煤系地层高切坡稳定性评价

煤系地层高切坡稳定性评价
摘要：在山区修建公路不可避免地需要进行高切深挖，往往会形成大量的高切坡，边坡岩体原有应力平衡被打破，为高切坡的失稳创造了地质条件。

本文以湖北沪蓉西高速公路（宜昌—恩施段）k199+520～k199+580段煤系高切坡为研究对象，利用赤平极射投影法、有限元ansys法对高切坡整体和局部稳定性做出了评价。

研究表明，坡体主控结构面对岩质高切坡的整体稳定性起控制作用；煤夹层对岩质高切坡的局部稳定性起控制作用。

建议采用锚杆喷射砼—挂网来加固坡体整体，用锚索－格构梁和劈裂注浆联合法来加固坡体局部。

关键词：煤系地层；高切坡；赤平极射投影；有限元；稳定性评价
1 前言
随着西部大开发的不断深入，西南、西北地区的交通基础设施建设正不断地改进和完善。

在道路的建设过程中往往要穿越崇山峻岭，会经常遇到高填深挖工程，这样，给工程设计和施工带来了较大的难度，特别是道路需要穿过煤系地层等含软弱夹层的地段时，开挖形成的高切坡其稳定性是难以确定的。

为了使高切坡在施工和营运过程中保持稳定，科研工作者一般采用了增大安全系数法来加固坡体，但是此法使工程材料造成了一定的浪费，怎样来优化加固煤系地层高切坡，已经成为众多专家和学者致力解决的问题[1～4]。

建设中的沪蓉西高速公路（宜昌—恩施段）将穿过湖北省恩施，区域内地形地貌复杂，历史上曾多次发生大型山体滑坡、泥石流等自然灾害；岩石和土体的类型多种多样，岩体节理十分发育，给工程设计施工带来了一定难度。

该公路k199+520～k199+580段将通过煤系地层，最高反倾高切坡达64m，本文以此段高切坡作为研究对象，运用赤平极射投影法和有限元数值模拟，进行高切坡稳定性评价。

2 高切坡工程地质条件
工程所在地山体发育，属侵蚀低山斜坡地貌。

地势总体上南西高北东低，地面高程439.00～517.00m，相对高差78m，地形起伏较大，斜坡灌木发育，无地表水体出露。

本区属朝阳-官阳背斜南翼，以单斜构造为主，未发现断层及次级褶皱。

场地基岩岩层产状181～215 o∠19～22o。

斜坡岩体内主要发育4组裂隙：①组：产状42～48o∠65～85o，延展2.50～4.00m；②组：产状71～78o∠70～81o，延展3.00～4.00m；③组：产状313～324o∠62～81o，延展3.00～4.20m；④组：产状13～15o∠81～84o，延展3.00～4.00m。

4组裂隙间距0.30～0.50m，张开，裂面平直，粘性土充填。

从地勘资料[5]可知，场地内出露地层主要为第四系人工填筑土（q4me）、第四系残坡积碎石土 (q4el+dl)和下伏基岩组成，下伏基岩主要为三叠系上统须家河组砂岩（t3xj）、泥岩互层夹煤层和三叠系中统巴东组（t2b）泥灰岩、碳质角砾岩组成。

其中煤夹层
呈黑色，一般厚度较小，以薄夹层或透镜体型式出现（图1）。

3 煤系地层高切坡变形机制
该段高切坡一个显著的特点就是含有煤夹层，且其厚度不均，从钻孔资料来分析，该高切坡主要含有两个煤夹层，导致煤系地层的物理力学参数进一步弱化, 致使坡体因强度不足而产生坍滑变形, 从而引起整个高切坡的变形破坏。

图1 k199+550剖面地质结构
4 高切坡稳定性评价
目前，此段高切坡尚未大面积开挖，设计坡角线呈弧形，线路设计高程427.99～429.38m，地面高程为438.20～463.55m，线路高程远低于原地面高程，线路埋深11.00～34.00m。

则根据此开挖坡率，利用赤平极射投影法和有限元数值模拟对高切坡稳定性进行评价。

4.1赤平极射投影法分析结构面对高切坡整体稳定
赤平极射投影法是工程实际中常用来分析岩质高切坡整体稳定性的图解法之一[6～7]。

它能反映高切坡岩体中的结构面分布规律和相互组合状况，能表示岩体中结构面数量、产状及其相互的组合关系。

该方法可以进行岩质高切坡破坏体形态、失稳滑动方向和稳定程度的分析评价[8～9]。

从地勘资料统计分析得到k199+520～k199+580左线高切坡岩体中4组主控结构面为lx1 、lx2 、lx3、lx4 ,分别采用赤平极射投
影法进行主控结构面与高切坡面、层理面进行组合,以此组合关系和特征为依据,对k199+520～k199+580左线高切坡的稳定性进行定性分析评价。

根据切坡面及坡体内岩体主控结构面产状，以k199+550和
k199+570两个典型剖面为例，作赤平极射投影图（图2～图3）。

图2k199+550剖面高切坡赤平投影图
图3k199+550剖面高切坡赤平投影图
由图2可知：岩层产状较缓，反倾，对高切坡稳定性影响小，若按1：0.50坡率放坡之后，裂隙倾角陡于坡脚，对高切坡的稳定性影响小；lx2和lx3裂隙切割成楔型体，交线产状为：14o∠63o，与高切坡呈小角度相交，若按1：0.50坡率放坡开挖后基本上与交线倾角一致，可能发生楔型滑动。

