富含伊利石软弱夹层的宣威群路堑顺层边坡开挖优化分析_李天降.pdf

引用格式：李天降富含伊利石软弱夹层的宣威群路堑顺层边坡开挖优化分析安全与环境工程，（）：，（）：富含伊利石软弱夹层的宣威群路堑顺层边坡开挖优化分析李天降（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 ）摘要：宣威群地层包含多层富伊利石软弱夹层，该地层路堑边坡开挖极易诱发顺层滑坡，从而造成重大的经济损失，因此开展含软弱夹层的路堑顺层边坡开挖优化分析对宣威群路堑边坡的减灾防灾具有较重要的意义。选取杨宣高速 左侧路堑顺层边坡为研究对象，分析了其变形特征和软弱夹层滑带土的矿物成分，开展了在不同法向应力作用下滑带土的慢剪试验和直剪蠕变试验，探讨了软弱夹层对边坡稳定性的影响，并针对单级、二级和三级路堑边坡的概化模型，研究了不同坡高和开挖坡率条件下边坡稳定性的变化规律。结果表明：富含伊利石软弱夹层的存在对边坡稳定性控制作用明显，与不考虑软弱夹层路堑顺层边坡相比，其稳定性系数下降了；高单级边坡的优化开挖坡率为 ，高单级边坡的优化开挖坡率为 ，高单级边坡的优化开挖坡率为；高二级边坡的优化开挖坡率为 ，高二级边坡的优化开挖坡率为，高二级边坡的优化开挖坡率为 ；高三级边坡的优化开挖坡率为，和 高三级边坡的优化开挖坡率为 ，高三级边坡的优化开挖坡率为。关键词：宣威群地层；路堑顺层边坡；软弱夹层；伊利石；开挖分析中图分类号：；文章编号：（）收稿日期：开放科学（资源服务）标识码（）：基金项目：中铁第四勘察设计院集团有限公司科学技术研究项目（）作者简介：李天降（），男，高级工程师，主要从事道路岩土工程设计和研究方面的工作。：（，）：，第 卷第期 年月安 全 与 环 境 工 程 ，：；云南省杨柳至宣威高速公路（杨宣高速）通过宣威群地层，该地层中多处路堑高边坡在开挖过程中发生了变形，这些变形的边坡多为顺向坡，坡体内发育有顺层面的软弱夹层，边坡沿着软弱夹层发生滑移，软弱夹层成为主控性的滑带，滑带土为浅灰白青灰色粉质黏土，富含伊利石黏土矿物。宣威群地层是二叠三叠纪转折时期的特殊地层，主要分布于川、滇、黔毗邻地区，岩性以黄绿、灰绿、褐黄色的细砂岩、粉砂岩、黏土岩、页岩夹煤层为主，宣威群地层中黏土矿物有多层的煤层夹矸或煤层夹黏土。宣威群地层中黏土层是滑坡灾害发育的主控因素之一，金沙江溪洛渡地区 的滑坡均与宣威群地层中黏土层有关 ，部分滑坡的滑带发育于宣威群地层煤夹黏土层中 ，黏土浸水后其内摩擦角降至 ，这些黏土层和煤层夹黏土层富含伊利石、伊利石蒙脱石混层矿物 。顺层滑坡的一个重要诱发因素是坡脚卸荷，如边坡开挖、河流侵蚀、水合物分解，其失稳破坏模式主要为滑移拉裂破坏、蠕滑压裂破坏、溃屈破坏，潜在的滑裂面往往受边坡岩体结构面和坡体结构的控制，可以采用解析解的方法精确确定 。对于含软弱夹层顺层岩质边坡而言，边坡开挖是否揭露软弱夹层、边坡开挖高度、软弱夹层类型和控滑贡献度是判断是否易诱发滑坡的关键指标，边坡的变形受层间软弱夹层及岩体结构的控制作用明显，软弱夹层滑动面的切向刚度 和内摩擦角对边坡的水平和竖向位移具有极显著的影响 ；当边坡含多层软弱层面时，易沿层面和后缘节理贯通面发生破坏。另外，动力作用下软弱结构面对顺层边坡的动力破坏模式具有重要的影响，坡体累积损伤失稳破坏演化过程表现为坡顶后缘（次级节理和层面）起裂扩展贯通、岩体沿复合滑动面整体滑移及完全破坏 。针对宣威群地层发育的滑坡灾害，目前的研究成果多关注滑坡发育的地质环境条件，而对宣威群地层中富含伊利石软弱夹层滑带土的强度特征及其对路堑顺层边坡开挖影响的成果甚少。因此，本文围绕宣威群地层中富含伊利石软弱夹层抗剪强度特征和宣威群地层典型路堑顺层边坡开挖优化开展研究，对宣威群地层路堑边坡设计和施工安全具有较重要的借鉴意义。宣威群地层典型路堑顺层边坡特征1.1边坡概况云南省杨柳宣威高速公路（杨宣高速）左侧路堑顺层边坡位于云南曲靖市倘塘镇，边坡最大高度约为 ，原设计为级路堑边坡，分级开挖，每级坡高为，边坡坡率为 。