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摘要:煤系地层工程性质极差，具有岩层软、强度低、抗风化能力差、遇水软化、活化变质等特性，极易诱发边坡发生变形失稳病害，造成安全威胁和经济损失。本文基于对煤系地层工程特性的分析的基础上，深入分析煤系地层边坡的变形破坏模式及其作用机理，指出岩层层面、不利节理面组合、软弱夹层、岩土体强度、地下水以及边坡开挖卸荷是影响坡体失稳的主要因素，并提出针对性的综合处治技术，对于煤系地层边坡工程的建设与变形病害治理具有重要的参考指导意义。
关键词:煤系地层 边坡 工程特性 变形机理 处治技术
1、前言
煤系地层是指在一定地质时期连续沉积形成的一套含有煤层并具有成因联系的沉积岩系，也称含煤地层、含煤构造。工程上广义的煤系地层多指含有煤炭、炭质泥岩、炭质页岩、以及炭质灰岩等含碳极软岩的地层。由于煤系地层具有强度低、吸水性强、遇水易软化、崩解性强、抗风化能力极差等特点，工程建设中极易诱发边坡工程发生变形失稳病害， 不但造成经济损失，也显著增加工期。
2、工程特性
2.1 煤系地层分布形态特征
煤系是在地壳以沉降运动为主的振荡过程中形成的。由于振荡运动的性质与幅度不同，以及地理环境和范围的差异性，致使煤系的特点各不相同。我国主要成煤时期为石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系和第三系，总体上煤系地层表现为三个分布特征：
⑴厚层煤系连续分布：主要分布于晚石炭系和二叠系，含煤地层形成一套连续的、密不可分的厚层含煤沉积。
⑵煤系夹层或煤线：分布范围最广泛，在石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系和白垩系均有分布，多由砂岩、粉砂岩、砾岩、灰岩、泥岩和炭质泥岩、炭质页岩、煤层等组成，煤系呈夹层或互层分布。
⑶窝状零星分布：受基底分异、古地形分异、沉积相分异以及后期地质构造作用，煤系地层分布不连续、不规律，表现为局部零星分布，厚度不等，俗称“鸡窝状”煤系地层，主要分布于石炭系测水组和二叠系。
2.2 工程性质
煤系地层工程性质极差，除与岩石的矿物成分、结构、胶结类型和岩层层理、经历的构造运动等有关外，还会受到其环境条件，尤其是地下水的影响。其典型特性可概括如下：
⑴岩层软，强度低，层间胶结较差，结构松散，力学指标较低。
⑵抗风化能力差，自然环境条件下风化速度很快，中风化岩层在几天至几周内即可完全风化成土壮。煤炭、炭质泥岩及炭质页岩的的风化主要集中在前三次干湿循环，风化速率快，随着干湿循环次数的增加，其风化速率逐渐降低。
⑶遇水软化：煤系地层含碳成分大，吸收热能强，遇水快速崩解、软化。粘聚力随含水率的增加而减小，并且随着含水率的增加，粘聚力减小的速率加快。相对于粘聚力，含水率对内摩擦角的影响程度稍低一些，当含水率低于20%时，内摩擦角随着含水率的增加降低幅度较小，当含水率大于20%时，降低幅度明显加大。另外，煤系地层岩土体在较高含水率情况下一般发生鼓胀破坏，在含水率降低情况下发生剪切破坏。
⑷活化变质：煤系地层存在大量的亲水矿物，如高岭石、蒙脱石等，受干燥-浸水活化作用影响较大，极易活化，且具有不可逆性。经软化、滑错、泥化后，其物质成分发生了重组，石英含量降低，蒙脱石等粘粒含量增大。
3、变形模式及作用机理
3.1 变形模式
受地质条件、人类工程活动和大气降雨等环境影响，煤系地层边坡建设期间极易发生变形失稳。依据坡体变形性质，典型变形可分为如下五类。
⑴崩塌：煤系地层呈夹层或煤线分布于砂岩、泥质砂岩、砾岩、灰岩等较硬质岩层中时，因坡体地层软硬不均，变形模量差异较大，在卸荷松弛或遇水软化等作用下，软弱层形变量大，形成空腔，应力重新分布，在空腔上覆岩体中形成拉应力，导致岩体内形成拉张裂隙；或者岩层中陡倾结构面贯通发育，均易诱发坡体煤系地层发生崩塌变形破坏。
⑵楔形体块体失稳：受构造作用控制，岩层共轭剪切节理发育时，则坡体易发生楔形体破坏，沿顺倾向贯通结构面或煤系软弱夹层剪出。
