山區(qū)高等級(jí)公路陡坡高路堤滑動(dòng)失穩(wěn)類型及機(jī)理分析

魏少偉，張玉芳，蔡德鉤

(1．中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2．高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

山區(qū)高等級(jí)公路的建設(shè)在我國(guó)已有近20年的歷史，但山區(qū)陡坡上填方路堤設(shè)計(jì)，目前主要參考和應(yīng)用水平路堤的研究結(jié)果，對(duì)陡坡高路堤的破壞機(jī)理的研究相對(duì)較少［1］。對(duì)于陡坡高路堤，存在以下破壞可能:①受施工條件限制，填土壓實(shí)質(zhì)量難以控制，路基易產(chǎn)生不均勻沉降或滑動(dòng);②填土與原坡面之間抗滑措施不足，或地下水滲入誘發(fā)填土沿原坡面產(chǎn)生滑動(dòng);③原坡面以下存在順坡向結(jié)構(gòu)面，填土加載或堵塞地下水通道，引起沿軟弱結(jié)構(gòu)層的滑動(dòng)。

本文針對(duì)高等級(jí)公路陡坡高路堤的特點(diǎn)，系統(tǒng)地分析其分類方法、失穩(wěn)模式及機(jī)理，對(duì)我國(guó)山區(qū)高等級(jí)公路陡坡高路堤修建具有指導(dǎo)意義。

1 陡坡高路堤分類

《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30—2004)［2］將陡坡高路堤定義為:原地面斜坡坡率大于1∶5，填方坡腳到填方頂面高度不小于20 m(或路肩處填方高度不小于12 m)，存在基底失穩(wěn)的可能，需要進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)的路堤。

對(duì)于陡坡高路堤，其破壞往往發(fā)生在填土以下原斜陡邊坡體內(nèi)。原斜陡邊坡的滑動(dòng)破壞，則取決于其邊坡坡體結(jié)構(gòu)。為更系統(tǒng)、深入地研究陡坡高路堤的滑動(dòng)破壞類型，本文首先對(duì)陡坡高路堤按其所處自然斜坡坡體結(jié)構(gòu)，參照《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(JTG C20—2011)進(jìn)行分類，按基底分為完整巖體邊坡、破碎巖體邊坡、順坡向結(jié)構(gòu)面發(fā)育巖體邊坡、土質(zhì)邊坡及二元結(jié)構(gòu)邊坡［3］。各類邊坡的破壞模式見(jiàn)表1。

2 陡坡高路堤滑動(dòng)失穩(wěn)類型

陡坡高路堤滑動(dòng)失穩(wěn)類型按滑面位置及形狀可分為7類，按滑動(dòng)面自上而下依次為:填筑體內(nèi)類均質(zhì)體弧型滑動(dòng)(Ⅰ);填筑體與原坡體交界面折線型滑動(dòng)(Ⅱ);填筑體與覆蓋層整體弧型滑動(dòng)(Ⅲ);第四紀(jì)覆蓋層中的折線型滑動(dòng)(Ⅳ);基巖頂面折線型滑動(dòng)(Ⅴ);填筑體、覆蓋層與基巖整體弧型滑動(dòng)(Ⅵ);沿基巖內(nèi)順坡向結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)(Ⅶ)。各類陡坡高路堤的滑動(dòng)失穩(wěn)類型參見(jiàn)表1?？傮w來(lái)講，陡坡高路堤破壞模式可歸納為結(jié)構(gòu)面控制與強(qiáng)度控制兩種類型。

2.1 填筑體內(nèi)類均質(zhì)體弧型滑動(dòng)

填筑體內(nèi)類均質(zhì)體弧型滑動(dòng)如圖1所示，其變形特征為:①先在坡頂附近出現(xiàn)平行線路貫通而較長(zhǎng)的縱縫，并下錯(cuò);②在坡體中下部有隆起和鼓肚現(xiàn)象，并滲水潮濕;③在長(zhǎng)期降雨或暴雨作用下，坡體會(huì)產(chǎn)生似溜塌如泥石流狀的滑動(dòng)巖土，堆于坡腳及其以下。此類邊坡的滑坡規(guī)模，一般隨路堤邊坡的高度而異。填筑體內(nèi)產(chǎn)生的弧型滑動(dòng)，根本原因在于填筑體內(nèi)土體抗剪強(qiáng)度不足。填筑體的填土類別、壓實(shí)度、水的作用等因素對(duì)土體強(qiáng)度均有影響，是修筑填土路堤需考慮的主要因素。

表1 陡坡高路堤各類邊坡的破壞模式

圖1 填筑體內(nèi)類均質(zhì)體弧型滑動(dòng)(梅河高速公路

2.2 沿填筑體與原斜坡交界面折線型滑動(dòng)

