路基滑坡的反壓治理措施分析研究

王志福

（山西省交通新技術(shù)發(fā)展有限公司，山西 太原 030006）

引言

由于斜坡地形的特殊性，斜坡路基往往容易出現(xiàn)開裂、滑移等病害，影響道路的正常使用，因此受到了越來越多的關(guān)注和研究。張暮晨[1]以阜新市南環(huán)路路基滑坡為對象，分析了削方減載和抗滑樁支擋方案治理路基滑坡的優(yōu)劣，并對抗滑樁方案進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算，得到了抗滑樁的設(shè)計(jì)參數(shù)，為路基滑坡的治理提供了較好地參考。趙強(qiáng)[2]以貴陽至遵義的某條高速公路路基滑坡為對象，詳細(xì)介紹了抗滑樁地施工要點(diǎn)、工藝流程和質(zhì)量檢測，為抗滑樁在高速公路滑坡的施工提供了重要的參考。頓志元和龍萬學(xué)[3]以某濕軟填方路基為研究對象，指出地下水下滲是降低地基強(qiáng)度是引起滑坡的重要因素，并在綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和施工等方面的因素后，提出了采用花管注漿、抗滑樁等治理方案，供設(shè)計(jì)施工人員參考。張永清等[4-5]分析了山區(qū)公路滑坡的穩(wěn)定性，并提出了相應(yīng)的治理措施。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)概況

根據(jù)勘察報(bào)告顯示，該區(qū)域分布廣泛的含鈣質(zhì)結(jié)合黏土，具有一定的膨脹性。根據(jù)鉆孔揭露的地質(zhì)情況：（1）0～1.5 m 深度范圍內(nèi)為素填土，褐黃色，稍濕，以粉質(zhì)黏土為主，含5%～10%碎塊石。在該地區(qū)零星分布。（2）2.0～4.5 m 深度范圍內(nèi)為典型的膨脹土，其主要成分為含鈣質(zhì)結(jié)核黏土，硬塑狀，伴生鈣質(zhì)結(jié)核，膨脹率為65%，為中等膨脹土。（3）4.5～6.0 m 范圍內(nèi)為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，暗紅色，含泥質(zhì)，層狀結(jié)構(gòu)，風(fēng)化裂隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)面不清晰，巖體完整程度為破碎，巖石結(jié)構(gòu)已大部分破壞，構(gòu)造層理不清晰，巖體被節(jié)理、裂隙分割成碎塊狀。（4）6.0 m 以下深度為中等風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，紫紅、暗紅色，節(jié)理裂隙一般發(fā)育，呈短柱狀或長柱狀，部分巖石被節(jié)理、裂隙分割，呈塊狀。主要力學(xué)巖土體參數(shù)見表1。

表1 巖土物理力學(xué)指標(biāo)

1.2 設(shè)計(jì)方案概況

擬建公路為城市次干路，紅線寬度25 m，填方高度約為10 m。根據(jù)地質(zhì)勘查情況和道路設(shè)計(jì)標(biāo)高，此處的路基采取如下設(shè)計(jì)方案：清除1.5 m 厚的原狀素填土，并挖設(shè)寬度不小于2 m、高度不小于0.5 m的錯(cuò)臺，對填方路基進(jìn)行沖擊碾壓，在左側(cè)設(shè)置截水邊溝，用于排除左側(cè)坡面流水，填方坡面采用菱形骨架護(hù)坡。

2 路基滑移原因分析及治理措施

2.1 滑坡原因分析

該段填方路堤在經(jīng)歷了一次暴雨之后，道路出現(xiàn)了變形。道路路面形成了圈椅狀的拉裂縫，裂縫貫通至道路人行道位置。坡腳處的填土已經(jīng)產(chǎn)生了明顯的隆起鼓脹裂隙。

經(jīng)過現(xiàn)狀踏勘取樣，分析其路基變形的原因主要與這次暴雨有關(guān)。由于連續(xù)時(shí)間的強(qiáng)降雨，路堤兩側(cè)的坡面流水下滲進(jìn)入到路基土體中，長時(shí)間浸泡土體，導(dǎo)致下部膨脹土抗剪強(qiáng)度急劇降低，從而在原狀膨脹土附近形成軟弱滑動(dòng)面，路堤發(fā)生水平位移，并在坡腳應(yīng)力釋放，產(chǎn)生隆起變形。

