非线性强度准则下炭质泥岩路堑边坡稳定性分析-论文.pdf

第4o卷第3期湖南交通科技Vo1．40No．32014年9月HUNANCOMMUNICATIONSCIENCEANDTECHNOLOGYSep．2014文章编号：1008-844X(2014)03-OOO9—03非线性强度准则下炭质泥岩路堑边坡稳定性分析．黄静字。黄新任(1．湖南路桥建设集团有限责任公司，湖南长沙410004；2．湖南省交通科学研究院，湖南长沙410015)摘要：炭质泥岩属于膨胀性软岩，遇水易崩解，在高速公路开挖形成路堑边坡后，容易因其软化的时效性而使稳定性降低，影响高速公路的安全营运。炭质泥岩采用Mohr—Coulomb准则无法解释其低应力及各向异性的特性，而非线性Hoek-Brown准则可有效弥补Mohr—Cou—lomb准则的不足。通过湖南省某高速公路炭质泥岩路堑边坡实例进行分析，采用非线性Hoek．Brown准则获取炭质泥岩的力学参数以及基于Slide有限元计算软件分析路堑边坡的稳定性，并根据炭质泥岩的特点进行护坡设计。说明了应用Hoek—Brown准则可以较为便捷与准确地进行岩体力学参数的稳健性取值以及稳定性分析，同时在坡面铺设预应力锚索的同时在坡顶进行生态护坡，具有保障边坡稳定性、经济及美化环境的优点。关键词i路堑边坡；炭质泥岩；稳定性分析；Hoek-Brown准则；护坡设计；Slide中图分类号：U416．14文献标识码：A称为炭质泥岩。炭质泥岩具有明显的地域差异性，0引言但其具有工程性质的共性。如易风化：炭质泥岩在为满足现代化及经济建设的需求，不可避免地温度、风力及雨水等自然营力下一般易风化、易崩高速公路网络向不良工程地质区域布展。炭质泥岩解、软化效应明显。尤其路堑边坡因其开挖新裸露属于膨胀性软岩，遇水易崩解、强度低、水理性强、受的炭质泥岩受风化影响较大，岩性劣化速率加大，边风化影响明显，炭质泥岩的分布给高速公路的建设坡稳定性降低。受水影响大：炭质泥岩中含有亲水及运营安全提出了苛刻的要求。炭质泥岩主要分布性较强的膨胀性岩，吸水迅速膨胀，失水收缩开裂，于广西、湖南及重庆等地区，并呈显著的区域差异且在降雨时容易因黏性物质起润滑作用促进岩块脱性。对炭质泥岩的研究罕见报道，主要集中于炭质离母岩。节理裂隙发育：炭质泥岩形成年代较久远，泥岩的饱水软岩力学性质⋯、降水人渗的稳定性影因地质作用混以其他物质并呈泥化状态，节理面发响，引、流变性质及边坡稳定性、加固处理及育明显并在开挖卸荷作用下，致使节理面张开，坡体路堤稳定性等方面。炭质泥岩属于极软岩，同时破损伤与松动。矿物成分复杂、不易植被生长：炭质因受工程环境及自然环境的影响，其力学性质随时泥岩中因含大量碳、硫等矿物而呈酸性，且植物所需间均呈非线性变化，使用Mohr．Coulomb准则具有一的氮、钾、磷等缺乏，在炭质泥岩边坡上铺筑草皮一定的局限性。本文基于非线性Hoek—Brown准则及般难以成活，生态护坡困难。地质强度指标GSI系统获取炭质泥岩的动态力学参2基于GSI的Hoek—Brown准则数与稳定性系数，具有快速辨识路堑边坡稳定性的优点，为其处治方案的拟定提供理论支撑。由于岩体性质的非连续性及具有时空效应，因而力学参数也随之具有不均匀性、不确定性与不连1炭质泥岩路堑边坡工程性质续性，同时，因条件的制约室内试验很难量测到与现泥岩为沉积岩，主要矿物成分为黏土矿物，属膨场实际岩体力学参数，表现出显著的差异性及随机胀性软岩，其抗压强度一般小于25MPa。广义的炭性；原位试验因不可能布设整个岩体工程范围从而质泥岩为灰岩、砂岩、泥岩等沉积岩中含黑色炭质即代表性不足可信度偏低且费时费力。广义H—B强收稿It期：2014—05—20作者简介：黄静宇(1981-)，男，工程师，主要从事路桥建设。 10湖南交通科技40卷度准则综合考虑了准则参数的多种影响因素，该强炭质泥岩路堑边坡的滑坡处治应根据炭质泥岩度准则巧妙结合定性与定量分析，具有简便及适用的工程性质，因地制宜，综合使用，尽量做到安全、经等优点，在岩体工程设计与科研中不断得到验证及济及环保等各项要求。改进。