卸載法在治理公路土質(zhì)挖方滑坡中的應(yīng)用

廖 雋

(山西省交通科學(xué)研究院，山西太原 030006)

1 概述

卸載法也稱為減重法，是在滑坡體的主滑段和牽引段挖去部分滑體巖土以減少滑體重量和滑坡推力的工程措施［1］。

卸載法具有技術(shù)要求低和投資小的特點(diǎn)，因此在滑坡治理中應(yīng)用較為廣泛。卸載法可作為治理的應(yīng)急措施減緩或穩(wěn)定滑坡，創(chuàng)造勘測(cè)條件，贏得治理時(shí)間;卸載后的滑坡減少了下滑力，配合其他治理方法作為永久治理措施之一。

滑坡的治理方案應(yīng)根據(jù)滑坡類型和特點(diǎn)綜合制定。卸載減重法主要適用于上部荷載較大，軟弱面仍具有一定強(qiáng)度且具備挖移條件的中、淺層滑坡。

2 卸載法原理

卸載法移除滑坡體部分或全部土體，減小或消除總下滑力，使下滑力和抗滑力平衡，使得滑坡體穩(wěn)定。

根據(jù)摩爾—庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則，土體的抗剪強(qiáng)度與粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ的關(guān)系為:

工程中簡(jiǎn)化計(jì)算，滑帶土的最大主應(yīng)力σ1=G cosα并忽略最小主應(yīng)力σ3的影響，穩(wěn)定系數(shù)K按式(1)計(jì)算:

其中，G為滑塊重量，kN/m;α為滑塊滑面的傾角，(°);L為滑面長(zhǎng)度，m;φ為滑帶土的內(nèi)摩擦角，(°);c為滑帶土的單位粘聚力，kPa。

以均質(zhì)土層圓弧滑動(dòng)面為例，Bi滑動(dòng)塊的分析如圖1所示。卸載h'厚度的土層，下滑力減少 Ti=h'bisinαi，抗滑力減少 Fi=h'bicosαitanφ，兩者之差為 Ti－ Fi=h'bisinαi－ h'bicosαitanφ。可以看出只有當(dāng) sinαi－cosαitanφ ＞0，即 tanαi＞tanφ 時(shí)卸載才能產(chǎn)生正面效應(yīng)，有利于滑坡穩(wěn)定?；麦w的前緣部分的滑動(dòng)面夾角一般比較小，故不應(yīng)在前緣部分削方卸載。

圖1 滑動(dòng)塊受力分析

實(shí)際工程中情況較為復(fù)雜，影響土體強(qiáng)度的因素較多，包括礦物成分、軟弱夾層、地層交界面、地下水、膠結(jié)性質(zhì)和密實(shí)程度等，分析時(shí)應(yīng)采用主滑斷面分析。非均質(zhì)土層邊坡，各層內(nèi)摩擦角不同，計(jì)算時(shí)應(yīng)分別計(jì)算抗滑力。驗(yàn)算參數(shù)粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ需進(jìn)行勘察或類比分析后綜合確定。

多級(jí)滑坡和牽引式滑坡，前后滑坡體相互聯(lián)系，前一滑坡的后緣位于后一滑坡的前緣，因此不宜采用卸載方式進(jìn)行處治。

卸載法利用了滑動(dòng)帶土的殘余抗剪強(qiáng)度，工程中還應(yīng)配合排水或者其他加固方法穩(wěn)固滑動(dòng)帶。

3 卸載方案設(shè)計(jì)

卸載法可分為三個(gè)階段:首先應(yīng)對(duì)滑坡的規(guī)模、土的性質(zhì)和現(xiàn)場(chǎng)狀況等進(jìn)行詳細(xì)勘察，然后確定卸載的目的和方案并驗(yàn)算，最后實(shí)施治理方案。卸載方案的制定應(yīng)循序漸進(jìn)，否則很可能會(huì)導(dǎo)致治理方案無(wú)效，甚至引起更大滑坡。

3．1 滑坡勘察

滑坡的勘察是對(duì)滑坡現(xiàn)狀進(jìn)行勘測(cè)，分析成因和趨勢(shì)，并提供設(shè)計(jì)參數(shù)，最后還應(yīng)對(duì)滑坡治理方案提出建議。

滑坡的勘察主要包括以下幾個(gè)部分:

1)對(duì)于中型及以上滑坡應(yīng)提供滑坡工程地質(zhì)平面圖。平面圖應(yīng)主要包括微地貌形態(tài)、裂縫、臺(tái)階及水文地質(zhì)特征、位移;滑坡要素和形態(tài)特征，裂縫位置、寬度、長(zhǎng)度、貫通情況;地下水補(bǔ)給、滲透性和排泄;基巖層傾向傾角，風(fēng)化程度、軟弱夾層和裂隙水活動(dòng);滑坡后緣及兩側(cè)地層的穩(wěn)定性;滑坡區(qū)及周邊建筑物變形的程度、性質(zhì)、部位和發(fā)展。

