煤系地層邊坡變形機理及處治技術(shù)

1、煤系地層邊坡變形機理及處治技術(shù)摘要:煤系地層工程性質(zhì)極差，具有巖層軟、強度低、抗風(fēng)化能力差、遇水軟化、 活化變質(zhì)等特性，極易誘發(fā)邊坡發(fā)生變形失穩(wěn)病害，造成安全威脅和經(jīng)濟(jì)損失。 本文基于對煤系地層工程特性的分析的基礎(chǔ)上，深入分析煤系地層邊坡的變形破 壞模式及其作用機理，指出巖層層面、不利節(jié)理面組合、軟弱夾層、巖土體強度、 地下水以及邊坡開挖卸荷是影響坡體失穩(wěn)的主要因素，并提出針對性的綜合處治 技術(shù)，對于煤系地層邊坡工程的建設(shè)與變形病害治理具有重要的參考指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞:煤系地層邊坡工程特性變形機理處治技術(shù)1、刖言煤系地層是指在一定地質(zhì)時期連續(xù)沉積形成的一套含有煤層并具有成因聯(lián)系 的沉積巖系，也稱

2、含煤地層、含煤構(gòu)造。工程上廣義的煤系地層多指含有煤炭、 炭質(zhì)泥巖、炭質(zhì)頁巖、以及炭質(zhì)灰?guī)r等含碳極軟巖的地層。由于煤系地層具有強 度低、吸水性強、遇水易軟化、崩解性強、抗風(fēng)化能力極差等特點，工程建設(shè)中 極易誘發(fā)邊坡工程發(fā)生變形失穩(wěn)病害，不但造成經(jīng)濟(jì)損失，也顯著增加工期。2、工程特性2.1煤系地層分布形態(tài)特征煤系是在地殼以沉降運動為主的振蕩過程中形成的。由于振蕩運動的性質(zhì)與 幅度不同，以及地理環(huán)境和范圍的差異性，致使煤系的特點各不相同。我國主要 成煤時期為石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系和第三系，總體上煤系地 層表現(xiàn)為三個分布特征：厚層煤系連續(xù)分布：主要分布于晚石炭系和二疊系，含煤地層形成一

3、套連 續(xù)的、密不可分的厚層含煤沉積。煤系夾層或煤線：分布范圍最廣泛，在石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系 和白堊系均有分布，多由砂巖、粉砂巖、礫巖、灰?guī)r、泥巖和炭質(zhì)泥巖、炭質(zhì)頁 巖、煤層等組成，煤系呈夾層或互層分布。窩狀零星分布：受基底分異、古地形分異、沉積相分異以及后期地質(zhì)構(gòu)造 作用，煤系地層分布不連續(xù)、不規(guī)律，表現(xiàn)為局部零星分布，厚度不等，俗稱“雞 窩狀煤系地層，主要分布于石炭系測水組和二疊系。2.2工程性質(zhì)煤系地層工程性質(zhì)極差，除與巖石的礦物成分、結(jié)構(gòu)、膠結(jié)類型和巖層層理、 經(jīng)歷的構(gòu)造運動等有關(guān)外，還會受到其環(huán)境條件，尤其是地下水的影響。其典型 特性可概括如下：巖層軟，強度低，層間膠結(jié)較差，

4、結(jié)構(gòu)松散，力學(xué)指標(biāo)較低?？癸L(fēng)化能力差，自然環(huán)境條件下風(fēng)化速度很快，中風(fēng)化巖層在幾天至幾周 內(nèi)即可完全風(fēng)化成土壯。煤炭、炭質(zhì)泥巖及炭質(zhì)頁巖的的風(fēng)化主要集中在前三次 干濕循環(huán)，風(fēng)化速率快，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，其風(fēng)化速率逐漸降低。遇水軟化：煤系地層含碳成分大，吸收熱能強，遇水快速崩解、軟化。粘 聚力隨含水率的增加而減小，并且隨著含水率的增加，粘聚力減小的速率加快。 相對于粘聚力，含水率對內(nèi)摩擦角的影響程度稍低一些，當(dāng)含水率低于20%時， 內(nèi)摩擦角隨著含水率的增加降低幅度較小，當(dāng)含水率大于20%時，降低幅度明顯 加大。另外，煤系地層巖土體在較高含水率情況下一般發(fā)生鼓脹破壞，在含水率降低情況下發(fā)生剪

