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邊坡穩(wěn)定
(―)影響邊坡穩(wěn)定的因素
影響邊坡穩(wěn)定性的因素有內(nèi)在因素與外在因素兩個方面。內(nèi)在因素有組成邊坡巖土體的性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、巖體結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力等,它們常常起著主要的控制作用;外在因素有地表水和地下水的作用、地震、風化作用、人工挖掘、爆破以及工程荷載等。下面從地貌條件、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造與巖體結(jié)構(gòu)、地下水四個因素來介紹具體的影響作用。
1.地貌條件
深切峽谷地區(qū),陡峭的岸坡是容易發(fā)生邊坡變形和破壞的地形條件。'例如,我國西南山區(qū),沿金沙江、岷江、雅礱江及其支流等河谷地區(qū),邊坡松動破裂、蠕動、崩塌、滑坡等現(xiàn)象十分普遍。一般來說,坡度越陡,坡高越大,對穩(wěn)定越不利。例如,崩塌現(xiàn)象均發(fā)生在坡度大于60°的斜坡上。
2.地層巖性
地層巖性對邊坡穩(wěn)定性的影響很大,軟硬相間,并有軟化、泥化或易風化的夾層時,最易造成邊坡失穩(wěn)。底層巖性的不同,所形成的邊坡變形破壞類型及能保持穩(wěn)定的坡度也不同。
(1)對于深成侵人巖、厚層堅硬的沉積巖以及片麻巖、石英巖等構(gòu)成的邊坡,一般穩(wěn)定程度是較高的。只有在節(jié)理發(fā)育、有軟弱結(jié)構(gòu)面穿插且邊坡高陡時,才易發(fā)生崩塌或滑坡現(xiàn)象。
(2)對于噴出巖邊坡,如玄武巖、凝灰?guī)r、火山角礫巖、安山巖等,其原生的節(jié)理,
尤其是柱狀節(jié)理發(fā)育時,易形成直立邊坡并易發(fā)生崩塌。
(3)對于含有黏土質(zhì)頁巖、泥巖、煤層、泥灰?guī)r、石膏等夾層的沉積巖邊坡,最易發(fā)生順層滑動,或因下部蠕滑而造成上部巖體的崩塌。
(4)對于千枚巖、板巖及片巖,巖性較軟弱且易風化,在產(chǎn)狀陡立的地段,臨近斜坡表部容易出現(xiàn)蠕動變形現(xiàn)象。當受節(jié)理切割遭風化后,常出現(xiàn)順層(或片理)滑坡。
(5)對于黃土,當具有垂直節(jié)理、疏松透水,浸水后易崩解濕陷。當受水浸泡或作為水庫岸邊時,極易發(fā)生崩塌或塌滑現(xiàn)象。
(6)對于崩塌堆積、坡積及殘積層地區(qū),其下伏基巖面常常是一個傾向河谷的斜坡面。當有地下水在此受阻,并有黏土質(zhì)成分沿其分布時,極易形成滑動面,從而使上部松散堆積物形成滑坡。
3. 地質(zhì)構(gòu)造與巖體結(jié)構(gòu)
地質(zhì)構(gòu)造因素包括褶皺、斷裂、區(qū)域新構(gòu)造運動及地應(yīng)力等,這些對巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定也是主要因素。褶皺、斷裂發(fā)育地區(qū),常是巖層傾角大,甚至陡立,斷層、節(jié)理縱橫切割,構(gòu)成巖體中的切割面和滑動面,形成有利于崩塌、,滑動的條件,并直接控制著邊坡破壞的形成和規(guī)模。例如,寶雞到略陽的鐵路線基本是沿一個大斷裂帶修筑的,結(jié)果邊坡破壞事故屢屢發(fā)生,接連不斷。
4. 地下水
地下水是影響邊坡穩(wěn)定最重要、最活躍的外在因素,,絕大多數(shù)滑坡都與地下水的活動有關(guān)。許多滑坡、崩塌均發(fā)生在降雨之后,原因在于降水滲人巖土體后,產(chǎn)生不良影響所致。地下水的作用是很復(fù)雜的,主要表現(xiàn)在以下幾個方面:
(1) 地下水會使巖石軟化或溶蝕,導(dǎo)致上覆巖體塌陷,進而發(fā)生崩塌或清坡。
(2) 地下水產(chǎn)生靜水壓力或動水壓力,促使巖體下滑或崩倒。
(3) 地下水增加了巖體重量,可使下滑力增大。
(4) 在寒冷地區(qū),滲入裂隙中的水結(jié)冰,產(chǎn)生膨脹壓力,促使巖體破壞傾倒。
(5) 此外,地下水產(chǎn)生浮托力,使巖體有效重量減輕,穩(wěn)定性下降。
(二)不穩(wěn)定邊坡的防治措施
為了確保工程的安全,針對不穩(wěn)定的邊坡,必須采取一些有效的防治措施。目前國內(nèi)外常用的方法有:防止地表水向巖體中滲透與排除不穩(wěn)定巖體中的地下水,削緩斜坡、上部減重,修建支擋建筑,錨固等。
1. 防滲和排水
防滲和排水,是整治滑坡的一種重要手段,只要布置得當、合理,一般均能取得較好效果。為了防止大氣降水向巖體中滲透,一般是在滑坡體外圍布置截水溝槽,以截斷流至滑坡體上的水流。大的滑坡體尚應(yīng)在其上布置一些排水溝,同時要整平坡面,防止有積水的坑洼,以利于降水迅速排走。針對已滲入滑坡體的水,通常是采用地下排水廊道,利用它可截住滲透的水流或?qū)⒒麦w中的積水排出滑坡體以外。另外也有采用鉆孔排水的方法,即利用若干個垂直鉆孔,打穿滑坡體下部的不透水層,將滑坡體中的水流到其下伏的另一個透水性較強的巖層中去。
2.削坡
削坡,是將陡傾的邊坡上部的巖體挖除,一部分使邊坡變緩,同時也可使滑體重量減輕,以達到穩(wěn)定的目的。削減下來的土石,可填在坡腳,起反壓作用,更有利于穩(wěn)定。采用這種方法時,要注意滑動面的位置,否則不僅效果不顯著,甚至更會促使巖體不穩(wěn)。
3.支擋建筑
支擋建筑,主要是在不穩(wěn)定巖體的下部修建擋墻或支撐墻(或墩),也是一種應(yīng)用廣泛而有效的方法。材料用混凝土、鋼筋混凝土或砌石。支擋建筑物的基礎(chǔ)要砌置在滑動面以下。若在擋墻后增加排水措施,效果更好。 .
4.錨固
錨固措施,有錨桿(或錨索)和混凝土錨固樁兩種類型的措施,其原理都是提高巖體抗滑(或抗傾倒)能力。預(yù)應(yīng)力錨索或錨桿錨固不穩(wěn)定巖體的方法,適用于加固巖體邊坡和不穩(wěn)定巖塊。其作用是先在不穩(wěn)定巖體上布置若干鉆孔,鉆至滑動面以下的堅固穩(wěn)定的巖層中,然后在孔中放入錨索或錨桿,將下端固定,上端拉緊。上端一般用混凝土墩、混凝土梁或配合以擋墻將其固定。錨固粧(或稱抗滑樁)適用于淺層或中厚層的滑坡體。它是在滑坡體的中、下部開挖豎井或大口徑鉆孔,然后澆灌鋼筋混凝土而成。一般垂直于滑動方向布置一排或兩排,樁徑通常1?3m,深度一般要求滑動面以下樁長占全樁長的1/4?1/3。
除上述幾項較多采用的防治措施外,還可采用混凝土護面、灌漿及改善滑動帶土石的力學性質(zhì)等措施。一般而言,在進行邊坡防治處理時,如果幾種措施同時采用效果更為顯著。
(三)地下工程圍巖的穩(wěn)定性
地下工程是指建筑在地面以下及山體內(nèi)部的各類建(構(gòu))筑物。如隧道、豎井、地鐵,以及地下廠房、儲庫、車庫,車站、商場和軍事設(shè)施等。因地下工程埋于巖體中,首先要考慮的就是地下工程圍巖的穩(wěn)定性問題,如圍巖塌方、地下水滲漏等。
1.地下工程位置選擇的影響因素
地下工程位置的選擇,除取決于工程目的要求外,還需要考慮區(qū)域穩(wěn)定、山體穩(wěn)定及地形、巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水及地應(yīng)力等因素的影響。