在陡坡高路堤失穩(wěn)破壞模式中，路堤沿填筑體與原斜坡體交界面的滑動(dòng)較為常見(jiàn)，如圖2所示。引起路堤沿填筑體與原坡體交界面失穩(wěn)破壞的原因有很多，可大致分為內(nèi)因和外因兩大類:內(nèi)因包括交界面力學(xué)性質(zhì)、交界面結(jié)構(gòu)，外因包括水的作用等。

圖2 沿填筑體與原斜坡交界面折線型滑動(dòng)(某一級(jí)公路路堤橫斷面)［4］

1)交界面

填筑體與原斜坡覆蓋層巖土在力學(xué)性質(zhì)上(包括黏聚力、摩擦角、彈性模量等)存在明顯差異，這種差異造成其交界面成為坡體結(jié)構(gòu)中較薄弱部位，進(jìn)而發(fā)展成為滑坡變形的依附界面。對(duì)填筑體與原坡體交界面的處治措施，從根本上可以分為以下三步:①采用夯實(shí)、加筋等措施對(duì)原斜坡覆蓋層進(jìn)行加固，避免發(fā)生沿覆蓋層的整體滑動(dòng);②采用挖臺(tái)階法將可能的滑動(dòng)面上移至填土底部，避免交界面成為滑面;③采用夯實(shí)法、土工格柵、排水等措施提高路堤底部土體強(qiáng)度及其穩(wěn)定性。

2)水的作用

水對(duì)填筑體與原坡體交界面的影響主要是降低交界面強(qiáng)度，進(jìn)而誘發(fā)路堤沿填筑體與原坡體交界面的失穩(wěn)破壞。水的作用主要體現(xiàn)在:①地表水下滲進(jìn)入交界面，使交界面巖土體含水率增大，強(qiáng)度降低;②路堤填筑改變坡體地下水徑流路徑，使基巖和第四紀(jì)覆蓋層中的地下水排泄受阻，向上承壓，降低交界面強(qiáng)度。

2.3 填筑體和覆蓋層整體弧型滑動(dòng)

填筑體和覆蓋層整體弧型滑動(dòng)如圖3所示，這種滑動(dòng)常發(fā)生在覆蓋層內(nèi)堆積成因的結(jié)構(gòu)面不起控制作用且覆蓋層土體強(qiáng)度不高的地層中，原斜坡坡度常緩于1∶3?；瑒?dòng)破壞受填筑體、覆蓋層內(nèi)巖土強(qiáng)度控制。

圖3 填筑體與覆蓋層整體弧型滑動(dòng)(梅河高速公路K17+630路堤)

2.4 第四紀(jì)覆蓋層中的折線型滑動(dòng)

第四紀(jì)覆蓋層中的折線型滑動(dòng)，往往發(fā)生在覆蓋層內(nèi)有明顯堆積層面的邊坡中，受不同堆積成因結(jié)構(gòu)面控制。實(shí)踐證明，在坡、洪積交互成因的坡積層底、洪積層頂，在同一成因不同堆積層次的層間，在第四紀(jì)重力堆積體中老滑坡面、崩積體界面、坍塌體界面，若有地下水補(bǔ)給，易形成滑帶［5］。此類滑動(dòng)在工程中出現(xiàn)較少。

2.5 沿基巖頂面折線型滑動(dòng)

邊坡上部為坡殘積、坡崩積、坡洪積等堆積層，下部為基巖?；鶐r頂面向臨空面傾斜，路堤加載作用下，常引發(fā)路堤沿基巖頂面的整體滑動(dòng)破壞，如圖4所示。與路堤沿填筑體與原坡體交界面的滑動(dòng)破壞模式相似，引發(fā)路堤沿基巖頂面滑動(dòng)的原因可大致分為內(nèi)因和外因兩大類:內(nèi)因?yàn)榻唤缑媪W(xué)性狀與結(jié)構(gòu)，外因包括水的作用等。

圖4 路堤沿基巖頂面折線型滑動(dòng)(重慶江津長(zhǎng)江公路大橋南引道K7+840—K7+993路堤斷面)

交界面的力學(xué)性狀主要由覆蓋層與基巖在巖土力學(xué)性質(zhì)上(包括黏聚力、摩擦角、彈性模量等)的差異所致。交界面強(qiáng)度一般低于覆蓋層內(nèi)巖土體的強(qiáng)度，在路堤加載作用下，基巖頂面易成為滑動(dòng)面。同時(shí)基巖頂面的傾角對(duì)滑坡的發(fā)生也有重要影響，基巖頂面傾角增大，不穩(wěn)定巖體下滑力也隨之增大，路堤穩(wěn)定性降低。水在此類滑坡中的作用體現(xiàn)在:①基巖較為完整時(shí)，路堤填方加載會(huì)壓縮覆蓋層，在覆蓋層內(nèi)形成承壓水;②在基巖較為破碎時(shí)，路堤填方阻塞地下水排水通道，造成碎裂基巖內(nèi)形成承壓水。覆蓋層或碎裂基巖內(nèi)的承壓水均能使交界面強(qiáng)度浸水軟化，增大路堤滑坡失穩(wěn)的可能性。

