公路滑坡分析與坡積物改良應(yīng)用

胡欒喬

(湖南省核工業(yè)地質(zhì)局304大隊(duì)，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

0 引言

我國(guó)層狀構(gòu)造的沉積巖占到陸地面積的77%[1]，層狀構(gòu)造地質(zhì)條件下修建高速公路，開(kāi)挖深路塹，會(huì)出現(xiàn)大挖方和大填方。據(jù)統(tǒng)計(jì)，山地區(qū)域道路病害大部分出現(xiàn)在路塹的挖方位置，其中因?yàn)轫槍訋r石路塹邊坡不夠穩(wěn)定所導(dǎo)致的滑坡[2-3]發(fā)生概率較高。順層邊坡失穩(wěn)最為常見(jiàn)，難以治理，而順層滑坡對(duì)公路工程的危害最為嚴(yán)重[4]。

公路工程呈線狀分布，運(yùn)營(yíng)期間很難做到長(zhǎng)期監(jiān)控和成功預(yù)警，因?yàn)楣愤吰侣烦涕L(zhǎng)，規(guī)模小，點(diǎn)位眾多，缺少詳細(xì)的地質(zhì)資料，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)費(fèi)用高昂，預(yù)警工作困難重重[5]。另一方面，順層斜坡和直坡在其演化過(guò)程中存在隨機(jī)共振和混沌現(xiàn)象，混沌的產(chǎn)生更加大了滑坡的估測(cè)與預(yù)警難度[6]。隨著高速公路、高速鐵路的快速發(fā)展，深挖邊坡滑坡防治取得了一系列成果，主要有：①在常規(guī)邊坡破壞機(jī)理基礎(chǔ)上提出了新的見(jiàn)解；②主動(dòng)減災(zāi)，綜合防治與監(jiān)測(cè)相結(jié)合，理論與分析模型逐步完善；③滑坡防治與可持續(xù)發(fā)展相結(jié)合，提出環(huán)?；謴?fù)的新理念。其中，治理措施對(duì)于公路建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性和安全性相當(dāng)重要，對(duì)于滑坡處治，單一采用放緩減載方法消除不穩(wěn)定因素會(huì)導(dǎo)致邊坡開(kāi)挖數(shù)量增大，破壞自然環(huán)境。小型滑坡體的處治，應(yīng)當(dāng)依據(jù)實(shí)際的地質(zhì)狀況、地貌特點(diǎn)和邊坡的穩(wěn)固性程度，選擇采用增設(shè)邊坡排水孔，增加坡面防護(hù)設(shè)施，增加坡腳穩(wěn)定措施，適當(dāng)放緩坡率等解決方案。對(duì)規(guī)模較大的滑坡體及高邊坡的治理方案以工程措施為主，常用的有擋土墻、抗滑樁、錨固、土釘墻等[7-8]。

用抗滑樁進(jìn)行邊坡加固時(shí)，雖然有時(shí)間短、見(jiàn)效快的優(yōu)點(diǎn)，但也會(huì)導(dǎo)致工程造價(jià)劇增，因此如何利用坡積層自身改良的加固措施有待研究。本文通過(guò)對(duì)滑坡的形成機(jī)理進(jìn)行論述，分析導(dǎo)致滑坡的原因，在此基礎(chǔ)上通過(guò)三軸試驗(yàn)研究坡積物的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，再通過(guò)測(cè)試干濕循環(huán)后的抗剪強(qiáng)度參數(shù)提出碎石土的灰劑量，從經(jīng)濟(jì)的角度制定治理措施及施工建議。

1 工程概況

廣西某公路滑坡沿路線最寬105 m，垂直路線長(zhǎng)255 m，滑體最大埋深為23 m，由南向北滑體逐漸變深，滑坡體積約為45.1×104m3，屬大型堆積層老滑坡。該滑坡具多層、多級(jí)的特征，分為中層和深層兩層，中層滑坡分為前級(jí)和后級(jí)兩級(jí)，滑坡出口位于路基左側(cè)斜坡。治理前中層滑坡變形明顯，滑坡臺(tái)坎及周界裂縫清楚，后緣坡體拉裂后形成圈椅狀結(jié)構(gòu)，裂縫寬度為5～50 cm不等，下沉最大約50 cm，坡體上的樹(shù)木呈傾斜狀，路基右側(cè)排水溝被完全推垮。治理前路基整體下沉使路面標(biāo)高低于設(shè)計(jì)路面標(biāo)高0.5～1.5 m，路基左側(cè)坡體不斷有地下水滲出且坡體不斷下滑。

2 滑坡形成機(jī)理及影響因素分析

2.1 形成機(jī)理

2.1.1 巖石構(gòu)造

滑坡區(qū)域內(nèi)地層巖性為陸相沉積的紅砂巖，巖石風(fēng)化較強(qiáng)烈。特殊的地層巖性為滑坡的形成提供了條件。地表的碎石土、碎塊石土及路基左側(cè)坡面的棄土都較為松散，易滯留地表水，坡體散布的裂隙也使得降水迅速下滲，下滲水軟化泥灰?guī)r，并在基巖處形成滑帶。