根據(jù)勘察報(bào)告，軟化后的含鈣質(zhì)結(jié)核黏土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為11 kPa 和17°?；趶?qiáng)度折減法，利用Midas GTS NX 有限元軟件建立現(xiàn)狀下的填方路堤模型，計(jì)算結(jié)果見圖1。

圖1 現(xiàn)狀路堤的滑移變形

可以看出，沿含鈣質(zhì)結(jié)核黏土層界面形成了潛在的滑動(dòng)帶，并向上延伸至填方土體內(nèi)，坡腳形成了明顯的隆起，路面人行道位置附近有明顯的沉降變形，這與現(xiàn)場的變形情況吻合，可見膨脹土層的強(qiáng)度降低是引起滑移的原因。

2.2 處治方案分析

根據(jù)現(xiàn)場變形情況，擬采用回填反壓進(jìn)行加固治理。回填反壓寬度為8 m，反壓高度為5 m，反壓土體坡率調(diào)整為1 ∶2，分5 次填筑，每次填筑高度1 m。

為了模擬施工過程中路堤穩(wěn)定性的變化規(guī)律，軟件中模擬：自應(yīng)力平衡→路堤填筑→反壓 1 m →反壓2 m →反壓3 m →反壓4 m →反壓5 m，有限元模型見圖2。

圖2 回填反壓治理路堤滑坡有限元模型

2.2.1 穩(wěn)定性

為了分析回填反壓的效果，利用強(qiáng)度折減法分析了每個(gè)階段下的路堤穩(wěn)定性。提取不同回填高度下的路堤穩(wěn)定性系數(shù)，得到穩(wěn)定性系數(shù)變化見圖3。

圖3 不同反壓高度下的路堤穩(wěn)定性系數(shù)變化規(guī)律

可以看出，隨著回填反壓的施工，路堤的整體穩(wěn)定性呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，穩(wěn)定性系數(shù)從原始的1.12 增加到1.53，增幅達(dá)到36.6%。從穩(wěn)定性系數(shù)的整體變化規(guī)律看出，隨著回填反壓土體高度的增加，路堤的穩(wěn)定性系數(shù)提升幅度越來越小。當(dāng)反壓高度超過2 m 之后，路堤的整體穩(wěn)定性系數(shù)提升不大，說明并不是回填高度越高越好。當(dāng)路堤處于極限平衡狀態(tài)時(shí)，反壓5 m 時(shí)路堤的有效塑性應(yīng)變云圖，見圖4。

圖4 反壓高度5 m 時(shí)路堤的潛在滑動(dòng)面云圖

從圖4 可以看出，當(dāng)反壓5 m 時(shí)，路堤自身的穩(wěn)定性得到了一定的改善，但是反壓土體卻產(chǎn)生了新的滑移破壞，引發(fā)填方路基產(chǎn)生新的牽引式滑動(dòng)，導(dǎo)致反壓失敗，進(jìn)一步印證了反壓土體并非越高越好。選取反壓高度為2 m 和3 m 的路堤有效塑性應(yīng)變云圖，見圖5、圖6。

圖5 反壓高度為2 m 時(shí)的路堤潛在滑動(dòng)面云圖

圖6 反壓高度為3 m 時(shí)的路堤潛在滑動(dòng)面云圖

（1）通過圖5 可以看出，當(dāng)路堤處于極限平衡時(shí)，反壓土體出現(xiàn)了較大的塑性應(yīng)變區(qū)。說明當(dāng)反壓土體高度是2 m 時(shí)，反壓土體提供的抗滑力不足以抵擋路堤填土的下滑力，反壓土體容易被填方土體推移產(chǎn)生滑動(dòng)，導(dǎo)致路堤失穩(wěn)。（2）從圖6 可以看出，當(dāng)反壓土體高度為3 m 時(shí)，潛在的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面沿反壓土體底部擴(kuò)展至反壓土體外邊界。說明反壓土體產(chǎn)生的抗滑力大于原有路堤的下滑力，反壓起到了良好的效果。從圖5 也可以看出，反壓3 m時(shí)，路堤的穩(wěn)定性系數(shù)為1.5 左右，滿足規(guī)范要求。