该边坡岩性为第四系粉质黏土夹碎石、二叠系上统宣威群组（）泥质砂岩（图和图）。碎石土呈灰褐色，中密，粒径大于 的颗粒含量约为，粒径一般为 ，多呈棱角状，母岩成分以强风化泥质砂岩、砂岩为主，碎石中充填黏性土。滑带土为浅灰白青灰色粉质黏土地；滑床为泥质砂岩，灰褐灰黄色，强风化，岩层倾向为 ，倾角为 ，节理裂隙很发育，岩体破碎，岩芯多呈块状，少量呈柱状，节长为 ，锤击声哑，易碎。图杨宣高速 左侧路堑顺层边坡工程地质平面图 1.2边坡变形特征分析该路堑边坡开挖到第二级边坡中部时，边坡堆安全与环境工程 ：第 卷图杨宣高速 左侧路堑顺层边坡工程地质剖面图 积体沿软弱夹层发生了滑动，滑体长约，宽约 ，滑体厚度范围为 ，滑体平均厚度约为，主滑方向为 （图）。滑体后壁整体下错 ，滑体出现大量裂缝，后缘拉涨裂缝贯通，滑体左、右侧剪切裂缝大量发育。其中滑体后缘裂缝延伸方向为 ，滑体左侧裂缝延伸方 向 为 ，滑 体 右 侧 裂 缝 延 伸 方 向 为 。滑体中前部左侧发育的两组裂缝延伸方向分别为 和 ，两组裂缝近似垂直；滑体中前部中间也发育两组裂缝，一组裂缝的延伸方向为 ，与主滑方向一致，另一组裂缝的延伸方向为 ，与主滑方向相差 左右（图）。图杨宣高速 左侧路堑顺层边坡变形特征及裂缝分布图 软弱夹层滑带土矿物成分和强度特征分析2.1软弱夹层滑带土成分分析杨宣高速 左侧路堑边坡的软弱夹层滑带土为浅灰白青灰色粉质黏土，厚约 ，滑动带上部和下部土体的含水率和软硬状态明显不同，上部土体可手搓成条状，为可塑软塑状态，下部土体需用镐才能挖动，为硬塑状态（图）。现场取该边坡软弱夹层滑带土试样，通过试验测定其塑限含水率为 ，其天然含水率为，接近塑限含水率。射线衍射分析表明，该边坡软弱夹层滑带 土 中 伊 利 石 含 量 为 、石 英 含 量 为 、绿泥石含量为 （图）。图杨宣高速 左侧路堑边坡的软弱夹层滑带土 图软弱夹层滑带土矿物成分的射线衍射图谱 2.2软弱夹层滑带土慢剪试验慢剪试验常用于获取边坡软弱夹层滑带土的峰值强度指标，本文采用 非饱和反压直剪仪，配置试验土样的天然含水率为，基于上覆自重应力设置试验的法向应力分别为 、和 个等级，使试验土样在不同法向应力下固结稳定，然后慢剪得到不同法向应力下试验土样的常规应力位移关系曲线，如图所示。由图可知，随着试验土样剪切位移的增加，剪切应力呈先快速增长后缓慢增长的变化趋势。第期李天降：富含伊利石软弱夹层的宣威群路堑顺层边坡开挖优化分析图不同法向应力下试验土样的常规应力位移关系曲线 该边坡软弱夹层滑带土的峰值强度按 土工试验方法标准 规范确定，对于慢剪试验中没有峰值的情况，则剪切至 结束试验，并取剪切位移 对应的剪应力作为试验土样的抗剪强度。根据莫尔库伦准则拟合的公式，得到该边坡软弱夹层滑带土的抗剪强度参数，即软弱夹层滑带土的峰值黏聚力为 、峰值内摩擦角为。2.3软弱夹层滑带土直剪蠕变试验直剪蠕变试验采用多级加载法，根据慢剪试验中取得的最大剪应力分级加载，将每级剪应力的加载时间设定为 ，得到不同法向应力下试验土样的分级加载蠕变曲线，如图所示。图不同法向应力下试验土样的分级加载蠕变曲线 由图可知，试验土样的直剪蠕变曲线呈现非线性特征，曲线有明显的拐点，拐点后曲线斜率明显增大。本文采用等时曲线法确定了滑带土试样在法向应力为 、和 对应的抗剪强度分别为 、，与相同法向应力条件下滑带土的峰值强度对比分别减小了、和（图）。图不同法向应力下试验土样的等时曲线 利用摩尔库伦准则，可得到滑带土的长期强度安全与环境工程 ：第 卷参数为黏聚力 、内摩擦角 ，与常规直剪试验滑带土的抗剪强度参数（，）相比，其值分别减少了 和 （图）。图边坡软弱夹层滑带土长期抗剪强度与峰值抗剪强度的比较 2.4软弱夹层对边坡稳定性的影响为了分析软弱夹层对 边坡稳定性的影响，分别 选 取 了 包 含 软 弱 夹 层 路 堑 顺 层 边 坡 见图（）和 不 包 含 软 弱 夹 层 路 堑 顺 层 边 坡 见图（）进行对比研究。