⑶局部滑塌：当炭质页岩、炭质泥岩、泥岩或炭质灰岩、泥质粉砂岩等风化层较厚时，形成连续厚层软弱岩层，整体强度较低，在开挖卸荷、浸水软化等外界因素影响下，极易发生局部滑塌，多发生在一～两级坡高范围内。
⑷溃屈：当坡体下部分布有厚层软弱煤系地层时，边坡开挖后，临空面应力解除，该煤层在坡面处将发生显著压缩变形， 并向坡体内逐渐减小，导致上覆岩土体底部脱空，形成悬臂板，当悬臂板拉张应力或剪切应力超限时，坡体将发生溃屈破坏。
⑸整体滑坡：坡体煤系地层缓倾角顺层或顺倾向结构面贯通发育或煤系软弱夹层呈近水平～中等倾角连续分布时，坡体开挖临空超过一定高度后，或者高度不大但受降雨软化作用后，坡体下滑力大于抗滑力，极易诱发依附于上述软弱面（带）的整体滑动变形。
3.2 作用机理
煤系地层边坡的变形失稳，与坡体所处的地形地貌、地质条件、人类工程活动以及大气降雨、地震等因素有关，即天然状态下存在软弱面（带）或在外界因素影响下形成贯通软弱面（带），随着边坡开挖高度的增加，形成不同规模的变形体。
⑴层面：层面是煤系地层边坡变形的控制因素，通常情况下，依附于层面发生的变形范围都较大。层面与坡向相反或大角度（一般不小于60°）斜交时，对坡体稳定性影响较小；当层面与坡向相近或较小角度斜交时，对坡体稳定性影响较大，尤其是层面对坡向的视倾角处于15～35°（饱水状态条件下限值可达4～7°）时，极易诱发坡体发生整体顺层滑动变形。
视倾角计算方法如下：
（1）
式中：——岩层对坡面的视倾角，°；
——岩层真倾角，°
——岩层倾向与坡向之间的夹角，°。
⑵节理面组合：煤系地层区域地质构造作用强烈，多发育褶皱、断层、岩性接触带，节理裂隙发育，多发于两组或更多组共轭节理，当共轭节理主应力方向与坡向相近或小角度斜交时，易诱发楔形体破坏。当变形体只受共轭节理控制时，呈棱锥形破坏；当变形体底部发于缓倾结构面时，呈棱柱状破坏。
⑶软弱夹层：软弱夹层多由全风化炭质泥岩、炭质页岩、泥岩等极软岩或泥化物质组成，呈薄膜、薄层或厚层状态存在，具有强度低、压缩性高的特点。软弱夹层对坡体稳定性影响极大，对于薄膜、薄层状软弱夹层，产状与坡向一致或小角度斜交时，易诱发滑动面依附于软弱夹层的较大规模坡体变形；当产状与坡向方向但倾角不是太陡（一般不大于35°）时，仍有可能呈反翘剪出。对于厚层软弱夹层，还有可能在夹层内发育多层滑动面。
⑷岩土体强度：煤系地层强度较低，尤其是煤炭、炭质泥岩、炭质页岩等含碳粘土岩风化后，其力学指标c、φ值普遍较小，边坡开挖后自稳性能差，且变形体规模随开挖临空高度的增加而增大。
⑸地下水：地下水对煤系地层边坡稳定性的影响主要突出两个方面：一是煤系地层中的粘土岩和砂质岩渗透系数相差较大，粘土岩形成相对隔水层，富水软化其上岩土体，显著降低岩土体强度；二是随着地下水的不断补给，地下水位抬升，静水压力增大，导致坡体下滑力增大。
⑹卸荷松弛：边坡开挖卸荷之后，改变了坡体岩土体的原有应力状态，坡面处水平方向由高应力、接近零变形改变为自由变形、接近零水平应力状态，经应变协调、应力重分布后，坡面一定厚度范围内主要呈拉应力状态，并在结构面及软弱带附近应力集中，易导致岩土体产生拉张开裂增大下滑力，诱发坡体变形失稳。边坡开挖卸荷松弛引起岩土体抗剪强度略微下降，相对于内摩擦角而言，粘聚力C值降低更为明显。
4、处治技术
综合勘察
煤系地层成因复杂，分布形态多样化，摸清其分布范围、空间形态、地质条件、力学性质，对于合理设计边坡工程具有重要意义。为此，需要采取地表调查、物探、代表断面钻探与试验相结合的综合勘察技术。
⑴地质调查
煤系地层边坡的地质调查的技术要点分述如下：
a.范围：边坡两侧越过深长冲沟中心，下游至自然坡脚或山体前缘谷底或坡积裙前缘，上部至山顶或较大规模陡坎地貌上游30～50m。
b. 地形地貌：边坡所在地自然山坡的形态、坡度、植被等；边坡的切坡位置、坡向、坡形、坡高等。
c. 地质构造：断层、褶皱、岩性接触带等构造的规模、位置、产状、性质以及物质成分等。
d.地层岩性：岩性类别及风化程度、剖面分布形态及其它主要特征等。
