煤系地層陡坡路基失穩(wěn)機(jī)理及處治方案研究

郭 林 陳亞洲

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽(yáng) 550081)

煤系地層常指含煤層的地層，其巖性較軟，具有干裂、吸水性強(qiáng)、遇水膨脹軟化等特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)易被破壞而喪失強(qiáng)度，在水和其他外應(yīng)力作用下易形成軟弱帶，填方路基加載后，邊坡極易發(fā)生失穩(wěn)[1-2]。因此，如何分析計(jì)算煤系地層上填方路基邊坡穩(wěn)定性進(jìn)而有效控制路基路面病害，是道路工程設(shè)計(jì)人員的工作重點(diǎn)。

以貴州某市政道路K2+740-K2+840段填方路基為依托，對(duì)煤系地層陡坡路基邊坡失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行分析，尋找邊坡處治方案，并通過有限元數(shù)值模擬對(duì)抗滑樁的治理效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 工程概況

該填方路基長(zhǎng)100 m，填方下部斜坡傾角變化較大(10°～30°)，軸線最大填高20 m，為陡坡路基。項(xiàng)目區(qū)位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)黔中腹地，貴陽(yáng)構(gòu)造變形區(qū)；地層呈背向斜產(chǎn)出，整體傾角變化較大(10°～35°)，項(xiàng)目區(qū)地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)較復(fù)雜。場(chǎng)區(qū)上覆土層為人工填土(Q4me)及第四系殘坡積層(Q4el+dl)黏土，下伏基巖為二疊系上統(tǒng)吳家坪-長(zhǎng)興組(P2w+c)粉砂質(zhì)泥巖夾炭質(zhì)泥巖，巖土體性質(zhì)較差。

路基填筑完成后，由于項(xiàng)目區(qū)連續(xù)降雨，路面出現(xiàn)多處開裂，裂縫最大寬度約4 cm，右側(cè)填方邊坡坡腳前緣呈鼓脹狀態(tài)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，裂縫寬度以2～3 mm/d的速度擴(kuò)張，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。典型工程地質(zhì)橫斷面圖見圖1。

圖1 K2+780典型地質(zhì)斷面

2 失穩(wěn)機(jī)理分析

填方邊坡失穩(wěn)通?？蓮?個(gè)方面進(jìn)行分析：①填方體自身穩(wěn)定性不足；②填方原地面以下產(chǎn)生滑移失穩(wěn)。本段路基采用硬質(zhì)灰?guī)r進(jìn)行填筑壓實(shí)，坡率為1∶1.5～1∶1.75，自身穩(wěn)定性可以保證，因此，可以判定為下部的煤系地層產(chǎn)生滑移而導(dǎo)致路面開裂。該填方下部為煤系地層斜坡，強(qiáng)風(fēng)化層厚度較大，總體為“上部填方體+下部煤系地層”的邊坡模式。下部泥巖和煤層交互沉積，巖性軟弱，孔隙度大，力學(xué)參數(shù)較差，地表水入滲后極易軟化而喪失強(qiáng)度，對(duì)邊坡穩(wěn)定性十分不利。結(jié)合煤系地層巖土體物理力學(xué)特征，本段邊坡失穩(wěn)機(jī)理可概括為以下方面。

1) 路基下部斜坡為陡坡，傾角較大。路基下部斜坡傾角為10°～30°，且地面線向右高程持續(xù)降低，為填方邊坡滑移失穩(wěn)提供可能。

2) 煤系地層遇水軟化形成滑帶。煤層及中風(fēng)化層滲透率低，構(gòu)成隔水層，雨水下滲后滯留于強(qiáng)-中風(fēng)化層接觸面，巖土體受雨水長(zhǎng)期浸泡后軟化，抗剪強(qiáng)度降低，形成滑帶。

3) 上部填方體堆載及行車荷載。路基分層填筑壓實(shí)后，雨水下滲一定程度上提高了填方體容重，加上路基上部的行車荷載，增大了坡體的下滑力。

綜上所述，由于下部中風(fēng)化巖土體透水性較差構(gòu)成隔水層，雨水下滲使得巖土體長(zhǎng)期浸泡軟化形成滑帶，加之上部填方體容重較大及行車荷載提供了較大的下滑力，路基填方很容易沿滑帶發(fā)生滑移破壞。

3 邊坡處治方案

3.1 滑坡推力計(jì)算

選取路基滑移主滑方向上的K2+780、K2+820橫斷面，根據(jù)參數(shù)反演結(jié)果，取浸水后滑帶參數(shù)為c=21.5 kPa，φ=6°。取安全系數(shù)Fst=1.35，土條寬度為1.0 m，按圓弧滑動(dòng)搜索，采用簡(jiǎn)化Bishop法計(jì)算剩余下滑力，滑坡推力計(jì)算表見表1。

表1 路基典型斷面滑坡推力計(jì)算表

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，K2+780斷面下滑力最大，為1 090.87 kN/m。

3.2 防護(hù)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)定量計(jì)算結(jié)果，綜合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全及工期要求，考慮到抗滑樁具有抗滑能力大、支擋效果好、施工安全等優(yōu)點(diǎn)[3]，采用處治方案如下：①采用抗滑樁對(duì)邊坡進(jìn)行支擋防護(hù)，按抵擋住全部剩余下滑力計(jì)算，設(shè)置于填方第二級(jí)邊坡；②樁間設(shè)樁間墻，坡面采用漿砌片石護(hù)面墻封閉，輔以截排水系統(tǒng)，對(duì)路基進(jìn)行綜合處理，平面設(shè)計(jì)圖見圖2。