4工程实例分析基于GSI的Hoek—Brown准则是在Hoek—Brown准则的基础上通过引人GSI系统后提出的u，该准湖南省某高速公路全长140km，设计时速100则克服了M—C准则不能解释低应力及各向异性性km／h，为完善区域交通系统，擢升地区经济发展有质的不足，并能延用到破碎岩体，其表达式相对简单着较大的促进作用。该高速公路沿线娄底区域炭质且较大程度符合工程实际，因而在岩体工程中得到泥岩分布较为普遍，炭质泥岩风化带中，节理发育，广泛应用。其表达式为0-I=0-3+0-cf(mb×3／0-c￡含较丰富的裂隙水，在降雨作用下易发生崩塌、滑+s)。，式中：0-．、0"3分别代表岩体屈服时的最大主坡、泥石流地质灾害。受亚热带季风气候的影响，该应力及最小主应力；。￡为完整岩石的单轴抗压强路段地表风化程度较强烈，全风化一强风化岩体破度；半经验参数m6，s与tl,计算式分别为m6=m×碎，并含有一定渗水性。其中某右边路堑坡段的情exp[(GSI一100)／(28—14D)]、s=exp[(GSI一况如下：该段边坡坡高大约10m，坡长约40m，中厚100)／(9—3D)]与a=O．5+[exp(一GSI／15)一exp层状，劈理发育，经地质调查鉴定为炭质泥岩路段，(一20／3)]／6。其中：D为扰动系数，表征施工荷载分化程度不一，节理裂隙较发育，节理面较粗糙，节对岩体的作用影响程度，mf为岩石常数，由岩石种理间距0．2—0．5nl，延展性一般，单条延伸长度约类确定。为4．5—6．0m，发育密度为3．5—4．5条／m，经开挖卸荷后开挖面可见拉裂缝。为保障该炭质泥岩路堑3路堑边坡防治技术施工与运营期的安全，进行稳定性分析与加固设计。路堑边坡的稳定性同时受自身材料性质、结构4．1路堑边坡稳定性数值计算分析及外界环境等密切相关，因此其稳定性评价及处治Slide软件是具有通用性适用性强、操作简便的为一项系统工程。路堑开挖后，岩体原有的受力破边坡分析软件。该软件内含良好界面的前后处理与坏，在达到新的平衡时往往会发生坍塌、滑坡等地质求解器，且实现了圆弧、折线滑面、组合画面等自动灾害，因此需采取措施确保路堑边坡的稳定性。边搜索，并且在保持高精度计算结果时使计算时间减坡的防治措施分为“防护”与“治理”，在实际边坡设少并能直观形象地表示出安全系数等值线与可靠性计时往往将其融合，秉承“以防为主，防治结合”的指标。本文基于极限平衡分析使用Slide软件建模设计施工理念。只有当防护措施不能够完全达到边如图1，从上往下依次为强一全风化炭质泥岩、弱一坡稳定目的或边坡有失稳迹象或己发生失稳则需进微风化炭质泥岩与未风化炭质泥岩。行治理。炭质泥岩路堑边坡稳定性的防治措施基于炭质泥岩的性质有如下几种常用防治技术：1)防水排水：对于膨胀性炭质泥岩边坡，水是影响其稳定性重要的因素之一，进行边坡的防护和治理应对水重点治理。防排水的原则是：以防为主、防治结合；因地制宜，考虑经济、环保等要求；多种方式综合使用。常用的边坡防排水方式是设置排水沟、截水沟、边沟、渗沟、平孔等，在边坡工程中往往图1边坡稳定性计算模型综合使用。2)坡面防护：对于易风化的岩体边坡，适合在Slide软件中具有广义Hoek—Brown材料屈服准则，同时该软件中含有各岩体力学参数取值标准，炭岩坡表面抹面护坡或喷射混凝土，也可通过客土植草的方法，防止雨水的冲刷及岩体的劣化。质泥岩的岩体力学参数也采用广义Hoek—Brown准则进行选取。根据现场炭质泥岩地质实际情况，可3)边坡受力：最常用的是开挖放坡，在挖方较选取如下参数：其中全～强风化泥岩取GSI=10，m大引起经济、环境影响时则选用挡土墙、抗滑桩及锚=6，orf=25MPa，D=0．4；微一弱风化岩泥岩GSI杆等。 3期陈俊：罗依溪特长隧道工程地质评价161l：1．25，微风化灰岩采用l：0．5，并对仰坡进行喷采用复合式衬砌，初期支护宜采用喷混凝土+锚杆锚防护、加强截、排水设计。+钢筋网的锚喷支护，二次衬砌宜采用模筑钢筋砼2．3．2吉首端洞口段及仰坡稳定性评价结构；m级围岩段，其衬砌应采用复合式衬砌，初期隧道吉首端洞门处边坡较陡，坡体表层粉质粘‘支护可采用喷混凝土+锚杆的锚喷支护，二次衬砌土较薄，其下有薄层强风化页岩，岩质软，岩体较破宜采用模筑钢筋砼结构，当遇到岩溶发育较为强烈碎，往下变为中风化页岩，岩体较完整，岩层倾向坡的地方按四级围岩进行支护。