(1)地形條件。在地形上要求山體完整,地下工程周圍包括洞頂及傍山側(cè)應(yīng)有足夠的山體厚度。如選擇隧洞位置時,隧洞進出口地段的邊坡應(yīng)下陡上緩,無滑坡、崩塌等現(xiàn)象.存在。洞口巖石應(yīng)直接出露或坡積層薄,巖層最好傾向山里以保證洞口坡的安全。在地形陡的高邊坡開挖洞口時,應(yīng)不削坡或少削坡即進洞,必要時可做人工洞口先行進洞,以保證邊坡的穩(wěn)定性。隧洞進出口不應(yīng)選在排水困難的低洼處,也不應(yīng)選在沖溝、傍河山嘴及谷口等易受水流沖刷的地段。
(2)巖性條件。堅硬完整的巖體,圍巖一般是穩(wěn)定的,能適應(yīng)各種斷面形狀的地下工程。而軟弱巖體,如黏土巖類、破碎及風化巖體、吸水易膨脹的巖體等,通常力學強度低,遇水易軟化、崩解及膨脹等,不利于圍巖的穩(wěn)定。因此,地下工程位置應(yīng)盡量選在堅硬完整巖石中。一般在堅硬完整巖層中開挖,圍巖穩(wěn)定、進度快、造價低。在軟弱、破碎、松散巖層中開挖,頂板易坍塌,邊墻及底板易產(chǎn)生鼓脹擠出變形等事故,且需邊開挖邊支護或超前支護,進而影響工程造價和工期。一般而言,巖漿巖、厚層堅硬的沉積巖及變質(zhì)巖,圍巖的穩(wěn)定性好,適于修建大型的地下工程。凝灰?guī)r、黏土巖、頁巖、膠結(jié)不好的沙礫巖、千枚巖及某些片巖,穩(wěn)定性差,不宜建大型地下工程。松散及破碎的巖石穩(wěn)定性極差,選址時應(yīng)盡量避開。
(3)地質(zhì)構(gòu)造條件。地質(zhì)構(gòu)造是控制巖體完整性及滲透性的重要因素。選址時應(yīng)盡量避開地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的地段,否則會給施工帶來困難。如意大利的辛普郎隧道,長20多公里,由于地層嚴重褶皺、倒裝并伴有大型的逆斷層,巖石破碎,施工中多次產(chǎn)生塌方,經(jīng)多次停工處理才打通。下面從具體的地質(zhì)構(gòu)造對圍巖穩(wěn)定性的影響進行分析:
1)褶皺的影響。褶皺劇烈地區(qū),一般斷裂也很發(fā)育,特別是褶皺核部巖層完整性最差。在背斜核部,巖層呈上拱形,雖巖層破碎,然猶如石砌的拱形結(jié)構(gòu),能將上覆巖層的荷重傳遞至兩側(cè)巖體中去,所以有利于洞頂?shù)姆€(wěn)定。向斜核部巖層呈倒拱形,頂部被張裂隙切割的巖塊上窄下寬,易于塌落。另外,向斜核部往往是承壓水儲存的場所,地下工程開挖時地下水會突然涌入洞室。因此,在向斜核部不宜修建地下工程。從理論而言,背斜核部較向斜優(yōu)越,但實際上由于背斜核部外緣受拉伸處于張力帶,內(nèi)緣受擠壓,加上風化作用,巖層往往很破碎。因此,在布置地下工程時,原則上應(yīng)避開褶皺核部。若必須在褶皺巖層地段修建地下工程,可以將地下工程放在褶皺的兩側(cè)。
2)斷裂的影響。斷層破碎帶及斷層交匯區(qū),穩(wěn)定性極差。地下工程開挖如遇較大規(guī)模的斷層,基本上都會產(chǎn)生塌方甚至冒頂(洞頂大規(guī)模突然坍塌破壞)。一般而言,應(yīng)避免地下工程軸線沿斷層帶布置。而地下工程軸線垂直或近于垂直斷裂帶,所需穿越的不穩(wěn)定地段較短,但也可能產(chǎn)生塌方。因此,在選址時應(yīng)盡量避開大斷層。