2.6 填筑體、覆蓋層與基巖整體弧型滑動(dòng)

填筑體、覆蓋層與基巖整體弧型滑動(dòng)，受填筑體、覆蓋層與基巖的巖土強(qiáng)度控制，其滑動(dòng)面不通過(guò)基巖內(nèi)原有或明顯的軟弱面(或根本不存在軟弱面)，可以認(rèn)定是與滑體滑動(dòng)同時(shí)產(chǎn)生的新剪切面。此類滑坡一般發(fā)生在基巖表層巖體風(fēng)化嚴(yán)重，極為松散破碎，呈現(xiàn)類均質(zhì)特性，且基巖頂面的后部一般為陡坡，中前部為緩坡，土體含水率大。與路堤沿基巖內(nèi)順坡向結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)相比較，此類滑坡的規(guī)模相對(duì)較小，在工程中也較為少見(jiàn)。

2.7 沿基巖內(nèi)順坡向結(jié)構(gòu)面的滑動(dòng)

路堤沿基巖內(nèi)順坡向結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)，按結(jié)構(gòu)面成因可分為層面滑坡與構(gòu)造面滑坡。層面滑坡的結(jié)構(gòu)面包括:①沉積巖及其變質(zhì)巖中的層面、片理面，下伏老地層間的整合面;②各期噴出巖之間，及其與下伏老地層之間的接觸面。構(gòu)造面滑坡的結(jié)構(gòu)面包括:①巖體內(nèi)因構(gòu)造應(yīng)力作用產(chǎn)生的節(jié)理面、斷層面;②巖漿巖侵入與圍巖間的接觸面;③巖漿巖中的原生節(jié)理面。

在陡坡高路堤沿基巖內(nèi)順坡向結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)的影響因素中，地表水的直接滲入對(duì)滑帶的供水是次要的。路堤填方阻塞坡體基巖內(nèi)地下水的排水通道，造成地下水向軟弱結(jié)構(gòu)面供水，是誘發(fā)基巖內(nèi)順坡向結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)的主要因素。

3 工程實(shí)例分析——水麻高速公路某段路堤邊坡

3.1 工程概況

某滑坡區(qū)所處屬構(gòu)造剝蝕高中山河谷地貌。原自然斜坡坡度20°～40°，表層為第四紀(jì)殘坡積層(厚約4 m)，基巖為灰色泥灰?guī)r(S2l2)，呈中厚層～厚層狀，局部呈薄層狀，巖石以弱風(fēng)化為主，巖層傾向140°～160°，與坡向相同;傾角 21°～31°，與自然斜坡角基本一致，總體上陡下緩。巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育，較破碎。

3.2 滑動(dòng)前防護(hù)措施

該段線路以陡坡高路堤形式通過(guò)，支擋結(jié)構(gòu)為錨索樁板墻，抗滑樁共33根，樁上設(shè)錨，樁間為擋土板。樁頂至路基右側(cè)設(shè)置一級(jí)邊坡，坡比1∶1.5，邊坡高8 m，設(shè)計(jì)填方高 5.68～16.64 m?？够瑯堵裆罴s7.4 m，嵌入弱風(fēng)化基巖約3.2 m，橫斷面見(jiàn)圖5。

圖5 典型斷面設(shè)計(jì)(滑動(dòng)前)

3.3 破壞過(guò)程

預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁板墻于2005年12月底施工完畢，滑動(dòng)時(shí)填土與樁頂高程一致，距路基設(shè)計(jì)標(biāo)高差8.0 m。2006年5月20日至6月20日觀測(cè)發(fā)現(xiàn)樁有輕微變形，位移最大達(dá)8 cm，6月下旬連續(xù)降雨后，變形加劇;由于受7月22日鹽津縣豆沙鎮(zhèn)5.1級(jí)地震和連續(xù)強(qiáng)暴雨的影響，邊坡變形持續(xù)增大;2006年11月23日凌晨，該段邊坡30 m范圍樁發(fā)生嚴(yán)重破壞，其中5根傾倒折斷，兩側(cè)樁也發(fā)生嚴(yán)重變形。

3.4 破壞原因分析

3.4.1 陡坡高路堤分類

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及分析，該陡坡高路堤原自然斜坡為層狀邊坡，該路堤基底為順坡向結(jié)構(gòu)面發(fā)育巖體邊坡，結(jié)構(gòu)面為巖層面。

3.4.2 滑動(dòng)失穩(wěn)類型

變形跡象表明213國(guó)道右側(cè)坡腳為剪出口，滑動(dòng)方向?yàn)?68°，滑動(dòng)范圍為 K0+125—K0+215段，寬90.0 m，面積約7 000 m2，推測(cè)其厚度為5～19 m，此時(shí)213國(guó)道坡腳擋墻已發(fā)生整體破壞。該滑坡破壞模式為路堤沿基巖頂面折線型滑動(dòng)。

3.4.3 破壞機(jī)理分析

該路段原自然斜坡為順層邊坡，巖層傾向與坡向一致，存在軟弱結(jié)構(gòu)面。病害發(fā)生的主要原因?yàn)?