参数选取参考勘查设计图 软弱夹层对杨宣高速 左侧路堑顺层边坡稳定性的影响 报告 和 直 剪 蠕 变 试 验 结 果：滑 体 重 度 设 为 ，黏聚力设为 ，内摩擦角设为 ；软弱夹层滑带土重度设为 ，黏聚力设为 ，内摩擦角设为 ；滑床基岩重度设为 ，黏聚力设为 ，内摩擦角设为 。选取开挖到第二级边坡的路堑顺层边坡建立地质力学模型，并采用 软件的 方法开展边坡的稳定性验算，得出不考虑软弱夹层路堑顺层边坡的稳定性系数为 ，而考虑软弱夹层路堑顺层边坡的稳定性系数为 ，边坡稳定性系数下降了。由此可见，富含伊利石软弱夹层的存在会导致该边坡稳定性系数较大程度地降低，因此在宣威群地层路堑顺层边坡设计和施工中必须充分考虑这一因素的影响。富含伊利石软弱夹层的路堑顺层边坡开挖优化分析3.1单级路堑顺层边坡开挖优化分析路堑开挖边坡稳定性最主要的影响因素为坡高和开挖坡率，针对含软弱夹层的单级路堑顺层边坡，本文 分 别 选 取 、三 种 坡 高，选 取、六种开挖坡率，建立多种组合模型来进行边坡开挖优化分析，并选取第 节的滑体、滑带和滑床参数，采用 软件的 方法开展了不同开挖坡率条件下边坡的稳定性计算，其计算结果如图 所示。图 不同坡高和开挖坡率下含软弱夹层的单级路堑顺层边坡稳定性分析结果 由图 可知：当边坡高度为，开挖坡率从 变化到 时，边坡稳定性系数从 降到 ；当边坡高度为，开挖坡率从 变化到 时，边坡稳定性系数从 降到 ；当边坡高度为，开挖坡率从 变化到 时，边坡稳定性系数从 降到 ；对于富含伊利石软弱夹层的单级路堑顺层边第期李天降：富含伊利石软弱夹层的宣威群路堑顺层边坡开挖优化分析坡而言，高边坡的优化开挖坡率为 ，高边坡的优化开挖坡率为 ，高边坡的优化开挖坡率为。3.2二级路堑顺层边坡开挖优化分析针对含软弱夹层的二级路堑顺层边坡，分别选取、三种坡高，选取 、六种开挖坡率，平台宽度选取，第二级坡高选取，建立多种组合模型来进行边坡开挖优化分析，得到不同开挖条件下边坡稳定性计算结果，如图 所示。图 不同坡高和开挖坡率下含软弱夹层的二级路堑顺层边坡稳定性分析结果 由图 可知：当边坡高度为，开挖坡率从 变化到 时，边坡稳定性系数从 降到 ；当边坡高度为，开挖坡率从 变化到 时，边坡稳定性系数从 降到 ；当边坡高度为，开挖坡率从 变化到 时，边坡稳定性系数从 降到 ；对于富含伊利石软弱夹层的二级路堑顺层边坡而言，高边坡的优化开挖坡率为 ，高边坡的优化开挖坡率为，高边坡的优化开挖坡率为 。3.3三级路堑顺层边坡开挖优化分析针对含软弱夹层的三级路堑顺层边坡，分别选取、四种坡高，选取、六种开挖坡率，平台宽度选取，第二级和第三级坡高均选取，建立多种组合模型来进行边坡开挖优化分析，得到不同开挖条件下边坡稳定性计算结果，如图 所示。图 不同坡高和开挖坡率下含软弱夹层的三级路堑顺层边坡稳定性分析结果 由图 可知：当边坡高度为，开挖坡率从 变化到时，边坡稳定性系数从 降到 ；当边坡高度为，开挖坡率从 变化到 时，边坡稳定性系数从 降到 ；当边坡高度为，开挖坡率从 变化到 时，边坡稳定性系数从 降到 ；当边坡高度为，开挖坡率从 变化到 时，开挖稳定性系数从 降到 ；对于富含伊利石软弱夹层的三级路堑顺层边坡而言，高边坡的优化开挖坡率为，和 高边坡的优化开挖坡率为 ，高边坡的优化开挖坡率为。结论本文基于云南宣威群地层典型路堑顺层边坡的变形特征、软弱夹层滑带土矿物成分和强度特征分析，开展了富含伊利石软弱夹层的宣威群地层路堑顺层边坡开挖优化分析，得出以下结论：（）该边坡为典型宣威群顺层滑坡，路堑边坡开挖到第二级边坡台阶时，堆积体沿软弱夹层层面发生了滑动，软弱夹层滑带土为浅灰白青灰色粉质黏土，富含伊利石矿物，其含量为 。（）该边坡软弱夹层滑带土剪切试验和边坡稳定性分析结果表明：与峰值强度相比，滑带土长期抗剪强度的黏聚力值下降了 ，内摩擦角值下降了 ；与不考虑软弱夹层路堑顺层边坡相比，考虑软弱夹层路堑顺层边坡的稳定性系数下降了安全与环境工程 ：第 卷，表明富含伊利石软弱夹层的存在对边坡稳