圖2 邊坡治理平面設(shè)計(jì)圖

3.2.1抗滑樁

對(duì)K2+740-K2+840段右側(cè)填方路基二級(jí)坡面處，采用截面1.8 m×2.4 m的矩形抗滑樁進(jìn)行支擋，共設(shè)A型、B型2種抗滑樁，長(zhǎng)度分別為18，22 m。其中K0+760-K0+800段采用B型抗滑樁，K0+740-K0+760段、K0+800-K0+840段采用A型抗滑樁，以保證樁身伸入潛在滑面一定深度滿足嵌固段長(zhǎng)度要求?？够瑯恫捎锰坶_挖，由兩側(cè)向中間施工，單樁應(yīng)一次澆筑完成。

3.2.2擋墻

抗滑樁施工后，考慮到土拱效應(yīng)，樁間截面可擬化為一個(gè)由樁、土拱和樁間支擋組成的簡(jiǎn)倉(cāng)側(cè)壁，通過計(jì)算，樁間下滑力為88.74 kN/m，因此，在抗滑樁樁頂位置設(shè)置擋墻，墻高4.5 m，頂寬1.5 m。擋墻能有效地對(duì)樁間土體進(jìn)行支擋，防止土體從樁間滑出，保證樁間填方土體的穩(wěn)定。由于擋墻底部大多為土層或煤系地層強(qiáng)風(fēng)化層，遇水軟化作用明顯，對(duì)不滿足承載力要求的地基應(yīng)采用換填級(jí)配碎石墊層的方法進(jìn)行地基處理。

3.2.3漿砌片石護(hù)面墻

在路基右側(cè)填方第一級(jí)邊坡采用漿砌片石護(hù)面墻進(jìn)行坡面防護(hù)，設(shè)計(jì)坡率為1∶1.5。護(hù)面墻能有效封閉坡面，防止雨水入滲以及坡面沖刷，一定程度上保證了路基的穩(wěn)定。

3.2.4路基截排水系統(tǒng)

左側(cè)：為了防止雨水從左側(cè)低凹處滲入坡體，修筑排水溝、集水井、排水管(暗埋)，匯水通過管涵排出。

右側(cè)：對(duì)右側(cè)填方邊坡進(jìn)行坡面封閉，并設(shè)平臺(tái)排水溝，將坡面匯聚的水排出路基范圍內(nèi)。

4 治理效果分析

根據(jù)以上分析，確定了以抗滑樁支擋為主體的邊坡處治方案，抗滑樁按抵擋住全部邊坡推力計(jì)算。采用Geo-Studio軟件，建立二維有限元數(shù)值模型，對(duì)抗滑樁的治理效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4.1 模型建立

結(jié)合Geo-Studio軟件，以K2+780斷面建立邊坡模型，假定邊坡巖土體應(yīng)力、應(yīng)變之間的本構(gòu)關(guān)系為彈塑性，巖土體破壞服從摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則[4]，邊坡左側(cè)、右側(cè)及底部均設(shè)定為固定邊界。模型全局采用1.5 m間距進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共計(jì)1 929個(gè)節(jié)點(diǎn)，1 898個(gè)單元，坡面及以下一定范圍內(nèi)進(jìn)行加密，邊坡模型見圖3。綜合地勘報(bào)告及參數(shù)反演結(jié)果，各層巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表2。

圖3 K2+780截面邊坡模型

表2 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

4.2 治理效果評(píng)價(jià)

視抗滑樁為剛體，材料模型為線彈性，建立有限元數(shù)值模型，通過對(duì)抗滑樁加固前后邊坡位移及穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)抗滑樁的支擋效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4.2.1邊坡總位移

利用Geo-Studio軟件sigma/w模塊，取最大迭代次數(shù)為2 000，位移標(biāo)準(zhǔn)值允許值取1%，采用平衡方程求解，對(duì)抗滑樁加固前后邊坡總位移進(jìn)行數(shù)值模擬，位移云圖見圖4。

圖4 邊坡總位移云圖(單位：m)

由圖4可見，加固前邊坡總位移最高可達(dá)2 m，位于右側(cè)路基邊緣位置，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)；采用抗滑樁加固后，以抗滑樁為界，位移等勢(shì)線發(fā)生明顯改變，坡體內(nèi)位移最大值降至5.5 cm，得到了有效控制。

4.2.2穩(wěn)定性系數(shù)

利用Geo-studio軟件slope/w模塊，設(shè)土條數(shù)為30，取最大迭代次數(shù)為2 000，對(duì)抗滑樁加固前后邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。

由穩(wěn)定性計(jì)算可知，加固前邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為0.97，自路基左側(cè)剪入，自坡腳右側(cè)剪出，邊坡整體可能發(fā)生類圓弧滑動(dòng)，處于不穩(wěn)定狀態(tài)；采用抗滑樁加固后，穩(wěn)定性系數(shù)升至1.687，滑面位于第一級(jí)邊坡，滑深較淺，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)論

1) “上部填方體+下部煤系地層”是貴州地區(qū)常見的陡坡路基邊坡破壞模式，雨水入滲條件下煤系地層遇水迅速軟化，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大大降低形成滑帶，加之上部填方體及行車荷載提供了較大的下滑力，路基填方很容易沿下部滑帶發(fā)生滑移破壞。

2) 根據(jù)煤系地層陡坡填方路基失穩(wěn)機(jī)理，結(jié)合定量計(jì)算，采用了以抗滑樁支擋為主體的邊坡處治方案，樁間設(shè)樁間墻，坡面采用漿砌片石護(hù)面墻封閉，輔以截排水系統(tǒng)，對(duì)邊坡進(jìn)行綜合處理。

3) 根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，采用抗滑樁對(duì)邊坡進(jìn)行支擋后，邊坡內(nèi)部位移得到有效控制，最大值由2.0 m降至5.5 cm，穩(wěn)定性系數(shù)由0.97升至1.687，邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。