3)巖層產(chǎn)狀的影響。對于地下工程軸線與巖層走向垂直的情況,圍巖的穩(wěn)定性較好,特別是對邊墻穩(wěn)定有利。當巖層較陡時,穩(wěn)定性最好。當巖層傾角較平緩且節(jié)理發(fā)育時,在洞頂易發(fā)生局部巖塊塌落現(xiàn)象,地下工程頂部常出現(xiàn)階梯形超挖;對于地下工程走向與巖層走向平行的情況,若巖層薄,彼此之間聯(lián)結(jié)性差,在開挖地下工程(特別是大跨度的洞室)時常常發(fā)生頂板的坍塌。因此,在水平巖層中布置地下工程時,應(yīng)盡量使地下工程位于均質(zhì)厚層的堅硬巖層中。若地下工程必須切穿軟硬不同的巖層組合時,應(yīng)將堅硬巖層作為頂板,避免將軟弱巖層或軟弱夾層置于頂部,后者易于造成頂板懸垂或坍塌。軟弱巖層位于地下工程兩側(cè)或底部也不利,它容易引起邊墻或底板鼓脹變形或被擠出。在傾斜巖層中,一般也是不利的。當洞身穿過軟硬相間或破碎的傾斜巖層時,順傾向一側(cè)的圍巖易于變形或滑動,造成很大的偏壓,逆傾向一側(cè)圍巖側(cè)壓力小,有利于穩(wěn)定。因此,在傾斜巖層中最好將地下工程選在均一完整堅硬的巖石中。
(4) 地下水。地下工程施工中的塌方或冒頂事故,常常和地下水的活動有關(guān)。因此,在選址時最好選在地下水位以上的干燥巖體內(nèi),或地下水量不大、無髙壓含水層的巖體內(nèi)。
(5) 地應(yīng)力。在地下工程的設(shè)計和施工過程中,必須了解工程所在部位初始應(yīng)力場的分布和變化規(guī)律,獲得地下工程開挖后圍巖應(yīng)力重分布的特征,以便選用相應(yīng)的措施來維護圍巖的穩(wěn)定。初始應(yīng)力狀態(tài)是決定圍巖應(yīng)力重分布的主要因素。
2.圍巖的工程地質(zhì)分析
(1)圍巖穩(wěn)定性分析。圍巖穩(wěn)定,是指在一定時間內(nèi),在一定的地質(zhì)力和工程力作用下,巖體不產(chǎn)生破壞和失穩(wěn)。圍巖在壓應(yīng)力、拉應(yīng)力作用下能否破壞,一般可采用如下判據(jù):一是圍巖的抗壓強度和抗拉強度是否適應(yīng)圍巖應(yīng)力;二是圍巖的抗剪強度是否適應(yīng)圍巖的剪應(yīng)力。
由于巖體在強度和結(jié)構(gòu)方面的差異,隧道、豎井和地下車站、倉庫、廠房等地下工程的圍巖,變形與破壞的形式多種多樣,主要有五種:
1)脆性破裂,經(jīng)常產(chǎn)生于高地應(yīng)力地區(qū),其形成的機理是復(fù)雜的,它是儲存有很大彈性應(yīng)變能的巖體,在開挖卸荷后,能量突然釋放形成的,它與巖石性質(zhì)、地應(yīng)力積聚水平及地下工程斷面形狀等因素有關(guān)。
2)塊體滑移,是塊狀結(jié)構(gòu)圍巖常見的破壞形式,常以結(jié)構(gòu)面交匯切割組合成不同形狀的塊體滑移、塌落等形式出現(xiàn)。
3)巖層的彎曲折斷,是層狀圍巖變形失穩(wěn)的主要形式,當巖層很薄或軟硬相間時,頂板容易下沉彎曲折斷。在傾斜層狀圍巖中,當層間結(jié)合不良時,順傾向一側(cè)拱腳以上部分巖層易彎曲折斷,逆傾向一側(cè)邊墻或頂拱易滑落掉塊。在陡傾或直立巖層中,因洞周的切向應(yīng)力與邊墻巖層近于平行,所以邊墻容易凸邦彎曲。
4)碎裂結(jié)構(gòu)巖體在張力和振動力作用下容易松動、解脫,在洞頂則產(chǎn)生崩落,在邊墻上則表現(xiàn)為滑塌或碎塊的坍塌。當結(jié)構(gòu)面間夾泥時,往往會產(chǎn)生大規(guī)模的塌方,如不及時支護,將愈演愈烈,直至冒頂。
5)—般強烈風化、強烈構(gòu)造破碎或新近堆積的土體,在重力、圍巖應(yīng)力和地下水作用下常產(chǎn)生冒落及塑性變形。常見的塑性變形和破壞形式有邊墻擠入、底鼓及洞徑收縮等。
(2)圍巖的分類。主要是鑒于圍巖的穩(wěn)定性對圍巖進行分類,不同建設(shè)行業(yè)對圍巖的分類尚不盡相同。例如,水利建設(shè)行業(yè)將圍巖分為五類,交通建設(shè)行業(yè)將圍巖分為六類。