5、切破壞?；罨冑|(zhì)：煤系地層存在大量的親水礦物，如高嶺石、蒙脫石等，受干燥- 浸水活化作用影響較大，極易活化，且具有不可逆性。經(jīng)軟化、滑錯、泥化后， 其物質(zhì)成分發(fā)生了重組，石英含量降低，蒙脫石等粘粒含量增大。3、變形模式及作用機理3.1變形模式受地質(zhì)條件、人類工程活動和大氣降雨等環(huán)境影響，煤系地層邊坡建設(shè)期間 極易發(fā)生變形失穩(wěn)。依據(jù)坡體變形性質(zhì)，典型變形可分為如下五類。崩塌：煤系地層呈夾層或煤線分布于砂巖、泥質(zhì)砂巖、礫巖、灰?guī)r等較硬 質(zhì)巖層中時，因坡體地層軟硬不均，變形模量差異較大，在卸荷松弛或遇水軟化 等作用下，軟弱層形變量大，形成空腔，應(yīng)力重新分布，在空腔上覆巖體中形成 拉應(yīng)力，導(dǎo)致巖體內(nèi)形

6、成拉張裂隙；或者巖層中陡傾結(jié)構(gòu)面貫通發(fā)育，均易誘發(fā) 坡體煤系地層發(fā)生崩塌變形破壞。楔形體塊體失穩(wěn)：受構(gòu)造作用控制，巖層共軛剪切節(jié)理發(fā)育時，則坡體易 發(fā)生楔形體破壞，沿順傾向貫通結(jié)構(gòu)面或煤系軟弱夾層剪出。局部滑塌：當(dāng)炭質(zhì)頁巖、炭質(zhì)泥巖、泥巖或炭質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)粉砂巖等風(fēng)化 層較厚時，形成連續(xù)厚層軟弱巖層，整體強度較低，在開挖卸荷、浸水軟化等外 界因素影響下，極易發(fā)生局部滑塌，多發(fā)生在一兩級坡高范圍內(nèi)。潰屈：當(dāng)坡體下部分布有厚層軟弱煤系地層時，邊坡開挖后，臨空面應(yīng)力 解除，該煤層在坡面處將發(fā)生顯著壓縮變形，并向坡體內(nèi)逐漸減小，導(dǎo)致上覆巖 土體底部脫空，形成懸臂板，當(dāng)懸臂板拉張應(yīng)力或剪切應(yīng)力超限時，坡體

7、將發(fā)生 潰屈破壞。整體滑坡：坡體煤系地層緩傾角順層或順傾向結(jié)構(gòu)面貫通發(fā)育或煤系軟弱 夾層呈近水平中等傾角連續(xù)分布時，坡體開挖臨空超過一定高度后，或者高度 不大但受降雨軟化作用后，坡體下滑力大于抗滑力，極易誘發(fā)依附于上述軟弱面 （帶）的整體滑動變形。3.2作用機理煤系地層邊坡的變形失穩(wěn)，與坡體所處的地形地貌、地質(zhì)條件、人類工程活 動以及大氣降雨、地震等因素有關(guān)，即天然狀態(tài)下存在軟弱面（帶）或在外界因 素影響下形成貫通軟弱面（帶），隨著邊坡開挖高度的增加，形成不同規(guī)模的變 形體。層面：層面是煤系地層邊坡變形的控制因素，通常情況下，依附于層面發(fā) 生的變形范圍都較大。層面與坡向相反或大角度（一般不小于

8、60）斜交時，對 坡體穩(wěn)定性影響較??；當(dāng)層面與坡向相近或較小角度斜交時，對坡體穩(wěn)定性影響 較大，尤其是層面對坡向的視傾角處于1535 （飽水狀態(tài)條件下限值可達(dá)47） 時，極易誘發(fā)坡體發(fā)生整體順層滑動變形。視傾角計算方法如下：（1）式中：一一巖層對坡面的視傾角，;巖層真傾角，巖層傾向與坡向之間的夾角，。節(jié)理面組合：煤系地層區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造作用強烈，多發(fā)育褶皺、斷層、巖性 接觸帶，節(jié)理裂隙發(fā)育，多發(fā)于兩組或更多組共軛節(jié)理，當(dāng)共軛節(jié)理主應(yīng)力方向 與坡向相近或小角度斜交時，易誘發(fā)楔形體破壞。當(dāng)變形體只受共軛節(jié)理控制時， 呈棱錐形破壞；當(dāng)變形體底部發(fā)于緩傾結(jié)構(gòu)面時，呈棱柱狀破壞。軟弱夾層：軟弱夾層多由全風(fēng)化