1)抗滑樁前堆積層土體處于極限平衡狀態(tài)，無(wú)法提供被動(dòng)土壓力，設(shè)計(jì)中計(jì)算樁前土體抗力時(shí)不應(yīng)考慮該堆積層。也就是說(shuō)，抗滑樁埋深雖有7.4 m，但減去堆積層厚度，樁體進(jìn)入基巖深度不夠(僅3.2 m)，造成墻體側(cè)向承載力不夠，樁體外移。

2)設(shè)計(jì)中無(wú)截?cái)嗷鶐r頂面流動(dòng)地下水的措施，無(wú)法確保堆積層的滑動(dòng)穩(wěn)定性與錨索樁的錨固力。

3)降雨的誘發(fā)作用。雨季時(shí)由于地表水長(zhǎng)期下滲，軟化了下部巖土體，導(dǎo)致基巖頂面抗剪強(qiáng)度降低，且大量地表水下滲增加了動(dòng)水壓力，抗滑樁嵌入巖體較淺，提供的抗滑力不足，當(dāng)邊坡的下滑力大于錨索樁提供的抗滑力時(shí)路堤整體沿基巖頂面滑動(dòng)。

4 陡坡高路堤修建應(yīng)遵循的原則

由以上分析，陡坡高路堤設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則:

1)區(qū)分基巖內(nèi)軟弱面、基巖頂面及堆積層中不同成因的界面，并由下至上逐層驗(yàn)算上述7類滑動(dòng)的穩(wěn)定性。若穩(wěn)定性不滿足要求，應(yīng)采取工程加固措施。

2)重視地下排水系統(tǒng)，確保路堤基底的排水通暢，在基底面有滲水、泉水出露處宜采用引水盲溝將水排出;在地面平緩或水洼處設(shè)計(jì)垂直線路的盲溝(一般寬2 m，間隔10～15 m)，并注意疏排基巖內(nèi)的承壓水，避免地下水進(jìn)入路堤填筑體內(nèi)。

3)加強(qiáng)地表排水系統(tǒng)，防止地表水滲入路堤填筑體造成病害。

5 結(jié)語(yǔ)

1)依據(jù)陡坡高路堤特點(diǎn)，將其按基底斜坡坡體結(jié)構(gòu)分為完整巖體邊坡、破碎巖體邊坡、順坡向結(jié)構(gòu)面發(fā)育巖體邊坡、土質(zhì)邊坡及二元結(jié)構(gòu)巖體邊坡5類，并分別對(duì)各類陡坡高路堤邊坡的特點(diǎn)及可能破壞類型進(jìn)行了闡述。

2)對(duì)陡坡高路堤可能發(fā)生的破壞模式，按滑面自上而下分為7類:填筑體內(nèi)類均質(zhì)體弧型滑動(dòng);路堤沿填筑體與原坡體交界面折線型滑動(dòng);填筑體和覆蓋層整體弧型滑動(dòng);第四紀(jì)覆蓋層中的折線型滑動(dòng);沿基巖頂面折線型滑動(dòng);填筑體、覆蓋層與基巖整體弧型滑動(dòng);沿基巖內(nèi)順坡向結(jié)構(gòu)面的滑動(dòng)。對(duì)各類破壞模式進(jìn)行了分析，并重點(diǎn)討論了水在邊坡失穩(wěn)過(guò)程中的作用。

3)對(duì)云南某高速公路典型陡坡高路堤工點(diǎn)的病害原因進(jìn)行了分析，提出在采用陡坡高路堤方案時(shí)，設(shè)計(jì)與施工應(yīng)遵循的原則。

［1］王志斌．巖質(zhì)斜坡地基上填方路堤穩(wěn)定性研究［D］．長(zhǎng)沙:中南大學(xué)，2007．

［2］中華人民共和國(guó)交通部．JTG D30—2004 公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:人民交通出版社，2004．

［3］中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部．JTG C20—2011 公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］．北京:人民交通出版社，2011．

［4］李漢江，劉勇，聶愛(ài)球．匯水陡坡路堤滑動(dòng)機(jī)理分析及處理意見(jiàn)［J］．山西建筑，2009，35(29):244-245．

［5］徐邦棟．滑坡分析與防治［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2001．