2.1.2 地質(zhì)構(gòu)造

按構(gòu)造體系劃分，本段位于廣西山字型構(gòu)造體系前弧東南外側(cè)，靈山-藤縣構(gòu)造帶的北西側(cè)，總的構(gòu)造線成北東-南西向，受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，褶皺較為發(fā)育。

區(qū)內(nèi)構(gòu)造線展布，滑坡區(qū)域內(nèi)大體上平行于構(gòu)造線展布，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。勘察資料顯示下伏基巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖層破碎，以強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖為主。在地質(zhì)構(gòu)造的控制下，地下水在泥質(zhì)粉砂巖裂隙發(fā)育處下滲，軟化滑帶物質(zhì)，為滑坡形成提供了條件。

2.1.3 水文條件

在滑坡穩(wěn)定性剖析中，地下水是一個(gè)不可忽視的因素，大部分滑坡的產(chǎn)生與發(fā)展通常和地表及地下水的活動(dòng)密切相關(guān)[9]。滑坡區(qū)域內(nèi)地下水豐富，地勢(shì)較低，匯水面積大，地表水及地下水容易匯聚并滲入滑坡體。滯留在滑坡體內(nèi)的水增大了坡體重度，并使滑帶物質(zhì)紅砂巖軟化，抗剪強(qiáng)度降低，加劇了坡體滑動(dòng)。

2.2 影響要素

在特殊的地狀、地質(zhì)特點(diǎn)、降水與地下水等要素的共同下，該位置逐步產(chǎn)生路基滑坡，通過(guò)整體剖析可知影響要素包含：

(1)邊坡表面的覆蓋層大多是采用人工方式填土，另外還有一些雜物。

(2)降水是該位置滑坡形成的重要影響要素。

(3)特殊的地質(zhì)狀況。地質(zhì)條件是滑坡形成的基礎(chǔ)，泥質(zhì)粉砂巖巖性較差，強(qiáng)度低，具弱膨脹性，在水的作用下，易風(fēng)化而強(qiáng)度降低，易形成軟弱帶，這是該段滑坡等病害形成的基礎(chǔ)。

3 坡積物改良試驗(yàn)方案

3.1 坡積物原樣性能測(cè)試

(1)成型方法。本文成型坡積物試件采用靜壓法，試件尺寸為h×Φ為600 mm × 300 mm的圓柱體。將坡積物拌和均勻后，分3次裝入試模，每次裝料時(shí)充分插搗。通過(guò)對(duì)坡積物取樣并篩分，發(fā)現(xiàn)碎石含量在0～60%之間，不同粒徑碎石下的級(jí)配見(jiàn)表1。

(2)試驗(yàn)條件?；聨路e物采用三軸試驗(yàn)進(jìn)行研究，采用YS-30型三軸試驗(yàn)機(jī)，試件尺寸為h×Φ為600 mm × 300 mm，在伺服機(jī)制下，保持圍壓的穩(wěn)定，加載板沿試件徑向加載時(shí)速率保持恒定。加載速度設(shè)為0.5 kN/min，壓實(shí)至試件規(guī)定高度，將壓力穩(wěn)定3 min后卸載。

(3)三軸試驗(yàn)結(jié)果。試件在加載板試驗(yàn)過(guò)程中，圍壓在伺服作用下的波動(dòng)不大于1%，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)表2的試驗(yàn)結(jié)果，碎石含量對(duì)黏結(jié)力與內(nèi)摩擦角的影響見(jiàn)圖1、圖2。

圖2 碎石含量對(duì)內(nèi)摩擦角的影響趨勢(shì)

由圖1與圖2可知，隨著碎石含量的增加，黏結(jié)力近似呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，而內(nèi)摩擦角相反。這是因?yàn)殡S著碎石含量的增加，碎石顆本身的楊氏模量遠(yuǎn)大于土顆粒，導(dǎo)致剪切破壞過(guò)程中，碎石的接觸逐漸增多，而土顆粒的黏結(jié)作用相應(yīng)減小。通過(guò)反分析計(jì)算與當(dāng)?shù)貙?shí)際工程經(jīng)驗(yàn)類比法，確定滑動(dòng)帶的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為黏結(jié)力10.2 kPa，內(nèi)摩擦角11.4°。

3.3 坡積物改良試驗(yàn)研究

3.3.1 滑坡自然條件模擬

根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40—2007)測(cè)試碎石土的干濕循環(huán)特性，土樣成型后，放在循環(huán)水槽中浸泡12 h。然后將土樣置于電熱干燥鼓風(fēng)箱中(30 ℃)烘干12 h，每浸泡12 h加烘干12 h記為1次干濕循環(huán)。

3.3.2 干濕循環(huán)次數(shù)的影響

由碎石含量對(duì)黏結(jié)力與內(nèi)摩擦角的影響規(guī)律可知，碎石含量對(duì)內(nèi)摩擦角的影響較大，而對(duì)黏結(jié)力的影響較小，因此取原坡積物土樣研究干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3，變化趨勢(shì)見(jiàn)圖3。