9、炭質(zhì)泥巖、炭質(zhì)頁巖、泥巖等極軟巖或泥 化物質(zhì)組成，呈薄膜、薄層或厚層狀態(tài)存在，具有強度低、壓縮性高的特點。軟 弱夾層對坡體穩(wěn)定性影響極大，對于薄膜、薄層狀軟弱夾層，產(chǎn)狀與坡向一致或 小角度斜交時，易誘發(fā)滑動面依附于軟弱夾層的較大規(guī)模坡體變形；當(dāng)產(chǎn)狀與坡 向方向但傾角不是太陡（一般不大于35）時，仍有可能呈反翹剪出。對于厚層 軟弱夾層，還有可能在夾層內(nèi)發(fā)育多層滑動面。巖土體強度：煤系地層強度較低，尤其是煤炭、炭質(zhì)泥巖、炭質(zhì)頁巖等含 碳粘土巖風(fēng)化后，其力學(xué)指標(biāo)c、*值普遍較小，邊坡開挖后自穩(wěn)性能差，且變 形體規(guī)模隨開挖臨空高度的增加而增大。地下水：地下水對煤系地層邊坡穩(wěn)定性的影響主要突出兩個方面：

10、一是煤 系地層中的粘土巖和砂質(zhì)巖滲透系數(shù)相差較大，粘土巖形成相對隔水層，富水軟 化其上巖土體，顯著降低巖土體強度；二是隨著地下水的不斷補給，地下水位抬 升，靜水壓力增大，導(dǎo)致坡體下滑力增大。卸荷松弛：邊坡開挖卸荷之后，改變了坡體巖土體的原有應(yīng)力狀態(tài)，坡面 處水平方向由高應(yīng)力、接近零變形改變?yōu)樽杂勺冃?、接近零水平?yīng)力狀態(tài)，經(jīng)應(yīng) 變協(xié)調(diào)、應(yīng)力重分布后，坡面一定厚度范圍內(nèi)主要呈拉應(yīng)力狀態(tài)，并在結(jié)構(gòu)面及 軟弱帶附近應(yīng)力集中，易導(dǎo)致巖土體產(chǎn)生拉張開裂增大下滑力，誘發(fā)坡體變形失 穩(wěn)。邊坡開挖卸荷松弛引起巖土體抗剪強度略微下降，相對于內(nèi)摩擦角而言，粘 聚力C值降低更為明顯。4、處治技術(shù)綜合勘察煤系地層成因復(fù)

11、雜，分布形態(tài)多樣化，摸清其分布范圍、空間形態(tài)、地質(zhì)條 件、力學(xué)性質(zhì)，對于合理設(shè)計邊坡工程具有重要意義。為此，需要采取地表調(diào)查、 物探、代表斷面鉆探與試驗相結(jié)合的綜合勘察技術(shù)。地質(zhì)調(diào)查煤系地層邊坡的地質(zhì)調(diào)查的技術(shù)要點分述如下：范圍：邊坡兩側(cè)越過深長沖溝中心，下游至自然坡腳或山體前緣谷底或坡 積裙前緣，上部至山頂或較大規(guī)模陡坎地貌上游3050m。地形地貌：邊坡所在地自然山坡的形態(tài)、坡度、植被等；邊坡的切坡位置、 坡向、坡形、坡高等。地質(zhì)構(gòu)造：斷層、褶皺、巖性接觸帶等構(gòu)造的規(guī)模、位置、產(chǎn)狀、性質(zhì)以 及物質(zhì)成分等。地層巖性：巖性類別及風(fēng)化程度、剖面分布形態(tài)及其它主要特征等。結(jié)構(gòu)面：結(jié)構(gòu)面類別（層面、節(jié)