e.结构面：结构面类别（层面、节理面、软弱夹层等）产状、分布密度、延伸长度和闭合程度等。
f.地下水：地下水出露特征及地下水位等。
⑵物探
在地质调查的基础上，结合边坡信息，合理布设纵横物探断面，通常采取地震波法或电阻率法进行物探，查明构造带、富水带等地质软弱带和基岩分布形态。
⑶钻探
依据自然山体地形、边坡坡体结构和前述地质资料，选择控制性断面进行钻探，每个断面至少2孔，钻孔间距30～70m，高差不宜超过30m；一般钻孔应进入中风化稳定岩层3～7m或自坡脚起地表平行线，钻孔应进入该平行线以下8～15m。
⑷试验
分别采取代表性岩土体进行室内土工试验，必要时还需进行现场试验，以获取其力学指标。
4.2 滑面分析
煤系地层边坡的滑面，需根据坡体的地层岩性、结构面产状、地形地貌来综合分析确定，对于已经发生变形的变形，则主要根据变形特征以及深部位移监测资料确定，并与地层岩性、结构面产状相互印证。
通常情况下，层面、软弱夹层以及顺倾向缓倾结构面多为滑动面。开挖坡脚岩土体软弱时，坡体滑动变形后将在坡脚形成隆起变形，故剪出口呈反翘形态；若开挖坡脚岩土体为强度较高的硬质岩时，滑面多依附于坡脚附近的软弱结构面剪出。
4.3 稳定性分析
煤系地层边坡稳定性的计算方法，有工程类比法、持平投影法和数值分析法，其中常用的数值分析法有简化Bishop条分法和不平衡推力传递法，近年来，其它如Janbu法和Morgensten&Price法等严格的刚体极限平衡方法在边坡或滑坡稳定性分析计算中也得到广泛应用并渐趋成熟和完善。
⑴ 简化Bishop条分法
假设被加固土体共分n条土条，规范规定的安全系数为K，当时，若加固荷载与水平面的夹角为，对土条采取等宽划分，则其计算方法如下：
、——分别为第i条土条的左、右条间力，KN。
采用不平衡推力传递法进行土坡稳定分析需要用到迭代法，首先假定的迭代初值，由坡顶第一个土条开始，已知第0个土条的条间力，由式（4）可以求得第一个土条的，并以此作为第二个土条的。以此递推可以求得坡脚土条的条间力，如满足力平衡条件，则坡脚土条的，否则调整，再递推求解，反复进行上述计算，直到坡脚土条的，此时的即为坡体的安全系数。
4.4工程措施
总体原则：因地制宜，尽量提高坡体自身稳定性，完善表水截排与地下水引排系统，合理设置支挡加固工程；加强抵抗外界干扰措施，延缓风化速度，降低软化程度。
坡形坡率：煤系地层宜根据自然地形、岩层风化程度和分布形态合理设置坡形坡率。对于连续厚层分布或风化程度较高的煤系地层，宜采取矮坡级、缓坡率、宽平台相结合的坡形，通常坡级高度4～6m，坡率1：1.5～1：3.0，每隔2～3级设置一道宽平台。当煤系地层覆盖层强度较高时，卸荷宽平台宜设置在分界线上约6m一线，避免上部卸荷边坡坡脚软弱失稳。若地形条件受限时，应在预加固的条件下合理收陡坡率、抬高坡级高度。
支挡加固工程：当煤系地层厚层分布时，需采取抗滑桩、抗滑挡墙、组合微型桩等支挡措施；当煤系地层为夹层或煤线分布时，若硬质岩具碎块状强风化及以下程度时，可比选锚固工程与支挡工程，否则尽量采用支挡工程；当煤系地层零星分布时，可视其规模合理设置普通防护、锚固或支挡工程。
截排水工程：地表截排水系统包括坡顶及两侧截水沟、平台边沟、纵向急流槽和坡脚排水沟；地下水引排系统包括仰斜排水孔、支撑渗沟，若地下水补给充分、软化坡体严重时，还需设置集水井或排水隧洞。
5、结论
⑴煤系地层具有岩层软、强度低、抗风化能力差、遇水软化、活化变质等工程特性，易诱发边坡变形失稳。
⑵煤系地层边坡的稳定性主要受岩层层面、不利节理面组合、软弱夹层、岩土体强度、地下水作用以及边坡开挖等因素影响；其滑动面应根据坡体的地层岩性、结构面产状、地形地貌以及变形特征、深部位移监测资料等因素综合分析确定，层面、软弱夹层以及顺倾向缓倾结构面易形成滑动面。
论文作者:杨立华,刘庆元
论文发表刊物:《防护工程》2018年第17期
论文发表时间:2018/11/9
标签：地层论文; 岩层论文; 夹层论文; 软弱论文; 岩土论文; 泥岩论文; 工程论文; 《防护工程》2018年第17期论文;