基于變形監(jiān)測的邊坡穩(wěn)定性及加固方案探討

張玉廣 張國發(fā) 彭小勇 鄒啟民

(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 550001)

隨著山區(qū)高速公路的全面修建，路塹開挖高度大于30 m的高邊坡越來越多，建設(shè)過程中邊坡的變形破壞已成為常見的現(xiàn)象，其誘發(fā)因素主要有開挖卸荷、降雨、自身巖體構(gòu)造及震動(dòng)等。為跟蹤和控制邊坡施工進(jìn)程及驗(yàn)證支護(hù)效果，邊坡監(jiān)測技術(shù)逐漸得到了廣泛應(yīng)用，并在邊坡、滑坡的防護(hù)和支擋加固設(shè)計(jì)中提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)依據(jù)[1-2]。

目前，已有較多學(xué)者從邊坡變形監(jiān)測數(shù)據(jù)出發(fā)，剖析邊坡的變形破壞機(jī)理及支護(hù)設(shè)計(jì)，馮振等[3]基于邊坡及樁體位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析出不利的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、坡腳開挖及降水是誘發(fā)紅砂巖順層邊坡發(fā)生變形破壞的主要原因；張冬冬等[4]同樣在高填方支護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測基礎(chǔ)上，對(duì)順坡向和橫向2個(gè)方向的變形進(jìn)行分析，得出滑坡體失穩(wěn)的空間變形方式及整體性的治理措施；黃秋香[5]通過對(duì)具有反傾軟弱夾層的反傾巖坡內(nèi)、外監(jiān)測，得出邊坡在開挖過程中變形呈現(xiàn)“點(diǎn)頭”現(xiàn)象，坡體整體變形為壓縮-蠕變、傾倒-拉裂復(fù)合模式；趙建平等[6]則從邊坡位移變形出發(fā)，找到快速定位臨界滑面的方法，提出臨近滑面位置點(diǎn)的概念，從理論上研究臨界滑移面在臨界位移場中的分布情況；李明等[7]采用土工離心機(jī)及開挖模擬設(shè)備進(jìn)行土坡開挖離心試驗(yàn)，結(jié)果表明，開挖后坡體內(nèi)部根據(jù)豎向應(yīng)變性質(zhì)的不同可分為開挖松動(dòng)區(qū)、開挖壓縮區(qū)和無影響區(qū)3個(gè)區(qū)域，不同區(qū)域土體的變形特性有所差別。

本文以某高速公路ZK57+555-ZK57+713段左側(cè)高邊坡變形破壞為例，綜合分析邊坡變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合地質(zhì)勘察情況分析研究該類型邊坡變形破壞機(jī)理及誘發(fā)因素，探討邊坡支擋加固方案。

1 工程地質(zhì)條件

某高速公路ZK57+555-ZK57+713段線位由正北～正南方向，切割一自然山體，線位左側(cè)形成36 m高邊坡，切腳長度158 m。斜坡坡度20°～30°，路線左高右低。場區(qū)地貌為侵蝕-溶蝕低中山地貌，原地面高程為1 074.9 m～1 160.0 m，路基設(shè)計(jì)標(biāo)高1 076.60 m～1 077.0 m，路基中心最大挖深15 m。2018年4月中旬，邊坡開挖至第3級(jí)邊坡平面，坡頂出現(xiàn)小型裂縫，第4級(jí)邊坡坡面出現(xiàn)鼓脹現(xiàn)象；5月7日，開挖至第2級(jí)邊坡平臺(tái)，并施作錨索框架梁防護(hù)，正張拉錨索期間，坡體后緣、坡面出現(xiàn)大量裂縫，后緣為縱向貫通形裂縫，長約77 m，最大寬約0.5 m，開挖坡腳局部出現(xiàn)微隆起，便停止施工，邊坡現(xiàn)狀及裂縫情況見圖1。

圖1 邊坡現(xiàn)狀及裂縫情況

1.1 地層巖性

場區(qū)上覆土層為第四系殘坡積層(Qel+dl)含碎石粉質(zhì)黏土，灰黃色，可塑狀，碎石成分主要為粉砂質(zhì)泥巖；下伏基巖為奧陶系下統(tǒng)湄潭組(O1m)粉砂質(zhì)泥巖夾灰?guī)r。邊坡強(qiáng)風(fēng)化巖體較軟，同時(shí)受斷層帶影響，巖體破碎，抗風(fēng)化能力弱，風(fēng)化后巖體松散，可直接捏碎呈類土狀，厚15.0～20.0 m。中風(fēng)化粉層巖體呈深灰色、灰黑色，薄～中厚層狀，節(jié)理發(fā)育，巖體較破碎，巖芯多呈碎塊狀～短柱狀。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造與地震

