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      某公路滑坡機(jī)理及防治措施設(shè)計(jì)優(yōu)化分析

      2018-12-27 06:05:28侯小強(qiáng)姚正學(xué)
      城市道橋與防洪 2018年12期
      關(guān)鍵詞:滑帶滑體抗滑樁

      侯小強(qiáng),姚正學(xué)

      (1.甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅 蘭州 730050;2.甘肅省科學(xué)院地質(zhì)自然災(zāi)害防治研究所,甘肅 蘭州 730000)

      0 引言

      近年來,在公路鐵路建設(shè)過程中,由于設(shè)計(jì)速度提高,對于道路線形要求進(jìn)一步提高,在線路規(guī)劃設(shè)計(jì)過程中,難免碰到一些無法繞避的特殊地質(zhì),在建設(shè)過程中,由于開挖坡體,產(chǎn)生新的臨空面,斜坡應(yīng)力的大小和方向發(fā)生變化,產(chǎn)生滑塌或者滑坡等地質(zhì)現(xiàn)象[1-2]。因此,在進(jìn)行線路地質(zhì)調(diào)查時(shí),一定要對坡體的形態(tài)特征、巖土體力學(xué)性質(zhì)及地震作用影響等進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查。結(jié)合近年來集中降雨對斜坡巖土力學(xué)性質(zhì)影響,為斜坡是否穩(wěn)定進(jìn)行準(zhǔn)確判斷,并為穩(wěn)定性較差的斜坡提出科學(xué)合理的防治措施,避免發(fā)生較大的地質(zhì)災(zāi)害,造成較大的生命及財(cái)產(chǎn)損失[3]。本文以某公路滑坡為例,從滑坡形成機(jī)理及防治措施進(jìn)行分析研究。

      1 滑坡形成機(jī)理

      1.1 滑坡的形態(tài)和變形特征

      滑坡處在某公路K1+320-K1+480段右側(cè),H1滑坡屬黃土—泥巖滑坡,平面形態(tài)呈“凸型”,滑坡體地勢總體南高北低,實(shí)測后緣高程2 453 m,前緣高程2 418 m,前后緣最大高差約35 m,坡面平均坡度約22°,主滑方向?yàn)?43°,沿主滑方向縱長約190 m,前緣寬約182 m,后緣寬101 m,依據(jù)該次勘查成果計(jì)算確定,滑坡體厚度介于7.8~15.6 m之間,平均為 12 m,面積約 2.7×104 m2,體積約32.4×104 m3,按滑體厚度劃分,屬深層滑坡;按滑體體積劃分,屬中型滑坡。

      該滑坡周界形態(tài)基本清晰,地形差異明顯,后壁及側(cè)緣呈明顯的圈椅狀不明顯,中部有明顯滑動(dòng)錯(cuò)臺(tái),裂縫長度約10~20 m,受擠壓呈凹型;前緣邊界處于道路的南側(cè),原始地貌形態(tài)已被修路改造,形成5~8 m的邊坡,坡度較大,局部達(dá)65°以上。部分出露的泥巖滑動(dòng)扭曲明顯,巖層產(chǎn)狀呈水平狀,形成了新的臨空面,出現(xiàn)了大面積的滑塌,帶動(dòng)中部出現(xiàn)大量的凸型裂縫發(fā)育,0.5~1 m處錯(cuò)臺(tái)明顯,坡面坡腳均有滲水現(xiàn)象。

      1.2 滑坡物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)特征

      通過對滑坡主滑方向布置剖面中所布置的2處鉆孔ZK2、ZK5進(jìn)行鉆孔,揭露土體特征可知,組成滑坡體的物質(zhì)為粉質(zhì)黏土和泥巖碎屑(見圖1)。

      滑坡體物質(zhì)上部為粉質(zhì)黏土,厚度4~15.5 m不等,粉土顏色呈淺黃色,土質(zhì)較均,底部含有少量鈣質(zhì)條紋及結(jié)核,結(jié)構(gòu)疏松,大孔隙發(fā)育,粉質(zhì)粘土主要呈褐色,含少量泥巖碎屑,松軟結(jié)構(gòu),硬塑-可塑狀態(tài);中下部為泥巖碎屑,呈棕紅色,厚度1.4~2.5 m不等,巖體組織結(jié)構(gòu)完全破壞,呈散體狀結(jié)構(gòu),巖芯呈碎塊狀,可塑~軟塑狀態(tài);底部為泥巖,巖體組織結(jié)構(gòu)完全,呈塊狀結(jié)構(gòu),巖芯呈柱狀。