2)主滑斷面圖。主滑斷面常常在滑坡的滑動(dòng)量最大，滑坡床最深的部位。主滑斷面與滑動(dòng)方向一致，但不一定與路線垂直。斷面圖上填繪地層層序、巖性及巖層結(jié)構(gòu)，滑動(dòng)面(帶)，鉆孔位置深度。

3)滑坡勘探成果。一般采用挖探確定滑坡的后壁及前緣的產(chǎn)狀和滑坡的周界。通過(guò)主滑斷面的鉆探得到滑坡土層厚度、下伏地層位置和形態(tài)、滑動(dòng)面位置、含水狀態(tài)、地下水狀況等。

4)物理力學(xué)試驗(yàn)成果。試驗(yàn)成果不僅應(yīng)對(duì)滑坡體及潛在滑動(dòng)范圍內(nèi)的土做天然含水量、天然密度、液塑限外，還應(yīng)測(cè)定抗剪強(qiáng)度，確定粘聚力和內(nèi)摩擦角。滑帶土的原始結(jié)構(gòu)和性質(zhì)遭到強(qiáng)烈破壞，因此，應(yīng)測(cè)定其殘余抗剪強(qiáng)度。

5)水文資料包括滑坡地段地表水及地下水的情況，包括雨季及枯水季節(jié)的地下水位情況，設(shè)計(jì)年限內(nèi)的最大降雨量等資料。

6)當(dāng)?shù)氐耐愡吰鹿こ痰慕?jīng)驗(yàn)資料，包括邊坡斷面設(shè)計(jì)形狀、坡率、臺(tái)階高度、臺(tái)階寬度、防護(hù)結(jié)構(gòu)形式等，并進(jìn)行深入細(xì)致的分析。

3．2 方案確定

卸載治理方案依據(jù)滑坡勘察提供的信息，并依照應(yīng)急和長(zhǎng)遠(yuǎn)措施相結(jié)合、符合滑坡性質(zhì)與特征、經(jīng)濟(jì)合理、施工安全便捷的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。

卸載方案的制定注意以下幾點(diǎn):

1)卸載對(duì)滑坡體后緣主推段進(jìn)行，避免在滑坡中部及前緣卸載。如滑坡前緣已侵占至路基寬度范圍內(nèi)，必須對(duì)前緣部分進(jìn)行刷坡時(shí)，應(yīng)在后緣卸載完成并穩(wěn)定后進(jìn)行，驗(yàn)算時(shí)應(yīng)充分考慮前緣削方產(chǎn)生的影響。

2)卸載方案應(yīng)分析滑坡后緣、兩側(cè)山體的穩(wěn)定性，避免卸載引發(fā)后緣、兩側(cè)山體的滑動(dòng)。后緣山體較穩(wěn)定時(shí)，開口線宜設(shè)置在滑坡最遠(yuǎn)裂縫外。

3)卸載斷面設(shè)計(jì)根據(jù)主滑斷面土層的分布和滑動(dòng)面位置進(jìn)行，坡率與土層相適應(yīng)。設(shè)計(jì)坡率可根據(jù)土質(zhì)類型、坡高和密實(shí)程度參照《公路工程路基設(shè)計(jì)規(guī)范》《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》或《路基設(shè)計(jì)手冊(cè)》等選擇，并根據(jù)實(shí)際情況折減。坡率較緩導(dǎo)致卸載量小時(shí)，而滑坡后緣山體較穩(wěn)定，向后推移開口線位置。

4)卸載的長(zhǎng)度一般只在滑坡周界內(nèi)進(jìn)行，可以避免工程量過(guò)大和擾動(dòng)相鄰坡面。

5)卸載時(shí)可設(shè)置較為寬大平臺(tái)以減小綜合坡率，并為后續(xù)加固工程提供施工平臺(tái)。

6)主滑斷面卸載確定后，應(yīng)將其放置于平面上核查，并對(duì)其他斷面進(jìn)行校核，計(jì)算總卸載數(shù)量。

7)當(dāng)作為臨時(shí)措施穩(wěn)定滑坡或延緩滑坡變形時(shí)，可將后緣卸載土體填筑于滑坡體的前緣并壓實(shí)形成反壓措施，也可直接填筑塊石、卵石。

8)土質(zhì)邊坡按水土核算原則計(jì)算時(shí)，地下水位以下的土宜采用三軸試驗(yàn)的自重固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度指標(biāo);水土分算時(shí)，地下水位以下土宜采用土的有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。當(dāng)?shù)叵滤雎稌r(shí)應(yīng)設(shè)置滲溝、排水孔和排水溝等疏導(dǎo)設(shè)施將水引離滑坡。裂隙充水時(shí)應(yīng)計(jì)算附加靜、動(dòng)水壓力。