場區(qū)位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)黔北臺(tái)隆遵義斷拱之鳳岡北北東向構(gòu)造變形區(qū)。根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪，場區(qū)發(fā)育斷層F1、F2。F1于ZK57+721(YK57+730)處斜穿線位地表，斷層傾向142°，傾角80°，破碎帶寬度1～5 m，上盤巖層產(chǎn)狀54°∠51°，下盤巖層產(chǎn)狀50°∠63°；逆斷層F2于ZK57+256(YK57+252)處正交線位地表，斷層面傾向13°，傾角60°～70°，斷層破碎帶寬度3～6 m，上盤巖層產(chǎn)狀300°～336°∠27°～35°，下盤巖層產(chǎn)狀210°～270°∠23°～68°。區(qū)內(nèi)主要節(jié)理產(chǎn)狀有：24°∠73°、179°∠84°、265°∠52°三組，節(jié)理間距20～150 mm，地質(zhì)構(gòu)造及地質(zhì)斷面情況見圖2。

圖2 邊坡地質(zhì)構(gòu)造及地質(zhì)斷面

1.3 水文地質(zhì)

路段地勢較高，地下水補(bǔ)給主要來源于大氣降水，地下水類型為第四系松散覆蓋層孔隙水、基巖裂隙水。松散覆蓋層裂隙水賦存于土層孔隙中，該類含水巖組厚度薄，補(bǔ)給面積有限，具季節(jié)性，干旱時(shí)不含水，富水性差，埋藏較淺。雨水下滲后沿基巖風(fēng)化裂隙運(yùn)移，在山谷地勢低洼處排泄。根據(jù)鉆孔顯示，孔內(nèi)未見穩(wěn)定地下水位。

2 邊坡監(jiān)測及變形特征分析

通過對(duì)監(jiān)測指標(biāo)連續(xù)的監(jiān)測和分析工作，動(dòng)態(tài)掌握該邊坡治理施工過程中的安全穩(wěn)定、變形位移情況，及時(shí)掌握邊坡工作狀態(tài)，預(yù)警邊坡失穩(wěn)征兆，以分析邊坡的變形破壞機(jī)制、滑移位移及方向。

2.1 監(jiān)測方案

根據(jù)現(xiàn)場裂縫分布及坡面破壞情況，結(jié)合地質(zhì)勘察資料，本段邊坡用常規(guī)精密大地測量方法，采用電子全站儀對(duì)基準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)測，通過對(duì)監(jiān)測點(diǎn)的多期觀測計(jì)算監(jiān)測點(diǎn)的坐標(biāo)變化量，進(jìn)而分析監(jiān)測點(diǎn)的滑移量、滑移方向、滑移速度等。經(jīng)地表巡視發(fā)現(xiàn)坡體存在滑移可能后，在巖體上現(xiàn)場澆灌混凝土標(biāo)石作為基準(zhǔn)點(diǎn)及監(jiān)測點(diǎn)，共布設(shè)7個(gè)地表位移監(jiān)測點(diǎn)，分別為JCD1～JCD7，數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2019年5月10日-6月30日，共50 d，監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)位置見圖2。

2.2 變形特征

累計(jì)水平位移中，5月10日-6月8日，JCD1、JCD5和JCD6累計(jì)水平位移無明顯增加，變形速率為0.38～1.50 mm/d；從6月8日-6月30日，三監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)水平位移分別達(dá)到103.5,176.3,131.7 mm，變形速率為3.20～4.80 mm/d，豎向位移無明顯增加。JCD2～JCD4、JCD7共4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)從5月10日-6月10日累計(jì)水平位移呈線性增加，累計(jì)水平位移最大達(dá)到303.5～333.7 mm，平均變形速率為10.4 mm/d，豎向位移變形趨勢與水平位移一致，最大達(dá)到-234.0 mm；在6月11日-6月30日，各監(jiān)測點(diǎn)的水平、豎向累計(jì)位移出現(xiàn)轉(zhuǎn)折陡增期，累計(jì)水平位移最大達(dá)到1 293.6 mm，平均變形速率達(dá)到58.1 mm/d，降雨量與地表位移關(guān)系圖見圖3。