由图3可知，岩层产状较缓，反倾，对高切坡稳定性影响较小，lx1裂隙与高切坡呈小角度相交为顺层结构面，但裂隙倾角较陡，若按1:0.5坡率放坡之后，裂隙倾角陡于坡角，对高切坡的稳定性影响小；lx2和lx4可能在高切坡上形成楔型体。

4.2 用有限元ansys 分析高切坡稳定性
有限单元法（fem）是岩质高切坡稳定性的数值分析计算法中使用较为广泛的一种，不论是理论基础，还是实践应用和经验都比较成熟。

因此，采用有限元法（fem）对k199+520～k199+580段反倾
岩质高切坡稳定性进行计算分析是适宜的。

本文利用美国大型有限元计算软件ansys来进行分析。

4.2.1 计算模型
本次计算是以此段高切坡典型剖面k199+570为例，根据钻探资料可知，岩层从表及里分别为：细砂岩（3.80m）、煤层（0.50m）、细砂岩（3.20m）、粉砂质泥岩（0.70m）、细砂岩（5.60m）、煤层（1.50m）、细砂岩（3.70m）、粉质泥岩（2.33m）、细砂岩（20.12m）碳质角砾岩（7.26±m）（图1）。

计算模型与实际比例为1：1，其计算模型见图4，x方向（垂直与道路中心线）范围为225.28m，y 向（垂直于公路）范围为199.38m，总节点数为2762个，四边形单元数为2596个。

图4k199+570剖面计算模型
4.2.2计算边界条件及特征参数
本文计算所采用的是理想弹塑性模型，ansys程序中是采用广义mises屈服准则，即我们通常所说的drucker-prager准则[10]，计算时模型底部为全部约束，左右为法向约束。

所用岩体力学参数均来自《勘察报告》[5]的建议值和工程类比值（表1）。

表1 数值模拟岩体物理力学参数
岩体 (kg/m3)
(mpa)
(kpa)
岩体特征
残坡积碎石土2100 200 0.30 25 20 土黄色，松散～稍密状
细砂岩2540 5000 0.18 860 41 黄褐色，岩体较破碎煤层2200 200 0.32 20 17 黑色，呈薄夹层、透镜体状粉砂质泥岩2300 1500 0.24 150 27 青灰色，粉砂、碎石状
碳质角砾岩2400 2000 0.25 200 28 黑色，呈粉砂状
4.2.3开挖方式及结果分析
利用ansys软件中的杀死单元法，根据施工顺序分2个阶段来开挖,计算分3次来完成，第1次计算拟开挖路段岩体在重力作用下的弹性变形和应力，作为初始状态；第2次是计算第1阶段开挖高切坡的应力调整和位移变化情况；第3次是计算高切坡形成后但未加支护的情况下坡体的应力、位移最终形成情况，以来分析坡体的稳定性。

从第2阶段开挖情况来看，最大的塑性变形区出现在含煤夹层位置。

从塑性区来看该高切坡不会出现从坡脚出现剪切破坏情况，但由于开挖后，煤夹层出现压裂破坏，能使坡体后沿岩体出现拉—裂破坏。

同时高切坡第3～5级台阶可能出现剪切破坏。

5 结论与建议
（1）根据采样试验结果统计，砂岩抗剪强度中的
内摩擦角 =0.84，理论破裂角（45 o+ ）为65 o；因此建议按1：0.50（64 o）坡率分阶放坡开挖是比较合理的。

因此可采用锚杆喷射砼—挂网来加固高切坡，以满足整体稳定性。

（2）从有限元分析可知由于煤夹层的存在，开挖卸荷之后，高切坡第3～5级将出现压裂破坏，为了保证高切坡的稳定，须在用锚喷挂网防护整个高切坡的同时，并通过劈裂注浆法压密煤夹层并充填裂缝,以增加煤夹层岩土体强度。

（3）开挖过程中，应控制爆破，分段分阶开挖，宜边开挖边及时进行加固处理；加强坡体，在施工过程中的变形监测；应采取信息法施工和动态化设计。

参考文献：
[1] 李吉东.京珠高速公路小塘至甘塘段煤系地层路堑高边坡稳定性分析与防治[j].水文地质工程地质,2003(5):86～88.
[2] 卿三惠,黄润秋.西南煤系地层软岩地区坡麓相斜坡软土特性研究[j].水文地质工程地质,2005(2):53～57.
[3] 姜静,江小霞.广清高速公路煤系土路堑边坡设计[j].中外公路,2005,25(5):27～29.
[4] 苏少青,李应顺.浅谈京珠高速公路粤境北段特殊岩土路堑边坡的防护与加固[j].广东公路交通,2001(3):52～54.
[5] 湖北省交通勘察设计院有限公司. 湖北沪蓉西高速公路
（宜昌—恩施段）k199+520～k199+580段左侧高边坡地质勘察报告[r],2004
[6] 詹志雄.赤平极射投影分析和楔形体稳定计算[j].铁道勘察,2005(4):51～54.
[7] 陈洪凯,唐红梅,叶四桥,等.危岩防治原理[m].北京:地震出版社.2006.
注：文章内所有公式及图表请以pdf形式查看。