山區(qū)高速公路某高路塹邊坡穩(wěn)定性分析與處治

劉 軍

(1.湖南理大交通科技發(fā)展有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410006； 2.湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410132； 3.湖南湘工新區(qū)投資集團(tuán)有限公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410008 )

1 工程概況

該邊坡為貴州省某高速公路一樞紐立交北側(cè)巖質(zhì)路塹邊坡，該區(qū)域主要為出露第四系碎石土，灰?guī)r(錯(cuò)落體)，下伏二疊系下統(tǒng)棲霞組第1段，灰?guī)r、砂巖、泥灰?guī)r及炭系泥巖地層，山體巖石裂隙發(fā)育，雨水易沿地表裂隙滲灌。坡體上部多被開墾為耕地，呈階梯狀，坡體下部為施工開挖形成的臨空面，坡度約20°～35°，局部陡坡接近50°。

受施工開挖和降雨等影響，該邊坡于施工早期發(fā)生了滑移，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，滑坡體主體為堆積塊石，前緣公路開挖高邊坡上部多處巖石張裂，張裂處有明顯巖溶跡象，局部呈外翻狀，并有逐步擴(kuò)大趨勢(shì)，下部泥灰?guī)r及砂巖層在雨水侵蝕下，巖體風(fēng)化嚴(yán)重，強(qiáng)度降低，存在剪出跡象。從坡面看有多層炭質(zhì)泥巖出露，其中間夾砂巖，由于炭質(zhì)泥巖巖性軟弱，在地下水的作用下軟弱帶進(jìn)一步軟化，容易形成滑動(dòng)面。

鑒于當(dāng)前坡體多處發(fā)生開裂且有加劇趨勢(shì)，嚴(yán)重威脅現(xiàn)場(chǎng)施工安全。為查明滑動(dòng)面埋深，保證后續(xù)施工安全，對(duì)該滑坡路段進(jìn)行深層位移監(jiān)測(cè)。

2 邊坡位移監(jiān)測(cè)分析

本次監(jiān)測(cè)總共布置監(jiān)測(cè)鉆孔10個(gè)，有效測(cè)孔8個(gè)(老路改造時(shí)有2處測(cè)孔進(jìn)行了回填，未完成監(jiān)測(cè))，累計(jì)完成監(jiān)測(cè)116次，其中深部位移監(jiān)測(cè)結(jié)果見表1。

表1 深層位移監(jiān)測(cè)結(jié)果測(cè)孔編號(hào)位置孔深/m總監(jiān)測(cè)次數(shù)/次最大變形位置/m最大變形量/mmC1K207+71239.51118.55.02C2K207+71038.58216.67C3K207+76169.510528.26C4K207+75045.59305.83C5K207+751701059.57.95C6K207+82644932.59.30C7K207+82043.5914.57.76C8K207+82044929.510.98

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)持續(xù)監(jiān)測(cè)成果，滑坡體有沿堆積塊石與基巖接觸帶發(fā)生滑動(dòng)跡象，初步判斷該滑坡滑動(dòng)面較深，受裂隙、坡面等結(jié)構(gòu)面控制，局部臨空，在自重引起的剪應(yīng)力及人類施工活動(dòng)外力綜合作用下發(fā)生滑移，屬于深層滑坡。

為了進(jìn)一步研究邊坡深部位移發(fā)展的規(guī)律，選擇最大變形量較大的C6和C8孔位，進(jìn)行合成方向累計(jì)相對(duì)位移變化情況分析，見圖1、圖2。

圖1 C6孔位合成方向累計(jì)相對(duì)位移曲線

圖2 C8孔位合成方向累計(jì)相對(duì)位移曲線

由圖1、圖2可知，C6孔在距孔口32.5 m以上位置有蠕動(dòng)，最大變形位置分別為距孔口30.5 m處和孔口處，距孔口30.5 m處累計(jì)合成相對(duì)位移最大為4.68 mm，孔口處累計(jì)合成相對(duì)位移最大為5.47 mm，雖變形值較小，但已出現(xiàn)明顯蠕動(dòng)位置，該孔附近坡體在沿距孔口30.5 m位置蠕動(dòng)變形。C8孔在距孔口32.5 m以上位置有蠕動(dòng)，最大變形位置分別為距孔口29.5 m處和孔口處，29.5 m處累計(jì)合成相對(duì)位移最大為11.30 mm，孔口處累計(jì)合成相對(duì)位移最大11.43 mm，出現(xiàn)了明顯蠕動(dòng)。