12、理面、軟弱夾層等）產(chǎn)狀、分布密度、延 伸長度和閉合程度等。地下水：地下水出露特征及地下水位等。物探在地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合邊坡信息，合理布設(shè)縱橫物探斷面，通常采取地 震波法或電阻率法進(jìn)行物探，查明構(gòu)造帶、富水帶等地質(zhì)軟弱帶和基巖分布形態(tài)。鉆探依據(jù)自然山體地形、邊坡坡體結(jié)構(gòu)和前述地質(zhì)資料，選擇控制性斷面進(jìn)行鉆 探，每個斷面至少2孔，鉆孔間距3070m，高差不宜超過30m； 一般鉆孔應(yīng)進(jìn) 入中風(fēng)化穩(wěn)定巖層37m或自坡腳起地表平行線，鉆孔應(yīng)進(jìn)入該平行線以下815m。試驗分別采取代表性巖土體進(jìn)行室內(nèi)土工試驗，必要時還需進(jìn)行現(xiàn)場試驗，以獲 取其力學(xué)指標(biāo)。4.2滑面分析煤系地層邊坡的滑面，需根據(jù)坡體的地層

13、巖性、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、地形地貌來綜 合分析確定，對于已經(jīng)發(fā)生變形的變形，則主要根據(jù)變形特征以及深部位移監(jiān)測 資料確定，并與地層巖性、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀相互印證。通常情況下，層面、軟弱夾層以及順傾向緩傾結(jié)構(gòu)面多為滑動面。開挖坡腳 巖土體軟弱時，坡體滑動變形后將在坡腳形成隆起變形，故剪出口呈反翹形態(tài)； 若開挖坡腳巖土體為強度較高的硬質(zhì)巖時，滑面多依附于坡腳附近的軟弱結(jié)構(gòu)面 剪出。4.3穩(wěn)定性分析煤系地層邊坡穩(wěn)定性的計算方法，有工程類比法、持平投影法和數(shù)值分析法， 其中常用的數(shù)值分析法有簡化Bishop條分法和不平衡推力傳遞法，近年來，其它 如Janbu法和Morgensten&Price法等嚴(yán)格的剛體極限平衡

14、方法在邊坡或滑坡穩(wěn)定 性分析計算中也得到廣泛應(yīng)用并漸趨成熟和完善。簡化Bishop條分法假設(shè)被加固土體共分n條土條，規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)為K，當(dāng)時，若加固荷 載與水平面的夾角為，對土條采取等寬劃分，則其計算方法如下：、一一分別為第i條土條的左、右條間力，KN。采用不平衡推力傳遞法進(jìn)行土坡穩(wěn)定分析需要用到迭代法，首先假定的迭代初值，由坡 頂?shù)谝粋€土條開始，已知第0個土條的條間力，由式（4）可以求得第一個土條的，并以此 作為第二個土條的。以此遞推可以求得坡腳土條的條間力，如滿足力平衡條件，則坡腳土條 的，否則調(diào)整，再遞推求解，反復(fù)進(jìn)行上述計算，直到坡腳土條的，此時的即為坡體的安全 系數(shù)。4.4工程措

15、施總體原則：因地制宜，盡量提高坡體自身穩(wěn)定性，完善表水截排與地下水引排系統(tǒng)，合 理設(shè)置支擋加固工程；加強抵抗外界干擾措施，延緩風(fēng)化速度，降低軟化程度。坡形坡率：煤系地層宜根據(jù)自然地形、巖層風(fēng)化程度和分布形態(tài)合理設(shè)置坡形坡率。對 于連續(xù)厚層分布或風(fēng)化程度較高的煤系地層，宜采取矮坡級、緩坡率、寬平臺相結(jié)合的坡形， 通常坡級高度46m，坡率1： 1.51： 3.0，每隔23級設(shè)置一道寬平臺。當(dāng)煤系地層覆蓋 層強度較高時，卸荷寬平臺宜設(shè)置在分界線上約6m 一線，避免上部卸荷邊坡坡腳軟弱失穩(wěn)。 若地形條件受限時，應(yīng)在預(yù)加固的條件下合理收陡坡率、抬高坡級高度。支擋加固工程：當(dāng)煤系地層厚層分布時，需采取抗滑樁、抗滑擋墻、組合微型樁等支擋 措施；當(dāng)煤系地層為夾層或煤線分布時，若硬質(zhì)巖具碎塊狀強風(fēng)化及以下程度時，可比選錨 固工程與支擋工程，否則盡量采用支擋工程；當(dāng)煤系地層零星分布時，可視其規(guī)模合理設(shè)置 普通防護(hù)、錨固或支擋工程。截排水工程：地表截排水系統(tǒng)包括坡頂及兩側(cè)截水溝、平臺邊溝、縱向