9)卸載層面具有傾斜軟弱夾層和土層交界面時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算卸載后其破壞并剪出的可能性。

10)一般卸載減重主要適用于推動(dòng)式滑坡。牽引式滑坡或滑帶土具有膨脹性質(zhì)的滑坡，不宜采用減重法［2］。

11)應(yīng)查閱國(guó)家地震烈度區(qū)劃圖，當(dāng)?shù)卣鹆叶冗_(dá)到6度以上時(shí)，應(yīng)計(jì)算地震荷載的作用。地震荷載作用于滑塊重心處，并指向下滑方向。

3．3 穩(wěn)定性驗(yàn)算及剩余下滑力

穩(wěn)定性驗(yàn)算不僅檢驗(yàn)治理方案，而且關(guān)系到卸載施工安全，是治理方案中必不可少的環(huán)節(jié)。計(jì)算剩余下滑力可以為后續(xù)整治措施提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

巖土邊坡的變形與發(fā)展都處于塑性階段，其穩(wěn)定性分析基于巖土的塑性理論。常用的穩(wěn)定性分析及計(jì)算方法有極限平衡法、滑移線場(chǎng)法、極限分析法和有限元等。各種方法在適用范圍、精度和難易程度上不相同。

滑坡的穩(wěn)定性應(yīng)采用工程地質(zhì)類比法和力學(xué)計(jì)算進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)?；路€(wěn)定性驗(yàn)算參照《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行。首先確定安全系數(shù)，然后依次計(jì)算各滑塊剩余下滑力，當(dāng)滑坡體最后一塊剩余下滑力不大于零時(shí)，滑坡穩(wěn)定;大于零時(shí)，滑坡不穩(wěn)定，最后滑塊剩余下滑力Tn即為設(shè)計(jì)支擋結(jié)構(gòu)所承受的推力。

4 實(shí)施要點(diǎn)

施工前應(yīng)先布置監(jiān)控措施，并做好應(yīng)急預(yù)案。施工過(guò)程中首先開挖坡頂截水溝，修筑便道和臨時(shí)排水設(shè)施。然后自上而下做刷方減重工程，再做地面排水。最后在滑坡處于相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，實(shí)施其他防護(hù)工程。開挖過(guò)程中如果地層變化存在隱患時(shí)應(yīng)及時(shí)報(bào)告。施工應(yīng)避免在雨季進(jìn)行，如突發(fā)暴雨時(shí)，應(yīng)及時(shí)疏散人員機(jī)械，確保安全。施工中應(yīng)停止在周邊進(jìn)行打樁、重、強(qiáng)夯、沖擊碾壓等。地表徑流沖刷坡腳地帶時(shí)，可采取河流改道、防護(hù)、反壓等措施，保證滑坡穩(wěn)定。

5 工程處治實(shí)例

我省某二級(jí)公路，開挖山體坡腳，造成工程滑坡。山坡覆蓋坡積黃土，下部為濕軟的棕紅色粘土，見(jiàn)圖2。

圖2 公路滑坡

由于滑坡舌侵入至路基寬度內(nèi)，需對(duì)滑坡前緣進(jìn)行刷坡，恢復(fù)道路寬度。工程設(shè)計(jì)中依據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)兩種不同土層分別采用坡率設(shè)計(jì)，上部坡積黃土坡率取下線限值1∶1;下部棕紅色粘土取1∶1∶(2～1．5)，并依據(jù)含水量自上而下逐漸增加，抗剪強(qiáng)度減少的特征，各級(jí)坡率、坡高分別放緩和降低。第3級(jí)寬平臺(tái)的設(shè)置卸載了上部滑動(dòng)土體，并減小了下部土層坡高。穩(wěn)定性計(jì)算采用室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，粘聚力和內(nèi)摩擦角分別為18 kPa和14°，通過(guò)試算求得第3級(jí)平臺(tái)寬度28 m，計(jì)算最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的穩(wěn)定系數(shù)為1．2。坡頂設(shè)置截水溝，每級(jí)平臺(tái)均設(shè)置平臺(tái)截水溝攔截地表水，防止坡面沖刷。工程實(shí)施后，坡體穩(wěn)定，做到經(jīng)濟(jì)合理和一次性根治的原則。

6 結(jié)語(yǔ)

卸載減重法不僅能作為滑坡治理應(yīng)急措施，而且能配合其他措施使用，是公路工程中滑坡治理有效的措施之一。運(yùn)用卸載法治理滑坡做到詳細(xì)勘察、合理設(shè)計(jì)和精心施工便能取得良好效果。

［1］鄭穎人，陳祖煜，王恭先，等．邊坡與滑坡工程治理［M］．第2版．北京:人民交通出版社，2008．

［2］JTG D30-2004，公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．