·上，产状对洞门稳定有利，因此洞口段及仰坡稳定一此外，施工时应注意用小爆破开挖，并及时做好般，根据洞口段的岩土特征，建议两侧土层及强风化初期支护。层边坡坡比、仰坡的坡比采用1：1．25，中风化页岩3结束语坡比可采用1：0．75，并对仰坡进行锚杆加固、加强截、排水设计。罗依溪隧道通过地区位于山区丘陵地带，地质2．3．3洞身段工程地质评价情况复杂多变，前期应采用适宜的物探方法，较准确组成隧道洞身围岩的岩性有多种，其中微风化地查明地质情况。因物探解释的多解性，“非准确、条带状灰岩、条带状泥质灰岩、泥质灰岩、白云岩、白客观性”，在施工过程中物探推测的溶蚀发育带、溶云质灰岩，其岩质坚硬、岩体较完整，呈中厚层状、薄洞发育带的具体位置、规模可能与实际存在一定出层状，属Ⅲ级围岩，其破坏形式以掉块为主，一般难入，施工时应加强超前地质预报工作、后期服务人员产生大的坍塌，其稳定性一般一较好。的动态确认与修正设计工作，为工程顺利安全进行、微风化泥灰岩、页岩岩质较软，岩体较完整，呈保证工程质量打下良好的基础。中厚层状，属IV级围岩，其破坏形式以掉块为主，其稳定性一般一较差。参考文献：据物探测度，隧道区有多处低阻异常，推测为溶[1]傅鹤林，李凯，等．梅关隧道工程技术[M]．北京：科学出版社，2009．蚀裂隙发育带、溶洞发育带，岩体完整性相对较差，[2]邓江．猫山公路隧道工程技术[M]．北京：人民交通出版社，受地下水影响较大，其稳定性较低，建议按降低一级2002．围岩级别设计，并加强支护。[3]傅鹤林．隧道安全施工技术手册[M]．北京：人民交通出版社，2．3．4隧道开挖、支护、衬砌2Ol1．洞口、洞身段：V级围岩段，其稳定性差，易产生[4]孙翊新．沔渡隧道左洞k13+133塌方原因分析及处理方案[J]．湖南交通科技，2013(1)．坍塌，建议在开挖时采用辅助工程措施，如采用喷混[5]袁大平，孔思胜．通平高速公路姜源岭隧道塌方原因与处治研凝土+锚杆十钢筋网的锚喷支护，二次衬砌建议采究[J]．湖南交通科技，2013(1)．用模筑钢筋砼结构；IV级围岩段，开挖时可考虑在局部采用辅助工程措施，如采用超前锚杆等，其衬砌应(上接第ll页)2002edition[A]．ProceedingsoftheFifthNoahAmericanRock强度[J]．试验力学，2008，23(5)：396—402．MechanicsSymposium[C]．Toronto，Canada，2002．[11]Sonme~H，Gokceoglu．C，Ulusay．tLAn印pHcati0noffuzzysetsto[5]何忠明，吴维，付宏渊．基于应变软化模型的软岩高边坡过程稳定性研究[J]．中南大学学报(自然科学版)，2013，44(3)：theGeologicalStrengthIndex(GSI)systemusedinrockengineer-1203—1208．ing[J]．EngineringApplicationsArtificialIntelligence，2003，16[6]刘龙武．公路膨胀土路堑边坡的破坏特征及勘察技术研究(3)：251—269．[D]．长沙：长沙理工大学，2011．[12]林杭，曹平，李江腾，等．基于Hock—Brown准则的三维边[7]彭富强，袁昕，袁航．娄新高速复杂地质边坡治理研究及稳坡变形稳定性分析[J]．岩土力学，2010，31(11)：3656—3660．定性分析[J]．铁道科学与工程学报，2013，10(4)：106—111．[13]罗旋，杨威．路堑边坡地质勘察和稳定性分析[J]．公路[8]田洪宁．六盘水月照机场跑道高填方及下伏顺层边坡稳定性研究[D]．成都：西南交通大学，2011．工程，2013，38(1)：34—37．[14]彭响兰，钟明键．张花高速公路某边坡滑坡处治技术分析[J]．[9]莫凯，付宏渊。曾铃．车辆荷载作用下炭质泥岩路堤动力变形特征分析[J]．中外公路，2014，34(1)：14—18．湖南交通科技，2013，39(4)：42-45．[10]HockE，Carran~TC，C0rl【urrLB．Hock．Brownfailurecriterion一