圖3 降雨量與地表累計(jì)位移關(guān)系

裂縫發(fā)展及位移變形情況說明，該邊坡可分為受牽引區(qū)(JCD1、JCD5～6區(qū)域)及變形區(qū)(JCD2～JCD4、JCD7圍成區(qū)域)，監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)位置見圖1、圖2。坡體沿一定的軟弱面整體向下以水平位移為主，受坡體巖層結(jié)構(gòu)、抗剪強(qiáng)度等影響，受牽引區(qū)阻礙變形區(qū)滑移體變形，使滑動(dòng)后壁呈環(huán)谷狀，但水平位移趨勢與變形區(qū)一致，坡體無貫通性滑面，因此其豎向位移無明顯變化。

由圖3中各監(jiān)測點(diǎn)發(fā)展趨勢可見，該段邊坡屬于蠕滑型邊坡，在重力作用下邊坡的滑動(dòng)變形具有典型的蠕滑特征，坡體變形發(fā)展可分為線性變形期、變形失穩(wěn)期及固結(jié)穩(wěn)定期。線性變形期間，邊坡巖土體的變形隨時(shí)間緩慢增長，處于蠕滑變形狀態(tài)，受牽引區(qū)水平、豎向變形不明顯，坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)，但受變形區(qū)牽引影響，隨之等速變形。變形失穩(wěn)期，坡體自重應(yīng)力增加，水平、豎向位移陡增，而滑體下座滑移，使變形區(qū)后緣及兩側(cè)受牽引加速變形。滑坡體出現(xiàn)較大變形滑移后，采用工程措施進(jìn)行坡腳支擋、坡體加固，坡體應(yīng)力將重分布形成二次應(yīng)力場，使其達(dá)到新的應(yīng)力平衡，處于固結(jié)穩(wěn)定期。而蠕變變形邊坡其變形區(qū)坡體水平位移、豎向位移變形趨勢具有嚴(yán)格的對(duì)稱性；受牽引區(qū)水平位移為主，豎向變形不明顯，變形趨勢不一致，降雨量與日平均位移關(guān)系見圖4。

圖4 降雨量與邊坡日水平、豎向位移關(guān)系

2.3 降雨影響

2019年5月7日-7月底，該地區(qū)逐漸進(jìn)入汛期，單日降雨量逐漸增加，尤其是6月8日-6月25日的持續(xù)降雨，降水量由39.5 mm增至99.3 mm。6月10日(降雨量71.0 mm)、6月21日(降雨量99.3 mm)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，坡體地表位移均出現(xiàn)轉(zhuǎn)折陡增，最大為JCD4的日水平位移27.1 mm、日豎向位移18.5 mm，JCD2、JCD3、JCD7位移次之；同時(shí)，坡體變形速率加大，由8 mm/d增至19 mm/d。說明雨水入滲時(shí)坡體內(nèi)和坡面發(fā)生的位移最大，變形量及變形速率均會(huì)陡增，約占總位移的80%～91%。雨水入滲及發(fā)生蠕變條件下坡體變形的規(guī)律是坡體上部變形大，下部變形小。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，該工點(diǎn)受雨水影響較大，應(yīng)注重地表排水及坡體內(nèi)地下水排泄。

2.4 滑移方向

監(jiān)測點(diǎn)位移矢量能準(zhǔn)確判斷滑移體的主滑方向。圖2中顯示，JCD2～JCD4、JCD7位移矢量方向垂直于路線，說明邊坡的滑移變形受前緣開挖臨空卸荷作用影響，坡體以垂直于路線方向滑移。

