廣東高速公路路塹高邊坡滑動機(jī)理分析及防治對策

王 佳，袁 坤，李新偉，張玉芳，歐陽昇

(1.廣東交通實(shí)業(yè)投資有限公司，廣東 廣州 510623；2中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081；3.廣州市高速公路有限公司，廣東 廣州 510000;4.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所,北京 100081)

隨著我國公路建設(shè)的迅速發(fā)展和高速公路向山區(qū)的快速延伸，在選線中不可避免地出現(xiàn)路塹高邊坡。路塹高邊坡滑動破壞及防治刻不容緩。如京珠高速公路K108滑坡開挖后發(fā)生4次大變形，多次變更設(shè)計(jì)，施工過程中的降雨是多次滑動的重要誘因[1-2]；渝黔高速公路向家坡滑坡在1998—2004年，因開挖、降雨等因素先后誘發(fā)5次大變形，危及公路安全運(yùn)營，多次修建抗滑工程，損失難以估量[3-4]；永安箭豐尾滑坡不僅在永武高速公路建設(shè)時(shí)產(chǎn)生多次滑動，而且在2010年福建地區(qū)特大水災(zāi)的持續(xù)強(qiáng)降雨誘發(fā)下，該滑坡在高速公路建成運(yùn)營不到1年就整體復(fù)活，最終演化為總體積約 1 000×104m3的超大型滑坡[5]。云南元磨高速公路長147 km，高于30 m的邊坡432處，出現(xiàn)病害177處，治理費(fèi)用超過8億元[6-8]；重慶市萬梁高速公路通過砂泥巖順層地段超過20 km，幾乎所有的高邊坡都發(fā)生了變形，加固高邊坡費(fèi)用近2億元[9-10]。

本文對汕(頭)至湛(江)高速公路路塹高邊坡典型工點(diǎn)滑動機(jī)理進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的防治對策，為類似工程提供參考。

1 工況概況

汕湛高速公路路塹高邊坡從山坡中前部通過，自然坡高約160 m，最大挖方高度約34.6 m。原設(shè)計(jì)分為3級邊坡：1級邊坡坡率1∶1，坡高10 m，采用錨桿格梁植草防護(hù)；2級邊坡坡率1∶1.25，坡高10 m，采用預(yù)應(yīng)力錨索框架植草防護(hù)；3級邊坡坡率1∶1.5，最大坡高10.1 m，采用人字形骨架植草防護(hù)。1級邊坡設(shè)置 2排仰斜式排水孔。原設(shè)計(jì)典型斷面見圖1。

圖1 原設(shè)計(jì)典型斷面(單位:m)

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

場區(qū)屬于丘陵地貌，形態(tài)復(fù)雜，山坡陡緩相間。汕湛高速公路從山前面通過，切割山體處呈陡坡狀，山坡自然坡度15°～40°，高程110～160 m。山坡植被較發(fā)育，主要為果樹、灌木；山坡底部附近有村莊和鄉(xiāng)村公路，交通條件較好。邊坡全貌見圖2。

圖2 邊坡全貌

2.2 地層巖性

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及鉆探資料，上覆地層:①第四系崩坡積粉質(zhì)黏土，黃褐色、棕紅色，硬塑，成分以黏粉粒為主；②第四系殘積粉質(zhì)黏土和砂質(zhì)黏性土,黃褐色,灰褐色，硬塑，成分以黏粉粒為主，含少量碎石，厚度3.6～6.7 m。下伏基巖為寒武系上統(tǒng)八村群云母石英片巖、混合巖和混合花崗巖，本次鉆探揭露有全～微風(fēng)化巖帶。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

邊坡區(qū)位于華南加里東褶皺系粵西隆起帶內(nèi)，大地構(gòu)造位置處于四會—吳川斷褶帶中西段。在漫長地質(zhì)時(shí)期經(jīng)歷了多次和多種性質(zhì)的地殼運(yùn)動，如加里東期、印支期、燕山期和喜山期均有表現(xiàn)，并具有多階段活動的特點(diǎn)。由于受歷次構(gòu)造運(yùn)動的影響，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造多呈NE或近NE走向。據(jù)邊坡開挖揭露情況及補(bǔ)充勘察報(bào)告分析該邊坡未見斷裂構(gòu)造，但有花崗巖脈侵入，形成混合花崗巖。其中:K164+500—K164+560段為混合花崗巖，巖土界面產(chǎn)狀265°～276°∠35°～38°，不利結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀180°～230°∠60°～80°。不利結(jié)構(gòu)面切割坡體，密度從(1～2)條/m到(2～4)條/m，多閉合，可視長度1.0～5.0 m，少數(shù)微張開。

2.4 地下水

開挖邊坡時(shí)1級邊坡有多處沿基巖面出露基巖裂隙水和泉水，流量約0.05 L /min，管涌流速約0.5～1.0 m/min。

3 邊坡的病害調(diào)查及滑動機(jī)理

3.1 邊坡的病害調(diào)查

邊坡上陡下緩，該地貌是導(dǎo)致邊坡滑動的地質(zhì)基礎(chǔ)，邊坡開挖為直接誘因。由于對該地貌的認(rèn)識不足，在地表水和地下水的作用下導(dǎo)致邊坡出現(xiàn)了4次滑動。