綜上分析，該滑坡體在沿堆積塊石與基巖接觸帶存在滑動(dòng)的趨勢(shì)，尤其在持續(xù)暴雨天氣期間表現(xiàn)明顯，由于施工開挖形成大面積臨空面且坡度較陡，仍有較大可能再次發(fā)生滑動(dòng)。

3 邊坡穩(wěn)定分析工況及參數(shù)確定

3.1 計(jì)算模型與工況

根據(jù)該邊坡結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合地勘調(diào)研及位移監(jiān)測(cè)分析結(jié)果，不考慮孔隙水壓力和滲透壓力，初步判定該滑坡沿下伏基巖面呈折線滑動(dòng)模式，并采用剛體極限平衡法的傳遞系數(shù)法定量分析計(jì)算其穩(wěn)定性與剩余下滑推力。考慮現(xiàn)有邊坡已經(jīng)發(fā)生過滑動(dòng)，可假定該邊坡目前處于整體暫時(shí)穩(wěn)定-變形狀態(tài)(可取穩(wěn)定性系數(shù)為1～1.05)，簡(jiǎn)化計(jì)算模型如圖3所示[1-3]。

圖3 傳遞系數(shù)法受力計(jì)算示意圖

為全面分析邊坡坡體所處的各種工況下的穩(wěn)定狀態(tài)，本次穩(wěn)定性分析采用2種工況進(jìn)行計(jì)算，工況假定為： ① 工況Ⅰ：自重;② 工況Ⅱ：自重+強(qiáng)降雨條件。

根據(jù)該邊坡斷面形式及特征選取了一特征剖面，預(yù)先確定推測(cè)滑動(dòng)面的位置，并進(jìn)行土條劃分，剖面條分見圖4。

圖4 邊坡剖面條分示意圖

3.2 計(jì)算方法及參數(shù)

3.2.1計(jì)算方法

采用傳遞系數(shù)法進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí)，其基本原理是假定上一條塊對(duì)本條塊的推力與上一條塊的底滑面相平行，并忽略力矩的平衡，且僅依據(jù)力的平衡參照滑坡的傾向依次向下推算推力，適用于滑體平動(dòng)情況且相互間變化較小的折線段[2-3]。其計(jì)算公式如下：

其中：

RDi=γwhiwLisinβsin(αi-βi)；

TDi=γwhiwLisinβicos(αi-βi);

Rn=[Wn(cosαn-gsinαn)-RDn]tanφn+CnLn;

Tn=Wn(sinαn+gsinαn)+TDn；

ψi=cos(αi-1-αi)-sin(αi-1-αi)tanφi。

式中：ψi為第i塊土條的剩余下滑力傳遞至第i+1塊土條的傳遞系數(shù)；Wi為第i塊土條的重量,kN/m；Ci為第i塊土條粘聚力,kPa；φi為第i塊土條內(nèi)摩擦角；Li為第i塊土條滑面長(zhǎng)度,m；αi為第i塊土條滑面傾角；g為重力加速度；FS為穩(wěn)定系數(shù)。

3.2.2參數(shù)確定

根據(jù)勘探結(jié)果，該邊坡內(nèi)部由多種巖體組成，沿折線滑動(dòng)時(shí)滑動(dòng)面為塊石堆積體巖溶接觸面及下覆泥灰?guī)r、砂巖、灰?guī)r的接觸面。因此，在選取巖體力學(xué)參數(shù)時(shí)應(yīng)綜合現(xiàn)場(chǎng)及室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，參照附近工程的經(jīng)驗(yàn)來確定取值。計(jì)算參數(shù)取值見表2。

表2 巖組巖體力學(xué)計(jì)算參數(shù)取值巖組密度/g·cm-3 泊松比μ彈性模量E/MPa單軸抗壓強(qiáng)度σat/MPa抗剪強(qiáng)度天然飽和粘聚力c/MPa內(nèi)摩擦角φ/(°)灰?guī)r塊石堆積體2.30——————石灰?guī)r2.500.129 00027.622.34.845.0砂巖2.400.205 30036.426.57.840.0泥灰?guī)r2.460.1314 62010.5—0.7541.0

初步假定在飽水狀態(tài)下其穩(wěn)定系數(shù)FS在1.00～1.05之間，反演計(jì)算堆積塊石與下部巖體接觸面c、φ值，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 接觸面c、φ指標(biāo)反演計(jì)算結(jié)果φ/(°)不同c(kPa)時(shí)的FS3028262422201816141210121.45 1.42 1.391.371.341.311.291.261.241.211.18111.35 1.32 1.30 1.27 1.24 1.22 1.191.17 1.14 1.11 1.09101.25 1.23 1.201.181.151.121.101.071.051.020.9991.16 1.13 1.111.081.061.031.020.980.950.930.9081.07 1.04 1.020.990.97 0.940.910.890.860.840.8170.980.95 0.930.900.880.850.820.800.770.750.7260.89 0.86 0.840.810.790.760.730.710.680.660.63