表3 干濕循環(huán)后的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

圖3 干濕循環(huán)后的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

由圖1可知，黏結(jié)力與內(nèi)摩擦角均隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減少，在5次之前降幅較大，而超過(guò)5次后，抗剪強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，因此在試驗(yàn)評(píng)價(jià)時(shí)，最不利條件以干濕循環(huán)5次為基準(zhǔn)。從降幅來(lái)看，說(shuō)明水是造成原土抗剪強(qiáng)度降低導(dǎo)致滑坡產(chǎn)生的主要因素，在設(shè)計(jì)與施工中應(yīng)防止水對(duì)路基造成影響。

3.4 坡積物改良研究

分別以2%～6%的石灰劑量制備試件，在最佳含水率成型，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)7 d，然后干濕循環(huán)5次后進(jìn)行抗剪指標(biāo)的測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 干濕循環(huán)后的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

由表4可知，在干濕循環(huán)后，黏結(jié)力與內(nèi)摩擦角的變化規(guī)律同干濕循環(huán)前，而當(dāng)石灰劑量小于等于2%時(shí)，已無(wú)法滿足滑動(dòng)帶的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，從路基性能與經(jīng)濟(jì)性的角度考慮，建議路基的石灰劑量至少為4%。從經(jīng)濟(jì)性的角度考慮，應(yīng)根據(jù)碎石含量來(lái)確定最經(jīng)濟(jì)的石灰劑量。

4 治理措施

4.1 路基改良治理措施

根據(jù)干濕循環(huán)下不同石灰劑量改良碎石土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的研究結(jié)果，路基恢復(fù)就地采用坡積物改良碎石土。過(guò)濕的原土需要翻拌、曬干后進(jìn)行摻灰拌和。根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件以及施工經(jīng)驗(yàn)，碾壓時(shí)最佳含水量為2%。

為了增強(qiáng)路基的層間黏結(jié)，建議在光輪壓路機(jī)碾壓1～2遍后，采用羊角碾壓路機(jī)碾壓1～2遍，在保證壓實(shí)度的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加層間黏結(jié)。

4.2 路基上邊坡治理措施

考慮到目前滑坡變形較為嚴(yán)重，前緣滑坡體上裂縫遍布，部分路基已完全破壞，且滑坡體不具備削方減載的條件，據(jù)此提出以下施工方法：

(1)施工中宜實(shí)施開(kāi)挖的同時(shí)進(jìn)行加固，做到事前控制，充分發(fā)揮自穩(wěn)固潛力；

(2)構(gòu)建健全的截水、疏水、排水系統(tǒng)，避免降水順著開(kāi)裂的縫隙進(jìn)入坡體，使?jié)B入坡體的水盡快排出；

(3)變形體范疇內(nèi)第1級(jí)邊坡頂端每間隔6 m設(shè)置1根長(zhǎng)20 m抗滑樁，在抗滑樁頂端設(shè)置1根長(zhǎng)25 m預(yù)應(yīng)力錨索，第2～4級(jí)邊坡各級(jí)都要設(shè)置2排預(yù)應(yīng)力錨索，長(zhǎng)度在25～40 m之間；圖示范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)路線里程K1037+785～+834.77段，距離路中線25 m的坡體上(路堤外側(cè))設(shè)置A型普通抗滑樁，樁身截面1.8 m × 2.4 m，樁長(zhǎng)20 m，共計(jì)7根。對(duì)應(yīng)路線里程K1037+834.77～+890段，距離路中線8 m的坡體上(路堤外側(cè))設(shè)置B型抗滑樁，樁身截面2.0 m × 3.0 m，樁長(zhǎng)26 m，共計(jì)9根。兩種型號(hào)抗滑樁樁均身采用C30鋼筋混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑，鎖口護(hù)臂采用C25鋼筋混凝土澆筑，抗滑樁樁中～中間距6 m，長(zhǎng)軸邊方向SW86。

(4)邊坡兩端巖體架構(gòu)比較穩(wěn)固的地區(qū)運(yùn)用長(zhǎng)度為10～12 m的錨桿對(duì)巖體進(jìn)行增固。

(5)陡坡區(qū)域采用抗滑齒墻填級(jí)配碎石臺(tái)階的方案，在保證穩(wěn)定性條件下，避免了較高的施工成本[10]。

5 結(jié)語(yǔ)

基于本公路滑坡位置的地質(zhì)狀況，本文簡(jiǎn)單剖析了滑坡區(qū)域的實(shí)際地質(zhì)狀況，整體剖析了滑坡形成的機(jī)理與主要影響因素。通過(guò)室內(nèi)三軸試驗(yàn)研究抗剪強(qiáng)度參數(shù)在干濕循環(huán)下的變化規(guī)律，驗(yàn)證了坡積物改良利用的可行性，建議坡積物碎石土改良摻配的石灰劑量不低于4%，以滿足滑動(dòng)帶的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)要求。在此基礎(chǔ)上分別提出了路基填筑與上邊坡處治方案，其中路基改良段施工采用羊角碾壓路機(jī)保證壓實(shí)度。