岩质边坡破裂面置换治理方法与流程

本发明涉及一种高陡岩质边坡破裂面置换治理方法，属于山区公路、国防洞库道路、城市人行通道地质灾害、边坡防治及病害结构加固领域。

背景技术：

我国是一个多山的国家，山地丘陵占国土总面积的2/3以上，是世界上高陡岩质边坡灾害最为发育的国家之一，尤其是四川、重庆、青海、西藏、甘肃等西部地区，交通干线、矿山及城镇区域内存在数百万个具有严重安全隐患的高陡岩质边坡，其破裂面的形成和贯穿是高陡岩质边坡破坏的根本原因。

高陡岩质边坡往往发育于峡谷地带，受河流地质历史的冲刷作用，在河谷两侧发育高陡岩质边坡，并经卸荷风化作用，在边坡后缘产生近于直立的后缘破裂面，而治理该类边坡的关键在于破裂面强度参数的改善。目前，高陡岩质边坡治理技术尚未成熟，尤其是破裂面的整治技术仍是薄弱环节。迄今已研发的注浆、支撑、锚固、清除、格构锚索等高陡岩质边坡防治技术均依托破裂面进行，而针对性较强的技术仅有注浆方法。注浆是在结构面附近打孔，然后注入水泥砂浆的一种破裂面治理技术。

随着工程技术的发展，注浆技术问题凸显，主要表现在三个方面，一是结构面难以获取精确位置，通常采用多打孔的方法进行，破坏了岩体的整体性，加剧了边坡的危险性；二是多数结构面为封闭结构面，并且结构面细小，现有的水泥砂浆难以注入其中；三是漏浆问题，现场工程发现，多数结构面具有深、宽、延伸较远的特点，水泥砂浆注入其中往往流入其他结构面内，起不到注浆加固结构面的效果。因此，针对高陡岩质边坡破裂面的整治技术尚不成熟，技术方面仍较落后。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述问题，提供一种岩质边坡破裂面置换治理方法。采用本发明能够增大高陡边坡稳定性，具有施工周期短、经济投入小、加固效果显著、环保等特点，且具有防灾减灾属性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种岩质边坡破裂面置换治理方法，其特征在于：采用打孔方式取出边坡破裂面内的软化夹层，并置换为强度参数较高的水泥砂浆。

所述方法具体包括如下步骤：

a、针对具体的岩质边坡，通过现场勘查确定边坡破裂面深度l、边坡破裂面面积s、边坡破裂面最大宽度和破裂面倾角β，边坡破裂面深度l即为钻孔深度l，破裂面倾角β即为钻孔倾角β，并且破裂面抗剪强度参数、水泥砂浆抗剪强度参数已知；

b、根据岩质边坡防护等级确定安全系数fs，计算等效内摩擦角φs与等效粘结力cs之间的关系，并按照等效内摩擦角φs和等效粘结力cs在破裂面抗剪强度参数和水泥砂浆抗剪强度参数之间选取的原则，确定最终的等效内摩擦角φs与等效粘结力cs；

c、通过确定的等效内摩擦角φs和等效粘结力cs，结合破裂面抗剪强度参数和水泥砂浆抗剪强度参数，计算边坡破裂面置换率n，并由边坡破裂面面积s，得到边坡置换面积ns；