2.2.2 剪應(yīng)力

提取原始狀態(tài)和反壓高度3 m 時(shí)路堤的最大剪應(yīng)力云圖，見圖7。

圖7 路堤最大剪應(yīng)力分布云圖

（1）從圖7 可以看出，在未進(jìn)行反壓之前，路堤的最大剪應(yīng)力曲線基本平行，越到路堤頂面剪應(yīng)力越小，但在路堤坡腳處剪應(yīng)力曲線形成了一個(gè)明顯的凸起，產(chǎn)生了剪應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大剪應(yīng)力為14 kPa，這也是路堤產(chǎn)生滑移的主要表現(xiàn)之一。（2）當(dāng)施工了高度3 m 的反壓土體之后，坡面處的最大剪應(yīng)力等值線出現(xiàn)了向土體內(nèi)部偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，剪應(yīng)力曲線從填方路堤、反壓土體到原狀地表西線呈現(xiàn)出三級階梯狀變化。原坡腳處的剪應(yīng)力值降低為11.6 kPa，比原來降低了17%。這說明反壓土體有效地改善了土體的內(nèi)力分布，減小了坡腳處的應(yīng)力集中，對治理該路堤滑移起到了重要的作用。

2.2.3 塑性應(yīng)變

提取原始狀態(tài)下的路堤填土狀態(tài)和反壓3 m 時(shí)的土體塑性狀態(tài)，見圖8。（1）從圖8（a）可以看出，塑性應(yīng)變區(qū)從路堤中部一直貫通到邊坡坡腳。從塑性應(yīng)變的模擬結(jié)果可以看出，該路堤的塑性應(yīng)變主要是集中在坡體前緣，當(dāng)土體塑性應(yīng)變大于土體的抗剪強(qiáng)度之后，即產(chǎn)生水平向的蠕滑，背部土體產(chǎn)生空隙，因此，也向填方土體右側(cè)產(chǎn)生剪切變形，形成牽引式路基滑動(dòng)變形。（2）從圖8（b）可以看出，當(dāng)反壓3 m 之后，土體的塑性應(yīng)變位置未發(fā)生明顯的變化，仍然集中在路堤坡腳位置，說明反壓之后路堤的最危險(xiǎn)位置仍為坡腳。但從路堤的有效塑性應(yīng)變分布可以看出，反壓土體并未產(chǎn)生塑性應(yīng)變。這說明反壓土體阻斷了路堤的變形路徑，有效地提高了路堤的穩(wěn)定性。

圖8 反壓前后的有效塑性應(yīng)變云圖

對比圖8（a）和圖8（b）可以看出，反壓前后填方路堤的有限塑性應(yīng)變主要集中在填方路堤與原狀地面的交界面處。在未進(jìn)行反壓之前，填方路堤的最大有效塑性應(yīng)變?yōu)?.94×10-2，位于坡腳處。當(dāng)采用反壓土體治理路堤變形之后，填方路堤的最大有效塑性應(yīng)變?yōu)?.48×10-2，減小了9.6×10-3，減小幅度達(dá)23.7%?？梢姡磯和馏w在阻斷路堤滑移路徑的同時(shí)，還降低了路堤內(nèi)的塑性應(yīng)變，有效地減小了路堤滑移破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)語

（1）連續(xù)強(qiáng)降雨導(dǎo)致路基下部含鈣質(zhì)結(jié)核黏土重度增大，抗剪強(qiáng)度降低是導(dǎo)致路堤變形的主要因素。（2）分析了反壓高度從1 m 到5 m 的路堤穩(wěn)定性，結(jié)果說明反壓高度并非越大越好，反壓高度超過3 m后路堤的穩(wěn)定性系數(shù)變化不大。（3）反壓土體有效降低了坡腳處的剪應(yīng)力，改善了剪應(yīng)力的分布特征，對治理該路堤滑動(dòng)具有重要的作用。（4）反壓土體還降低了路堤的有效塑性應(yīng)變，阻斷了路堤的滑移路徑，降低了路堤破壞的風(fēng)險(xiǎn)。