3 變形破壞特征分析

3.1 變形機(jī)理分析

反傾巖層邊坡成坡過程中附加構(gòu)造應(yīng)力一般已釋放完成，僅存少量殘余應(yīng)力，邊坡巖體主要受自重力、上部巖層重力，以及巖層間摩擦力作用[8]。受構(gòu)造帶斷層影響，該段邊坡區(qū)域巖體節(jié)理發(fā)育，2組節(jié)理對(duì)反傾巖層進(jìn)行“△”剪切，使邊坡巖體結(jié)構(gòu)較為松散，節(jié)理裂隙發(fā)育，地下水極易向下滲透，受汛期持續(xù)大氣降水滲入，表層巖石軟化失去完整性及致密性，淋濾作用下在層間形成軟弱夾層，抗剪強(qiáng)度下降明顯。加之前緣開挖臨空卸荷，受自重應(yīng)力作用，開挖影響區(qū)土體垂直于臨空面產(chǎn)生豎向、水平應(yīng)變，以拉伸-擠壓-蠕變-拉裂的蠕滑型模式發(fā)生漸進(jìn)破壞?；破茐倪^程中，滑體后緣及側(cè)翼受水平向拉伸及豎向壓縮，監(jiān)測數(shù)據(jù)反映出水平位移大于豎向位移，即以水平向拉伸為主。

3.2 變形因素分析

3.2.1降雨

降雨是誘發(fā)滑坡災(zāi)害的主要因素。場區(qū)斷層交錯(cuò)，坡體自身節(jié)理裂隙發(fā)育，降雨入滲坡體內(nèi)，巖土體含水率增大，逐漸飽和降低自身抗剪強(qiáng)度，加大自重應(yīng)力。同時(shí)，受淋濾作用，巖土體細(xì)小及易溶成分被溶解帶走，在風(fēng)化較弱或不透水層間形成軟弱夾層，促進(jìn)坡體滑移。

在坡體變形過程中，降雨決定了變形發(fā)展的拐點(diǎn)，成為等速蠕變變形向加速變形發(fā)展的主要誘因，影響變形速率。粉砂質(zhì)泥巖主要成分為黏土礦物 ,含少量粉砂質(zhì)。粉砂含量為25%～50%，黏土含量為50%～75%，浸水后，泥巖易軟化。因此，在后續(xù)設(shè)計(jì)中不可忽視坡體內(nèi)的排水和坡面防水措施。

3.2.2臨空面

邊坡的開挖為坡體提供變形空間，作為坡體滑移的前置條件。坡腳開挖改變坡體的應(yīng)力場，隨著臨空面由小到大，開挖過程中影響區(qū)域逐漸增加。該段邊坡施工階段，隨著前緣臨空高度逐漸增加，坡頂裂縫往后緣發(fā)展，滑面逐漸加深，滑移范圍增大。

3.2.3地質(zhì)構(gòu)造

場區(qū)屬于侵蝕-溶蝕低中山地貌，前緣緩坡地形為湄潭組粉砂質(zhì)泥巖，后緣山體陡峭為奧陶系桐梓組灰?guī)r，形成“上硬下軟”的典型臺(tái)地地形。

斷層F1、F2交叉分布場區(qū)，斷裂構(gòu)造作用使粉砂質(zhì)泥巖中交錯(cuò)節(jié)理發(fā)育，形成兩組24°∠73°的節(jié)理1和179°∠84°的節(jié)理2，與反傾巖層產(chǎn)狀54°∠51°形成“△”切割的不利結(jié)構(gòu)，為雨水下滲提供條件，“△”切割赤平投影見圖5。

圖5 “△”切割

3.2.4巖體結(jié)構(gòu)

軟巖中夾薄層硬質(zhì)巖類型巖體結(jié)構(gòu)，由于下部軟質(zhì)巖受風(fēng)化、侵蝕等產(chǎn)生軟化-收縮-擴(kuò)張-擠壓，使薄層硬質(zhì)巖由完整層狀變?yōu)閴K狀，使坡體完整性較差，整體強(qiáng)度較低。同時(shí)，破碎硬質(zhì)巖層利于地表水及地下水入滲，促進(jìn)雨水淋濾作用。強(qiáng)風(fēng)化層坡體隨地表水入滲逐漸呈飽和狀態(tài)，其余降水及易溶物質(zhì)逐漸沿裂隙往坡體深部入滲至不透水或弱透水層，形成軟弱夾層圓弧滑面，隨臨空面開挖往深部移動(dòng)，巖體結(jié)構(gòu)示意圖見圖6。

圖6 巖體結(jié)構(gòu)

4 處治措施

結(jié)合根據(jù)工程類比及反算法，考慮暴雨工況下Fs=0.98、正常工況下Fs=1.03進(jìn)行反算，綜合滑動(dòng)面抗剪參數(shù)及巖土體參數(shù)見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)性質(zhì)