目前，該邊坡按照第3次變更設(shè)計(jì)方案實(shí)施，邊坡頂截水溝、4,5級邊坡錨索框架梁、2級平臺鋼花管及冠梁均施工完成。3級邊坡錨索正在施工。2017年8月突遇強(qiáng)臺風(fēng)天氣邊坡再次發(fā)生滑動。滑動范圍如圖3 所示。

1)滑坡后緣

在距邊坡塹頂約25 m處見滑坡后緣裂縫，裂縫寬約10～20 cm，裂縫貫通。

2)滑坡左側(cè)界

滑坡左側(cè)界在塹頂截水溝外側(cè)，可見貫通的裂縫，裂縫寬15～20 cm，截水溝變形開裂，見圖4。

圖4 滑坡左側(cè)界裂縫

3)滑坡右側(cè)界

滑坡右側(cè)界在錨索加固區(qū)外側(cè)(見圖5)，可見貫通的裂縫，裂縫寬5～10 cm。

圖5 滑坡右側(cè)界

4)滑坡剪出口

2級邊坡坡腳出現(xiàn)淺層滑動面的剪出口，剪出口產(chǎn)狀218°∠13°(見圖6(a))。大里程端開挖1級邊坡揭露的滑動面產(chǎn)狀為226°∠17°(見圖6(b))，滑動面處有水流出，推測深層滑動面的剪出口在1級邊坡坡腳。

圖6 滑動面的剪出口

圖7 測斜孔平面布置示意

圖8 滑坡區(qū)域監(jiān)測位移曲線

5)滑坡滑動面的確定

測斜孔平面布置如圖7所示。其中：CX1—CX8為測斜孔編號。由監(jiān)測位置曲線(見圖8)可知:2級平臺4#測斜孔監(jiān)測的滑動面在孔口以下11 m處，3級平臺2#測斜孔監(jiān)測的滑動面在孔口以下11 m處，塹頂8#測斜孔監(jiān)測的滑動面在孔口以下19 m處，其他測斜孔均已破壞。

根據(jù)測斜孔監(jiān)測結(jié)果確定的主滑帶(見圖9)傾角為17°，與1級邊坡開挖揭露的深層滑動面相符。

圖9 深層滑動面(單位：m)

3.2 滑動機(jī)理分析

1)邊坡發(fā)生滑動的地質(zhì)基礎(chǔ)

①邊坡的巖體結(jié)構(gòu)

邊坡表層為第四系粉質(zhì)黏土和砂質(zhì)黏性土，夾少量碎石，松散～稍密狀態(tài)。下伏寒武系上統(tǒng)八村群云母石英片巖、混合巖和混合花崗巖，產(chǎn)狀為反傾，巖面起伏較大。有順坡向切割坡體的陡傾裂隙。

②邊坡的地下水分布

由于邊坡K164+580—K164+610處基巖面呈凹槽狀，存在與北側(cè)地表水相連通的古沖溝，邊坡開挖揭露基巖裂隙水發(fā)育，見2處泉水及大面積滲水，軟化基巖頂面的砂質(zhì)黏土，強(qiáng)度降低造成邊坡滑動。

2)邊坡發(fā)生滑動的人為誘發(fā)因素

該邊坡一次開挖到坡腳，形成了較高、較陡的臨空面，加上施工期雨季頻繁，地表水沿表層碎石土層下滲，基巖裂隙水向上承壓，兩者結(jié)合軟化了基巖交界面的砂質(zhì)黏土，降低了其強(qiáng)度。地表水下滲增大了坡體自重，破壞了土體的自穩(wěn)，造成邊坡滑塌。

4 滑坡穩(wěn)定性分析及防治對策

4.1 滑坡穩(wěn)定性分析

1)主滑帶強(qiáng)度指標(biāo)反算

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，邊坡已產(chǎn)生滑動。根據(jù)文獻(xiàn)[1]中滑坡滑動的6個階段，該邊坡目前屬于滑動階段，穩(wěn)定性系數(shù)0.95～1.00。穩(wěn)定性系數(shù)取0.98進(jìn)行反算，結(jié)合勘查報(bào)告中巖土體室內(nèi)試驗(yàn)參數(shù)，豎向鋼花管已經(jīng)施工完成，且鋼花管頂混凝土板開裂，表明鋼花管處于受力狀態(tài)。此次指標(biāo)反算時(shí)考慮每排鋼花管提供抗滑力400 kN/m，對主滑帶巖土體強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行反算。結(jié)果見表1。

表1 主滑帶巖土體強(qiáng)度指標(biāo)

注: C1，C2，C3分別為牽引段、主滑段、抗滑段黏聚力;φ1，φ2，φ3分別為牽引段、主滑段、抗滑段內(nèi)摩擦角。

2)邊坡滑動推力計(jì)算

沿邊坡滑動方向采用不平衡推力法計(jì)算推力。該邊坡屬于高速公路邊坡，根據(jù)工程的重要性，穩(wěn)定性系數(shù)取1.2。剩余水平下滑力計(jì)算結(jié)果見表2。

