+520反倾向层状边坡结构与变形模式

2.1 边坡基本特征

该边坡主要出露岩石为典型的浅变质岩-粉砂质板岩夹千枚岩,其中粉砂质板岩占65%,千枚岩占30%,还有少量的石英和碳酸盐岩细脉。由于旁侧断层构造作用地形为一向坡外伸出的微山脊,开挖后边坡陡峻,植被发育。边坡长度120 m,自然边坡坡度40°左右,边坡的高度48 m,边坡分为四级开挖,见图1。

2.2 边坡岩体结构特征

边坡东侧发育有一条规模较大的一般性断层(Ⅲ级结构面),和一些小断层、挤压带(Ⅳ级结构面)以及节理裂隙(Ⅴ级结构面)等。根据现场调查以及工程边坡的施工调查,各类结构面的工程地质特性如下。

图1 小康公路K169+520边坡远景图

Fig.1 The K169+520 slope of Xiaokang Expressway

① Ⅲ级结构面。边坡发育的陡倾斜切断层,位于边坡的东侧,对边坡不直接构成影响,但对边坡的发展趋势有一定的影响,断层造成东部自然边坡地形突兀凹陷明显,在断层南盘即边坡的上部影响形成向断层的倾倒变形现象,该断层构成边坡的力学边界。

② Ⅳ级结构面。根据施工边坡现场调查,边坡发育的Ⅳ级结构面(小断层)有4条,产状以NW-NNW向最为发育、NE-EW次之,且以中倾角为主,一般影响带宽度不大于10 cm,物质以岩块、岩屑为主。不同岩性的岩层面为缓倾破碎带,宽度多在8～15 cm,物质组成以岩屑为主,夹泥或含炭质千枚岩岩粉。

③ V级结构面。据现场调查,边坡发育的V级结构面(破碎千枚理、小裂隙)主要有2组,产状分别为120°～160°∠55°～60°和220°～230°∠65°～70°,其中前者(倾向坡内)最为发育。裂隙多闭合,少量充填岩屑、泥。坡体顶浅表部位风化层已发生倾倒变形现象,在边坡旁侧桥基开挖中坡脚卸荷回弹明显。

2.3 边坡岩体结构特征及变形模式

边坡变质岩体的原生结构(板劈理或千枚状叶理)为层状,由于各级结构面的存在,以及风化卸荷的影响,使得工程边坡岩体层状结构或碎裂结构明显。

志留系板岩夹千枚岩被1~2组结构面切割,结构面是在千枚理和板理面基础上的层内剪切形成,边坡反倾向面理和切割的结构面构成边坡岩体层状结构。此类结构岩体在秦岭地区公路边坡比较普遍。该路段在层状岩体的结构面走向与边坡走向小角度相交并陡倾坡内,边坡常发生倾倒变形。

根据断层、裂隙优势方位和工程边坡的相互关系,优势裂隙与公路边坡走向均为近东西向,两者走向接近而倾向相反,边坡倾角为60°左右。同时,边坡下部反倾向构造带,将构成倾倒时变形体的底部界面。这些特征说明边坡岩体存在典型的倾倒变形的可能性,见图2。

根据上述分析,边坡的稳定性主要受反倾陡立的软弱结构面控制,边坡可能的变形模式主要为倾倒变形。边坡岩体如发生倾倒变形甚至破坏,将对公路安全营运造成影响。

图2 边坡结构面赤平投影分析

Fig.2 Projection of discontinuities of the slope

3 边坡稳定性数值模拟分析

边坡的稳定性主要受倾向坡内的层间剪切带以及节理裂隙控制,平行或近于平行坡面的微裂隙,与倾向坡内的软弱结构面相互组合,而且边坡下部千枚岩和含炭质板岩强度较小,边坡易发展形成的滑移-拉裂变形模式。根据实测地质剖面,按照计算的一般规律对剖面进行抽象,得到相应的数值计算模型,见图3。

模型中主要考虑了变质岩及其风化岩,结构面主要考虑

图3 边坡主剖面及网格划分计算模型

Fig.3 The main geological profile and the numerical model

了倾向坡内的构造错动带以及中陡倾坡外的节理构造破碎带

等。根据边坡所处的环境条件,确定模型的边界约束,在考虑自重作用下,按照Mohr-Coulomb力学模型进行分析。根据勘察结果,结合试验分析选取计算的边坡岩体和结构面参数,见表1。

表1 边坡岩体力学参数

Table 1 Parameters for stability computation

状态岩类容重/(kN•m-3)

模量/GPa

弹性变形泊松比内聚力c /MPa内摩擦角φ( °)

天然状态

饱和状态

覆盖层18.53024

上部岩体23.813.311.20.05518.538

下部岩体27.312.67.60.0502042

覆盖层21.91618

上部岩体25.98.97.70.0681330

下部岩体27.310.28.90.0521240

对天然和饱和两种工况下进行边坡开挖前和边坡开挖后模拟,模拟计算结果如下。

3.1 开挖前应力场特征

① 边坡应力场明显受重力场控制,主应力随深度的变化符合边坡应力场分布的一般规律,主应力场的方向与边坡应力场分异的一般规律吻合[图4(a)],即地表附近,最大主应力表现与地表平行,而最小主应力则与坡面垂直。