由2.2節(jié)變形特征表明，該段邊坡分為變形區(qū)及受牽引區(qū)，采用理正軟件計(jì)算兩區(qū)域最不利斷面穩(wěn)定性，最不利斷面圖見圖7。

圖7 最不利斷面圖

由圖7可見，受牽引區(qū)的沉降位移主要受變形區(qū)影響較大，坡體未形成貫穿滑面，仍為潛在滑面，安全穩(wěn)定性系數(shù)情況見表2。該區(qū)域剩余下滑力較小，屬于欠穩(wěn)定狀態(tài)，可采用擋墻+錨索綜合加固。

表2 受牽引區(qū)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果

變形區(qū)需考慮2種情況，①已下滑失穩(wěn)的軟弱層滑面，滑面剪出口位于第二級(jí)邊坡中部；②隨著臨空面的開挖，是否存在深層潛在滑移可能。經(jīng)計(jì)算，隨著邊坡放緩清方，坡體潛在滑面逐漸加深，趨近后緣山體。結(jié)合經(jīng)濟(jì)性對(duì)比緩坡清方和支擋加固方案，清方方案支護(hù)工程費(fèi)用較低，但棄渣量較大，需增設(shè)棄渣場，故擬采用支擋加固方案，變形區(qū)設(shè)計(jì)斷面計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 變形區(qū)設(shè)計(jì)斷面計(jì)算結(jié)果

4.1 受牽引區(qū)

挖方坡腳采用6 m擋墻支擋，避免地下水及降雨軟化坡腳巖土體；擋墻上邊坡采用錨索框架格梁加固，錨固段應(yīng)深入中風(fēng)化層，同時(shí)，考慮錨索框架格梁張拉錨固周期較長，預(yù)先應(yīng)素噴坡面并完成泄水孔，以保證錨固力和框架格梁的有效性和耐久性。

4.2 變形區(qū)

變形區(qū)需考慮2種滑面類型的支擋加固，即滑面和潛在滑面，剩余下滑力分別為780.62 kN和1 226.36 kN。挖方坡腳采用2 m×3 m抗滑樁支擋加固，控制斷面開挖過程中滑面加深；采取樁頂上邊坡適當(dāng)放緩+寬平臺(tái)處理，清除部分滑體，坡面素噴后采用錨索框架格梁加固。

考慮降雨及地下水對(duì)該邊坡變形過程中的影響，可采用排水溝+深層泄水管綜合防排水措施，降低地下水的侵蝕軟化和大氣降水的淋濾作用。

5 結(jié)語

通過對(duì)某高速公路路塹邊坡進(jìn)行位移監(jiān)測，剖析了降雨與邊坡變形特征的對(duì)應(yīng)規(guī)律，并結(jié)合地質(zhì)勘察，探討了邊坡變形過程及影響因素，提出了對(duì)應(yīng)的支護(hù)建議。

1) 邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)可反映邊坡的穩(wěn)定程度，為邊坡變形提供預(yù)警，有效地跟蹤、控制和指導(dǎo)施工，可廣泛運(yùn)用于工程實(shí)踐中。

2) 受降雨、臨空面開挖及巖體結(jié)構(gòu)的影響，邊坡出現(xiàn)不同的變形特征。受牽引區(qū)和變形區(qū)相互約束和拉伸，變形區(qū)坡體出現(xiàn)以水平、豎向位移對(duì)稱性的變形趨勢；而受牽引區(qū)受其變形拉伸及豎向壓縮，出現(xiàn)以水平位移為主的變形。

3) 蠕滑型邊坡變形發(fā)展可分為線性變形期、變形失穩(wěn)期，以及固結(jié)穩(wěn)定期。線性變形期間，坡體變形隨時(shí)間而勻速增長，處于蠕滑變形狀態(tài)；變形失穩(wěn)期，坡體自重應(yīng)力增加，水平、豎向位移陡增，使裂縫后緣及兩側(cè)坡體隨之加速變形?；麦w出現(xiàn)較大變形滑移后，坡體應(yīng)力重分布形成二次應(yīng)力場，使其達(dá)到新的應(yīng)力平衡，該過程為固結(jié)穩(wěn)定期。

4) 工程設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮監(jiān)測數(shù)據(jù)反映的場區(qū)變形特征，以及地下水、地表水對(duì)邊坡變形的敏感性，從而采取有效的設(shè)計(jì)方案。