d、按照1.2~1.5倍边坡破裂面最大宽度选取合适的钻孔直径d，结合边坡置换面积ns、边坡破裂面深度l，计算钻孔数量n；

e、由边坡破裂面面积s、边坡破裂面置换率n、钻孔数量n、边坡破裂面深度l和钻孔直径d，确定钻孔间距a；

f、根据边坡置换面积ns、钻孔深度l、钻孔倾角β、钻孔数量n、钻孔直径d和钻孔间距a，打孔取出边坡破裂面内的软化夹层并置换为强度参数较高的水泥砂浆。

所述步骤a中，破裂面抗剪强度参数包括破裂面粘结力c0和破裂面内摩擦角φ0，水泥砂浆抗剪强度参数包括水泥砂浆粘结力c1和水泥砂浆内摩擦角φ1。

所述步骤b中，等效内摩擦角φs与等效粘结力cs之间的关系通过下式确定：

（1）

其中，fs为安全系数，由边坡安全等级确定；g为边坡重力，单位kn；β为边坡破裂面倾角，单位°；φs为等效内摩擦角，单位°；cs为等效粘结力，单位kpa。

所述步骤b中，将等效内摩擦角φs在破裂面内摩擦角φ0和水泥砂浆内摩擦角φ1之间任意选取后，通过式（1）计算得出等效粘结力cs。

所述步骤b中，将等效粘结力cs在破裂面粘结力c0和水泥砂浆粘结力c1之间任意选取后，通过式（1）计算得出等效内摩擦角φs。

所述步骤c中，置换率n由下式计算：

（2）。

所述步骤d中，钻孔的数量n由下式计算：

（3）。

所述步骤e中，钻孔间距a由下式确定：

（4）。

所述步骤e中，具体施工方法如下：

1）人工清除边坡顶部破裂面附近的表面浮土，防止浮土进入孔内；

2）针对已确定的边坡破裂面，从边坡破裂面两侧向中间打孔，采用分段打孔的方式进行，打孔完成后即注入水泥砂浆，打孔过程中尽量避免边坡岩体的扰动；

3）完成一段打孔注浆后，等待该段水泥砂浆与破裂面充分凝固粘结后再进行下一分段的打孔作业；

4）钻孔注浆凝固完成后，将浮土覆盖边坡顶部。

所述水泥砂浆标号为m15或m20，砂石粒径小于0.5mm。

采用本发明的优点在于：

本发明适用于顶部较平整后缘具有明显破裂面的高陡岩质边坡加固工程，采用打孔取出破裂面内软弱夹层并置换为强度较高的水泥砂浆,以此增大高陡边坡稳定性,具有施工周期短、经济投入小、加固效果显著、环保等特点，具有防灾减灾属性。

附图说明

图1为岩质边坡示意图；

图2为钻孔灌浆置换破裂面剖面示意图；

图3为钻孔灌浆置换破裂面立面图；

图4为钻孔灌浆置换破裂面俯视图。

具体实施方式

实施例1

一种岩质边坡破裂面置换治理方法，包括：采用打孔方式取出边坡破裂面内的软化夹层，并置换为强度参数较高的水泥砂浆。

所述方法具体包括如下步骤：

a、针对具体的高陡岩质边坡，通过现场勘查确定边坡破裂面深度l、边坡破裂面面积s、边坡破裂面最大宽度和破裂面倾角β，边坡破裂面深度l即为钻孔深度l，破裂面倾角β即为钻孔倾角β，并且破裂面抗剪强度参数、水泥砂浆抗剪强度参数已知；

b、根据高陡岩质边坡防护等级确定安全系数fs，计算等效内摩擦角φs与等效粘结力cs之间的关系，并按照等效内摩擦角φs和等效粘结力cs在破裂面抗剪强度参数和水泥砂浆抗剪强度参数之间选取的原则，确定最终的等效内摩擦角φs与等效粘结力cs；

c、通过确定的等效内摩擦角φs和等效粘结力cs，结合破裂面抗剪强度参数和水泥砂浆抗剪强度参数，计算边坡破裂面置换率n，并由边坡破裂面面积s，得到边坡置换面积ns；