3.提高圍巖穩(wěn)定性的措施
為了保證地下工程施工的安全和正常運行,應(yīng)該針對巖體的不同條件,采取相應(yīng)的施工方法和一定的工程技術(shù)措施,提高圍巖的穩(wěn)定性。目前,用以提高圍巖穩(wěn)定性的工程措施主要有傳統(tǒng)的支撐或襯砌和噴錨支護兩大類。
(1)支撐與襯砌。支撐是在地下工程開挖過程中用以穩(wěn)定圍巖用的臨時性措施。按照選用材料的不同,有木支撐、鋼支撐及混凝土支撐等。在不太穩(wěn)定的巖體中開挖,需及時支撐以防止圍巖早期松動。襯砌是加固圍巖的永久性結(jié)構(gòu),其作用主要是承受圍巖壓力及內(nèi)水壓力,有混凝土及鋼筋混凝土襯砌,也可以用漿砌條石襯砌。
(2)噴錨支護。噴錨支護是在地下工程開挖后,及時地向圍巖表面噴一薄層混凝土(一般厚度為5?20cm),有時再增加一些錨桿,從而部分地阻止圍巖向洞內(nèi)變形,以達到支護的目的。
噴錨支護能使混凝土噴層與圍巖緊密結(jié)合,并且噴層本身具有一定的柔性和變形特性,因而能及時有效地控制和調(diào)整圍巖應(yīng)力的重分布,最大限度地保護巖體的結(jié)構(gòu)和力學性質(zhì),防止圍巖的松動和坍塌。如果噴混凝土再配合錨桿加固圍巖,則會更有效地提高圍巖自身的承載力和穩(wěn)定性。
噴混凝土具備以下幾方面的作用:首先,它能緊跟工作面,速度快,因而縮短了開挖與支護的間隔時間,及時地填補了圍巖表面的裂縫和缺損,阻止裂隙切割的碎塊脫落松動,使圍巖的應(yīng)力狀態(tài)得到改善。其次,由于有較高的噴射速度和壓力,漿液能充填張開的裂隙,起著加固巖體的作用,提高了巖體的強度和整體性。此外,噴層與圍巖緊密結(jié)合,有較高的黏結(jié)力和抗剪強度,能在結(jié)合面上傳遞各種應(yīng)力,可以起到承載拱的作用。
錨桿有楔縫式金屬錨桿、鋼絲繩砂漿錨桿、普通砂漿金屬錨桿、預(yù)應(yīng)力錨桿及木錨桿等。目前在大中型工程中,常用的是楔縫式金屬錨桿和砂漿金屬錨桿兩種。為了防止錨桿之間的碎塊塌落,可采用噴層和鋼絲網(wǎng)來配合。
(3) 各類圍巖的具體處理方法。對于堅硬的整體圍巖,巖塊強度高,整體性好,在地下工程開挖后自身穩(wěn)定性好,基本上不存在支護問題。這種情況下噴混凝土的作用主要是防止圍巖表面風化,消除開挖后表面的凹凸不平及防止個別巖塊掉落,其噴層厚度一般為3?5cm。當?shù)叵鹿こ虈鷰r中出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)時,應(yīng)采用錨桿穩(wěn)定圍巖。
對于塊狀圍巖,這類圍巖的坍塌總是從個別石塊——“危石”掉落開始,再逐漸發(fā)展擴大,只要及時有效地防止個別“危石”掉落,就能保證圍巖整體的穩(wěn)定性。一般而言,對于此類圍巖,噴混凝土支護即可,但對于邊墻部分巖塊可能沿某一結(jié)構(gòu)面出現(xiàn)滑動時,應(yīng)該用錨桿加固。
對于層狀圍巖,在開挖地下工程時,往往不易打成拱形(或圓形),爆破后頂面經(jīng)常成平板狀,如不加支護,圍巖常常先發(fā)生彎曲張開,然后逐漸坍塌。因此,對于此類圍巖,應(yīng)以錨桿為主要的支護手段。通過錨桿將各層聯(lián)結(jié)在一起,提高巖層的抗彎剛度,有效阻止各層之間的層間錯動。
對于軟弱圍巖,相當于圍巖分類中的Ⅳ類和V類圍巖,一般強度低、成巖不牢固的軟巖,破碎及強烈風化的巖石。該類圍巖在地下工程開挖后一般都不能自穩(wěn),所以必須立即噴射混凝土,有時還要加錨桿和鋼筋網(wǎng)才能穩(wěn)定圍巖。
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(責任編輯:zyc)