② 结构面的存在一定程度上影响了应力分布的连续性,尤其在结构面附近表现为较大的剪应力变化梯度,出现了应力降低和集中区。

③ 天然状态下最大值出现在坡体最深部,在断层构造和层间软弱面附近,出现应力降低区,在结构面端部出现应力集中。饱和状态最大主应力较天然状态略有降低,分布位置与天然状态相似[图4(b)]。

④ 最小主应力主要分布在各断层和挤压面附近,出现应力降低区,在结构面端部出现应力集中,局部出现拉应力。

图4 开挖前天然状态下和饱和状态下边坡最大主应力分布

Fig.4 Distribution of the maximum principal stress in natural state(a) and saturated state(b)

⑤ 开挖前边坡在天然和饱和状态下边坡应力分布变化不大,仅在量值上略有差异。

3.2 边坡开挖后天然状态下坡体应力及变形特征

① 应力场特征(图5)。随着边坡的开挖,坡体内的应力场不断调整,边坡坡面附近,最大主应力方向由垂直变为与坡面近似平行,最小主应力方向由水平变为近似垂直坡面。最大主应力在结构面

附近及边坡的浅表部位出现了应力降低和集中区,但没有出现拉应力。最小主应力在各结构面附近出现了较大的应力变化梯度,另外在边坡的浅表部位出现了拉应力集中。剪应力也在各结构面附近出现了较大的应力变化梯度,特别是在边坡构造影响部位,另外在边坡的各级台阶的坡脚部位出现了剪应力集中。

图5 开挖后天然状态下和饱和状态下边坡最大主应力分布

Fig.5 Distribution of the maximum principal stress in natural state(a) and saturated state(b)

②变形场特征(图6)。边坡开挖后,导致开挖面附近一定范围内岩体产生向临空面方向的位移,其中以边坡开挖线附近位移最大,以垂直位移为主,垂直位移方向向上,表现为应力释放后的卸荷回弹。X方向坡面点位移量值在10 mm,在结构面附近出现了明显的位错现象。边坡上部由于层间构造挤压带的存在,边坡岩体卸荷回弹现象较明显,位移较大。边坡坡面岩体由于层间构造挤压带的存在,卸荷回弹现象较明显,位移较大,饱和状态较天然状态变形幅度大。最大剪应变的主要分布在各个结构面附近,边坡岩体主要沿结构面出现最大剪应变,而边坡的变形也主要沿这些结构面发生。边坡变形以弹性变形为主,没有出现塑性变形区,说明边坡整体处于稳定状态,仅需对坡体表面进行防护处理。根据对边坡岩体变形的肉眼观察,开挖后的变形与上述分析结论一致。

图6 反倾边坡开挖后坡面X方向变形曲线

Fig.6 Deformation curve of the slope after excavation in the X direction

4 边坡处治要点

由于已有边坡岩体顶部已经发生弯曲变形,边坡开挖破坏了原有基本稳定系统,下部限制去掉,边坡岩体发生卸荷,顶部风化岩体处于不稳定状态,在降雨条件下可能发生破坏。在坡体中上部弯曲轴面后移,可能将在坡面中部形成变形区间,会影响上部岩体,极易发生坡面小型块体滑落。由于构造面或软弱夹层的存在,在长时间降雨条件下,结构面软化,强度降低,会加速边坡倾倒变形程度。该类变形在边坡设计与处治时,主要针对坡面上部的倾倒变形带进行清理,对新开挖边坡的变形区采取措施控制或预留一定的变形空间同时控制变形的发展,在坡脚低矮墙或其他加固措施,阻止变形的发展速度,保证服务年限内的边坡稳定。

5 关于反倾向结构公路边坡稳定性的基本认识

通过以上对缓倾坡内结构面控制型边坡——小康公路K169+520边坡稳定性的分析研究,可以得出如下认识。

① 边坡岩体由上覆中层状变质粉砂岩夹板岩千枚岩和下部千枚岩组成,岩层产状与边坡呈相反方向,边坡发育有Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级构造带,对边坡变形起控制作用的是Ⅳ级构造带。通过结构面与边坡体结构组合分析认为边坡可能产生倾倒变形,边坡的变形机理模式为滑移-拉裂变形。

② 通过二维有限元数值模拟计算,分析小康高速K169+520边坡开挖前后应力场和位移场的变化,边坡开挖后在边坡浅表部位出现了拉应力集中,并产生卸荷回弹,最大水平位移10 mm。结构面为应力应变的递增带,并在坡面的结构面部位出现位错现象,公路边坡可能沿结构面发生滑移-拉裂变形。数值模拟显示边坡没有形成统一的塑性应变区,边坡处于整体稳定状态,仅在坡体表面出现卸荷破坏。对边坡的处治重点做好坡脚防护,减缓变形的发展速度。

③ 对此变质岩区层状反倾向结构公路边坡稳定性分析认为:边坡倾倒变形的主控因素为变质岩的岩石性质、岩石结构和边坡构造特点。边坡的变形破坏机理是边坡的层状结构赋存状态与边坡的组合特点决定的。岩石特点不同破坏的特点不同,硬质岩层边坡以回弹-弯曲倾倒-折断底部架空贯通完整的剪切面为主要特点;软弱变质岩强度较低,以倾倒弯曲-拉伸-剪切带形成为特征。因此倾倒变形是此类边坡最主要的变形破坏方式。此类边坡特别做好防、排水等坡面防护工程,防止地表水进入坡体,进一步弱化岩体力学性状,处治时做好坡脚防护防止变形的扩大。

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