      圖1 滑坡工程地質(zhì)剖面圖

      滑帶主要由紅褐色泥巖碎屑組成,含水量較高,多呈軟塑狀態(tài),偶見滑動(dòng)擦痕,局部滑面光滑,摩擦熱變質(zhì)現(xiàn)象明顯?;w由上部粉質(zhì)黏土和下部泥巖碎屑構(gòu)成,滑坡中后部在滑體內(nèi)產(chǎn)生新的滑面向下滑動(dòng),前緣處仍然沿過去產(chǎn)生的滑床向下滑動(dòng)?;矠榧t褐色泥巖,泥質(zhì)結(jié)構(gòu),薄層狀構(gòu)造,發(fā)育近水平狀層理,成巖程度低,膠結(jié)程度弱,為泥鐵質(zhì)膠結(jié),多呈半膠結(jié)狀,具遇水膨脹、失水收縮干裂的特性,巖芯多呈短柱狀,一般柱長10~20 cm,最大柱長約60 cm,錘擊聲啞,有較深凹痕。

      1.3 滑坡形成條件

      滑坡和邊坡失穩(wěn)是在多種綜合因素作用下形成的,其地形成因歸納起來主要為區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、集中降雨和地震作用。

      區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈,地形升降運(yùn)動(dòng)形成了沿不同方向展布斷裂和褶皺,它們相互交切,使區(qū)內(nèi)巖土體遭受嚴(yán)重破壞,為地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育體形成了先決條件。第四紀(jì)以來,區(qū)內(nèi)地殼振蕩性上升使得溝谷深切,侵蝕基準(zhǔn)面下降,流水侵蝕作用加劇,坡腳臨空面增大,為滑坡的形成提供了有利的地形條件。同時(shí)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使得區(qū)內(nèi)巖土體構(gòu)造裂隙發(fā)育,破壞了巖土體的應(yīng)力平衡狀態(tài),斜坡趨于不穩(wěn)定,利于滑坡的形成。山體周邊地勢高差較大,夏季集中強(qiáng)降雨較多,成為滑坡災(zāi)害發(fā)生的主要因素。

      近年來,極端強(qiáng)降雨頻繁,該區(qū)境內(nèi)降水分布時(shí)間上很不均勻,降雨量主要集中在七、八三個(gè)月,占全年降水量的57.85%。降水量自東北向西南,雨水遞增,并且局部性、短時(shí)性和強(qiáng)降雨在8月份十分頻繁,最大降水量267.3 mm,占全年降水總量的24%。降水強(qiáng)度較大,大于25 mm的大雨頻率為32次/a,大于50 mm的暴雨頻率為8次/a,主要分布于4~10月。日最大降水量137.7 mm,小時(shí)最大降水量為49.9 mm,10 min最大降水量為21.6 mm,5分鐘最大降水量12.2 mm,最長連續(xù)降雨日14 d。降水對滑坡的作用主要表現(xiàn)以下兩個(gè)方面:一是增加斜坡體自重;二是減弱了滑帶土體的抗剪強(qiáng)度,降水的強(qiáng)度和時(shí)間控制著滑坡的發(fā)育與局部變形復(fù)活。據(jù)調(diào)查資料,在豐水年前期降水量在100 mm或當(dāng)日降水量大于50 mm時(shí)便可引起滑坡,如前期降水不足,當(dāng)日降水量80~100 mm均能引發(fā)滑坡。調(diào)查區(qū)黃土含水層雖呈不連續(xù)分布狀態(tài),但由于汛期降水集中,地下水富集,地下水在形成運(yùn)移過程中軟化地層并形成浸潤結(jié)構(gòu)面,增加坡體自重,促使斜坡失穩(wěn)變形。地表水的作用表現(xiàn)在:一方面不斷下切溝床,導(dǎo)致侵蝕基準(zhǔn)面下降,使岸坡增高變陡;另一方面地表水不斷地沖刷坡腳,臨空面增大,使斜坡始終處于不穩(wěn)定狀態(tài),有利于滑坡的形成。