由表2可得，該邊坡最大剩余水平下滑力為 1 896kN/m。由于邊坡發(fā)生滑動，通過后期補(bǔ)強(qiáng)張拉，已加固工程錨索錨固力按設(shè)計(jì)值的50%考慮為

表2 剩余水平下滑力計(jì)算結(jié)果

200 kN/m，平臺已經(jīng)施工的鋼花管提供的抗滑力按50 kN/m 考慮，已加固工程可提供抗滑力664 kN/m，剩余水平下滑力 1 232 kN/m。

4.2 邊坡滑動防治對策

1)豎向鋼花管群樁+斜向預(yù)應(yīng)力鋼錨管框架梁加固

1級平臺采用4排豎向φ89壁厚5 mm無縫鋼花管加固，縱向間距1.0 m，橫向間距0.7 m，鋼花管長16 m。鋼花管頂部采用厚40 cm現(xiàn)澆鋼筋混凝土板，豎向鋼花管設(shè)計(jì)抗滑力100 kN/m。

2級坡面采用3排斜向鋼錨管框架梁加固，鋼錨管型號為φ50壁厚4.5 mm無縫鋼管，鋼錨管縱向間距2.0 m，橫向間距3.0 m，斜向鋼錨管深入中風(fēng)化巖層不少于4 m，框架梁截面尺寸0.4 m×0.3 m，采用鋼筋混凝土現(xiàn)場澆筑，框架梁與1級平臺鋼花管頂部冠梁連接，斜向鋼錨管的設(shè)計(jì)錨固力為150 kN/m。

2級平臺在3級邊坡坡腳增設(shè)1排豎向φ89壁厚5 mm無縫鋼花管加固，縱向間距1.0 m。

3級平臺采用5排豎向φ89壁厚5 mm無縫鋼花管加固，縱向間距1.0 m，橫向間距1.2 m。鋼花管長 22 m，鋼花管頂部采用厚40 cm現(xiàn)澆鋼筋混凝土板，豎向鋼花管設(shè)計(jì)抗滑力為100 kN/m。豎向鋼花管群樁+斜向預(yù)應(yīng)力鋼錨管框架梁加固斷面如圖10所示。

圖10 豎向鋼花管群樁+斜向預(yù)應(yīng)力鋼錨管框架梁 加固斷面(單位：m)

2)抗滑樁+錨桿格梁加固

1級平臺采用截面尺寸2.0 m×2.5 m的抗滑樁加固，抗滑樁長22 m，樁間距為4.0 m，采用鋼筋混凝土澆筑，抗滑樁設(shè)計(jì)抗滑力為1 200 kN/m。

2級邊坡坡面采用錨桿格梁加固，錨桿長9 m，橫向間距3 m，縱向間距3 m，錨桿采用φ32螺紋鋼筋，格梁截面尺寸30 cm×30 cm，采用鋼筋混凝土澆筑。

1級邊坡采用客土噴播植草防護(hù)，抗滑樁+錨桿格梁加固斷面如圖11所示。

圖11 抗滑樁+錨桿格梁加固斷面(單位：m)

3)2種方案對比

豎向鋼花管群樁+斜向預(yù)應(yīng)力鋼錨管框架梁加固后邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.232，抗滑樁+錨桿格梁加固后邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.208。

豎向鋼花管群樁+斜向預(yù)應(yīng)力鋼錨管框架梁加固施工快、對坡體擾動小、見效快、施工靈活、工期短，同時(shí)通過二次劈裂注漿能對滑帶土體進(jìn)行擠密加固，提高滑帶土體的強(qiáng)度和邊坡的抗滑力。

抗滑樁+錨桿格梁加固屬于永久加固，但抗滑樁施工工期長、危險(xiǎn)性高、難度大，且對邊坡擾動大、見效慢、工程造價(jià)高。

鑒于此，建議該邊坡采用豎向鋼花管群樁+斜向預(yù)應(yīng)力鋼錨管框架梁加固。

5 結(jié)論

2)由于邊坡K164+580—K164+610 m處基巖面呈凹槽狀，且存在與北側(cè)地表水相連通的古沖溝，地下裂隙水豐富。邊坡開挖揭露基巖裂隙水發(fā)育，見2處泉水及大面積滲水。基巖裂隙水軟化了基巖頂面的砂質(zhì)黏土，致使其強(qiáng)度降低,從而引起邊坡滑動。

3)邊坡滑動區(qū)域地表水和地下水豐富，表層碎石土為儲水層，黏性土為隔水層，基巖裂隙水受遠(yuǎn)處地下水補(bǔ)給，沿基巖裂隙承壓，沿基巖頂面形成軟弱層。

4)豎向鋼花管群樁+斜向預(yù)應(yīng)力鋼錨管框架梁加固施工快、對坡體擾動小、見效快、施工靈活、工期短，同時(shí)通過二次劈裂注漿能對滑帶土體進(jìn)行擠密加固，提高滑帶土體的強(qiáng)度和邊坡的抗滑力。建議采用該加固方案。