d、按照1.2~1.5倍边坡破裂面最大宽度选取合适的钻孔直径d，结合边坡置换面积ns、边坡破裂面深度l，计算钻孔数量n；

e、由边坡破裂面面积s、边坡破裂面置换率n、钻孔数量n、边坡破裂面深度l和钻孔直径d，确定钻孔间距a；

f、根据边坡置换面积ns、钻孔深度l、钻孔倾角β、钻孔数量n、钻孔直径d和钻孔间距a，打孔取出边坡破裂面内的软化夹层并置换为强度参数较高的水泥砂浆。

所述步骤a中，破裂面抗剪强度参数包括破裂面粘结力c0和破裂面内摩擦角φ0，水泥砂浆抗剪强度参数包括水泥砂浆粘结力c1和水泥砂浆内摩擦角φ1。

所述步骤b中，等效内摩擦角φs与等效粘结力cs之间的关系通过下式确定：

（1）

其中，fs为安全系数，由边坡安全等级确定；g为边坡重力，单位kn；β为边坡破裂面倾角，单位°；φs为等效内摩擦角，单位°；cs为等效粘结力，单位kpa。

所述步骤b中，将等效内摩擦角φs在破裂面内摩擦角φ0和水泥砂浆内摩擦角φ1之间任意选取后，通过式（1）计算得出等效粘结力cs。

所述步骤b中，将等效粘结力cs在破裂面粘结力c0和水泥砂浆粘结力c1之间任意选取后，通过式（1）计算得出等效内摩擦角φs。

所述步骤c中，置换率n由下式计算：

（2）。

所述步骤d中，钻孔的数量n由下式计算：

（3）。

所述步骤e中，钻孔间距a由下式确定：

（4）。

所述步骤e中，具体施工方法如下：

1）人工清除边坡顶部破裂面附近的表面浮土，防止浮土进入孔内；

2）针对已确定的边坡破裂面，根据获取的相关数据，从边坡破裂面两侧向中间打孔，采用分段打孔的方式进行，打孔完成后即注入水泥砂浆，打孔过程中尽量避免边坡岩体的扰动；

3）完成一段打孔注浆后，等待该段水泥砂浆与破裂面充分凝固粘结后再进行下一分段的打孔作业；

4）钻孔注浆凝固完成后，将浮土覆盖边坡顶部，可取得良好的环保效果。

所述水泥砂浆标号为m15或m20，砂石粒径小于0.5mm。

实施例2

本实施例结合附图对本发明做进一步说明。

高陡岩质边坡形成初期，由于卸荷作用在后缘产生近于直立的破裂面，经过长期物理力学风化作用破裂面转化为软化夹层，破裂面抗剪强度降低，边坡稳定系数减小，随着边坡破裂面参数的进一步降低将导致高陡边坡沿后缘破裂面发生突发性破坏。

在边坡后缘破裂面采用打孔方式取出边坡破裂面内的软化夹层，并置换为强度参数较高的水泥砂浆，可增加破裂面整体力学性能，从而加大边坡稳定系数，达到治理高陡岩质边坡的效果。

本发明适用于边坡后缘较平整、含竖向破裂面的中型或大型高陡岩质边坡治理工程，如图1。在图中，主控结构面即破裂面。

该发明涉及到在破裂面内钻孔并注入水泥砂浆置换高陡岩质边坡软弱面的布置方法及其工程设计和施工方法，如图2~图4所示。

钻孔注入水泥砂浆置换破裂面在平面上沿破裂面顶部布置，钻孔倾角为β，长度为l，如图1所示。可由破裂面深度确定，钻孔直径为d，间距为a，如图3~图4所示。

本实施例的优选实施方式为，钻孔内水泥砂浆标号为m15或m20，砂石粒径小于0.5mm。

本实施例中，等效内摩擦角φs与等效粘结力cs之间的关系由下式（1）确定：

（1）

其中，fs为安全系数，由边坡安全等级确定，按现有标准执行；g为边坡重力（kn）；β为边坡破裂面倾角（°）；φs为等效内摩擦角（°）；cs为等效粘结力（kpa）；等效内摩擦角φs与等效粘结力cs可在边坡破裂面强度参数与水泥砂浆强度参数之间选取。

边坡破裂面面积s已知，置换率为n，则置换面积为ns，置换率n由下式（2）计算：

（2）

式中，c0和c1分别为破裂面和水泥砂浆粘结力（kpa）；φ0和φ1分别为破裂面和水泥砂浆内摩擦角（°），其他物理意义同上。

钻孔直径d一般为边坡破裂面最大宽度的1.2~1.5倍，钻孔的数量n由下式（3）计算：

（3）。

钻孔间距由下式（4）确定：

（4）。

上述具体实施方式用以解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都应落入本发明的保护范围。