      5·12地震后,周邊余震不斷地震容易引起巖土體松動(dòng)及震動(dòng)液化,使巖土體結(jié)構(gòu)發(fā)生根本改變,強(qiáng)度降低,加劇斜坡變形破壞,直接觸發(fā)坡體整體滑動(dòng)。地震是滑坡滑動(dòng)的主要因素之一。據(jù)調(diào)查,山周邊滑坡滑動(dòng)與地震有很密切的關(guān)系,多發(fā)在地震后。該區(qū)域地震頻發(fā),而且強(qiáng)度較高,每次地震從震源發(fā)出的彈性振動(dòng),向周圍層傳遞時(shí),具有一定的加速度。因此,將在斜坡內(nèi)產(chǎn)生一種慣性力,使下滑力或抗滑力在瞬間發(fā)生很大的變化,產(chǎn)生強(qiáng)烈的地面破壞。同時(shí)地震引起的強(qiáng)振動(dòng)作用致使黃土粘聚力C、內(nèi)摩擦角φ的值在振動(dòng)過程中突然降低,產(chǎn)生“震陷”等殘余變形、液化作用。地形高低起伏,地震作用力和破壞程度有隨地形起伏、斜坡高度增高而增大的效應(yīng),這樣有利于造成斜坡的失穩(wěn)和破壞。斜坡表層有較厚的黃土覆蓋,結(jié)構(gòu)比較疏松,易吸收地震能量而破壞。且黃土層底部有地下水分布,在地震時(shí)極易發(fā)生液化,產(chǎn)生滑坡。

      1.4 滑坡變形破壞模式

      滑坡具有典型且明顯的后緣推移滑動(dòng)帶、中部主滑帶及前沿臨空牽引帶,其破壞過程與特點(diǎn)分述如下。

      前部抗滑段滑帶與主滑帶生成所依附的軟弱結(jié)構(gòu)帶并非一致,而是在應(yīng)力集中處向臨空(路塹開挖)擠出為主。因此,有向臨空組合的軟弱帶為依附而生成的抗滑段滑帶者,歇于在主滑段推擠下、滑帶地下水逐漸浸濕下漸近破壞而貫通出口;由彈性變形(擠緊)到塑性變形(沿滑帶移動(dòng))直至加速大動(dòng)破壞,此時(shí)抗滑段滑帶抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是當(dāng)時(shí)條件下的殘余強(qiáng)度。如出口滑帶是由應(yīng)力集中下生成(非地質(zhì)上軟弱帶),由于降雨導(dǎo)致下滲,巖土體自重加大,抗剪斷強(qiáng)度降低,則因剩余下滑力過大,出現(xiàn)鼓脹推移,導(dǎo)致坡體前緣失穩(wěn)。

      中部主滑帶多數(shù)是沿滑動(dòng)斷面內(nèi)已有的相對于滑體及滑床為較軟弱、破碎及含水的帶為依附而發(fā)育生成。在地震、滑帶部位地下水等因素影響下,由于主滑帶自身所受應(yīng)力大于強(qiáng)度而產(chǎn)生蠕動(dòng)變形,在受牽引段的推力共同作用下先自身擠緊,而后將剩余下滑力作用于前部的抗滑段,在前部抗滑段被擠緊下僅產(chǎn)生微量移動(dòng),直至抗滑段滑帶形成,隨其產(chǎn)生大規(guī)模的滑動(dòng)破壞。

      在主滑帶的后端先蠕動(dòng),使后緣牽引部分的滑體似基礎(chǔ)下陷般斷裂而生成牽引段滑帶(面),隨后則在地表水及地下水逐步軟化而轉(zhuǎn)化為沿推移滑帶的剪切破壞,產(chǎn)生向主滑體的推力。

      2 滑坡穩(wěn)定性分析

      計(jì)算時(shí)滑坡體巖土體的重度、抗剪強(qiáng)度依據(jù)試驗(yàn)資料及參考本區(qū)域內(nèi)已有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合確定(具體取值見表1)。

      表1 治理工程巖土體抗剪強(qiáng)度表

      依據(jù)《滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》(DZ/T0219-2006),7.2條要求進(jìn)行抗滑樁設(shè)計(jì)計(jì)算。

      (1)滑坡區(qū)剩余下滑力計(jì)算

      設(shè)計(jì)依據(jù)勘查報(bào)告提供的巖土體參數(shù)值,分別按自重工況、自重+暴雨和自重+地震工況計(jì)算圖2中1-1、2-2、3-3剖面的情況。

      圖2 滑坡剖面條塊計(jì)算簡圖

      計(jì)算公式如式(1):

      式中:Kf為安全系數(shù);w為第i條塊的重量,kN/m;c為第 i條塊內(nèi)聚力,kPa;φi為第 i條塊內(nèi)摩擦角,°;Li為第i條塊滑面長度,m;A 為地震加速度;rv為孔隙水壓力比,由于滑體局部含水,未形成統(tǒng)一水位,該次不計(jì)。