由表3可知，當(dāng)FS取值為1.00～1.05之間時(shí),c、φ的近似值作為飽水狀態(tài)滑動(dòng)面力學(xué)計(jì)算參數(shù)值，即c=19 kPa，φ=9.5°。

4 設(shè)計(jì)抗力計(jì)算與處治措施選擇

該邊坡前緣為在建高速公路，施工難度較大，防治工程級(jí)別為Ⅰ級(jí)。如果該地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)進(jìn)一步發(fā)展，北側(cè)山體山坡失穩(wěn)產(chǎn)生滑移，將嚴(yán)重影響高速路順利通車及通車后的行車安全，需要進(jìn)行及時(shí)處治。因此，為選擇合理的支護(hù)方案，需對(duì)后期支護(hù)所需的抗力進(jìn)行計(jì)算，其設(shè)計(jì)抗力按傳遞系數(shù)法計(jì)算公式如下：

Pi=Pi-1×Ψi-1+Fs×Ti-Ri

式中：Pi為第i塊土條的推力，kN/m;Pi-1為第i塊土條的剩余下滑力,kN/m;Ti為第i塊土條的下滑力，kN/m;Ri為第i塊土條的抗滑力,kN/m;Ψi-1為第i-1塊土條的剩余下滑力傳遞至第i塊土條的傳遞系數(shù)；FS為穩(wěn)定系數(shù)。

根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30—2015)要求，高速公路邊坡安全系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)為1.20～1.30[4]。該邊坡在連續(xù)降雨和前緣開挖臨空共同作用下發(fā)生推移式滑坡，發(fā)生時(shí)間具有突變性，且該邊坡前緣為高速公路開挖邊坡，對(duì)其穩(wěn)定性具有較高的要求，可取驗(yàn)算安全系數(shù)≥1.2。

因此，擬定工況Ⅰ的抗滑動(dòng)安全系數(shù)為1.30，工況Ⅱ的抗滑動(dòng)安全系數(shù)為1.20，并進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)。對(duì)主控滑動(dòng)面斷面選取不同的安全系數(shù)來計(jì)算支護(hù)抗力，設(shè)計(jì)所需抗力計(jì)算如表4所示。

表4 不同安全系數(shù)下抗力計(jì)算結(jié)果工況抗滑動(dòng)安全系數(shù)抗力/(kN·m-1)Ι1.39 980ΙΙ1.29 208

由表4可知，該邊坡達(dá)到設(shè)定工況所需的抗力分別為9 980、9 208 kN/m，所需的抗力要求較高，為保障后續(xù)高速公路順利施工及運(yùn)營(yíng)期間的安全，需要選擇合理、有效的處治方案。

針對(duì)該邊坡坡度較大、滑移面較深，且上部灰?guī)r錯(cuò)落體巖溶及裂隙發(fā)育情況復(fù)雜的特點(diǎn)，主要考慮降低滑坡體自重以降低下滑力的處治方法，進(jìn)行清方卸荷，著重清除對(duì)滑坡下滑力貢獻(xiàn)較大位置處的滑體土石方，提出了“清方減重+反壓填筑+動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)”的綜合處治方案，見圖5。

圖5 綜合處治方案示意圖

由圖5可看出，該方案通過卸除上部部分滑動(dòng)灰?guī)r錯(cuò)落體，并將卸掉的荷載反壓至前緣處，可有效降低潛在滑坡體體積，而且通過在邊坡上部合適位置修建截、排水溝，可及時(shí)將雨水排走,有效防止雨水入滲。

通過對(duì)處治后邊坡進(jìn)行持續(xù)的地表巡視和深部位移監(jiān)測(cè)，實(shí)施該方案后60 d中邊坡內(nèi)部巖土體已無明顯位移變化，最大累計(jì)位移減少至4.43

mm，特征斷面驗(yàn)算穩(wěn)定性系數(shù)達(dá)1.25以上，滿足安全限值要求，邊坡穩(wěn)定性有明顯改善。

5 結(jié)論

本文以山區(qū)高速公路某高路塹邊坡為研究對(duì)象，結(jié)合邊坡結(jié)構(gòu)特征、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及位移監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)該邊坡堆積塊石與下部巖體接觸面自重狀態(tài)和飽水狀態(tài)的穩(wěn)定性和所需抗力進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，該滑坡體存在較大的滑動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，提出了“清方卸載+反壓填筑+動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)”的綜合處治方案，可達(dá)到較好的處治效果。