      式中:ψj為第i塊段的剩余下滑力傳遞至第i+1段時(shí)的傳遞系數(shù)(j=1),即

      H1滑坡抗滑樁設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果如表2所示。

      通過計(jì)算分析判定,該滑坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài),需要進(jìn)一步加固。

      3 抗滑樁優(yōu)化設(shè)計(jì)

      由于該滑坡地下水豐富,排除地下水可以減小滑坡推力,降低抗滑設(shè)施的抗滑壓力。該次采用箱型抗滑樁,利用箱型抗滑樁箱內(nèi)壁設(shè)置泄水孔,樁之間設(shè)置過水管,最后通過排水管排走,降低滑面的含水量(如圖3和圖4)所示[4]。該治理方案,在滑坡處(前后緣高程2 418~2 453 m)C30鋼筋混凝土箱型樁,樁身穿過潛在滑移面以下穩(wěn)定地層中,利用下部地層的錨固力向滑坡提供抗力,以阻止坡體滑動(dòng)。布置抗滑樁后,根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30—2015)對滑坡穩(wěn)定性要求,滑坡整體抗滑移安全系數(shù)自然工況下達(dá)到1.3抗滑樁設(shè)計(jì)要求。

      表2 滑坡穩(wěn)定性計(jì)算過程(自重)

      圖3 箱型抗滑樁排水系統(tǒng)示意圖

      圖4 箱型抗滑樁排水系統(tǒng)立面示意圖

      為進(jìn)一步節(jié)省材料,樁間距大小主要與剩余下滑力大小、滑體的力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。若樁距過小,樁的數(shù)量較多,工程量較大,施工周期較長,樁距過大,剩余下滑力較大,樁截面尺寸較大,土拱效益較差[5]。合理樁距根據(jù)《滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》(DZ/T 0219-2006),根據(jù)抗滑樁最大抗滑承載力,結(jié)合傳遞系數(shù)法計(jì)算的滑坡設(shè)樁處的剩余推力,可以確定抗滑樁的最大樁間距[6]。本次按照1.3的安全系數(shù),剩余下滑力為1 565.68 kN進(jìn)行治理。采用懸臂式抗滑樁支擋,樁身截面2 m×3 m,樁總長16 m,錨固段長8 m,樁身采用C30混凝土澆筑,混凝土保護(hù)層厚度100 mm,箍筋四箍Φ16@100。

      抗滑樁最大抗滑承載力為7905.3kN,結(jié)合傳遞系數(shù)法計(jì)算的滑坡設(shè)樁處的剩余推力為1565.68 kN,抗滑樁的最大樁間距,即:

      式中:l為抗滑樁中至中的最大間距,m;Pi為設(shè)樁處的剩余推力,kN·m-1。

      通過計(jì)算,樁的最大間距為5.049 m,為方便施工,樁間距按5 m進(jìn)行布設(shè)。

      4 結(jié)論

      (1)利用工程地質(zhì)調(diào)查的手段和方法,對斜坡的形態(tài)和變形特征進(jìn)行表觀調(diào)查,然后通過對滑坡主滑方向布置剖面中所布置鉆孔,揭露土體特征可知,組成滑坡體的物質(zhì)為粉質(zhì)粘土和泥巖碎屑,地下水較為豐富,結(jié)合誘發(fā)各種因素綜合分析,認(rèn)為該滑坡在主滑帶的后端先蠕動(dòng),使后緣牽引部分的滑體似基礎(chǔ)下陷般斷裂而生成牽引段滑帶(面),隨后則在地表水及地下水逐步軟化而轉(zhuǎn)化為沿推移滑帶的剪切破壞,產(chǎn)生向主滑體的推力,進(jìn)一步闡明了滑坡破壞模式。

      (2)根據(jù)該滑坡的形成機(jī)理等條件,計(jì)算分析該滑坡穩(wěn)定系數(shù)為1.01,處于欠穩(wěn)定,根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30—2015)滑坡防治為1.3安全系數(shù)。

      (3)由于該滑坡地下水豐富,采用箱型抗滑樁較為科學(xué)合理,利用箱型抗滑樁箱內(nèi)壁設(shè)置泄水孔,樁之間設(shè)置過水管,最后通過排水管排走,降低滑面的含水量,利用本文利用抗滑樁極限狀態(tài)下,單根樁的最大抗滑承載力恰好等于樁間距范圍內(nèi)滑坡的剩余推力,進(jìn)行抗滑樁最大樁間距計(jì)算公式,進(jìn)一步優(yōu)化了設(shè)計(jì),達(dá)到科學(xué)合理,治理有效的目的。

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