抗滑樁和擋土墻聯(lián)合支護(hù)下公路邊坡變形破壞機(jī)理分析

趙甜，王凱

（河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，鄭州450000）

1 引言

隨著我國(guó)交通事業(yè)的高速發(fā)展，高速公路成為重要的交通設(shè)施之一，因此，對(duì)既有高速公路進(jìn)行相應(yīng)的邊坡加固與防護(hù)變得極為重要[1]。高邊坡是重要的事故隱患點(diǎn)之一，各方已對(duì)高邊坡加固及防護(hù)措施進(jìn)行了深入研究，力求將其危害程度降到最低。

重力式擋土墻因其施工簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工程中[2]。而將抗滑樁嵌入基巖，可通過(guò)嵌固段基巖的作用使抗滑樁處于穩(wěn)定狀態(tài)，并將滑坡推力傳遞至穩(wěn)定地層，起到加固路基邊坡的作用[3]。擋土墻和抗滑樁是2種主要的支擋結(jié)構(gòu)，在礦山、鐵路、公路和水利等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者通過(guò)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法，對(duì)擋土墻和抗滑樁加固邊坡的作用機(jī)理進(jìn)行了分析研究，并分別對(duì)其優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)研究[4，5]。然而，針對(duì)抗滑樁-擋土墻聯(lián)合支擋結(jié)構(gòu)的研究較少[6]，尤其是在這種聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用下，邊坡的變形破壞機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。本文以洛陽(yáng)至盧氏高速公路某收費(fèi)站滑坡為例，研究了抗滑樁與擋土墻協(xié)同作用下多級(jí)高邊坡的變形破壞特征，希望能為類(lèi)似工程提供參考。

2 工程項(xiàng)目概況

洛陽(yáng)至盧氏高速公路某收費(fèi)站滑坡工程位于互通E匝道收費(fèi)大棚東側(cè)，收費(fèi)大棚中心里程樁號(hào)為EK0+200?；缕鹬估锍虨镋K0+060～EK0+500，長(zhǎng)440 m，中線(xiàn)處最大挖深28 m，山頂至路面最大高差約110 m。

2.1 工程地質(zhì)背景

2.1.1 地形地貌

工程區(qū)屬侵蝕低山地貌區(qū)，地形起伏較大，切割強(qiáng)烈。邊坡所在山體為3條平行山脊間的1條，收費(fèi)站及E匝道（EK0+070～EK0+330）位于該山脊前緣中部位置，開(kāi)挖后的收費(fèi)站位于路塹位置，滑坡體位于收費(fèi)站東北側(cè)?；w區(qū)地形高差較大，山勢(shì)較陡，自然坡度為18°～40°，上陡下緩，收費(fèi)大棚開(kāi)挖處的自然邊坡約15°。圖1為邊坡開(kāi)挖前的地形地貌。

圖1 原始地形地貌

收費(fèi)站及匝道修建后，對(duì)匝道左側(cè)邊坡進(jìn)行了開(kāi)挖及放坡施工。共設(shè)有八級(jí)邊坡、七級(jí)平臺(tái)，坡腳至四級(jí)平臺(tái)設(shè)置了施工便道。放坡開(kāi)挖后，2條主要沖溝明顯消失，擋墻頂部為一級(jí)平臺(tái)，擋土墻底部至八級(jí)邊坡頂部高約80 m。邊坡全貌如圖2所示。

圖2 邊坡全貌

2.1.2 地層巖性

地層巖性主要為表層的第四系全新統(tǒng)填土（Q4ml），第四系中更新統(tǒng)坡積土（Q2dl），以紅褐色硬塑-堅(jiān)硬狀粉質(zhì)黏土和結(jié)核層為主，下伏下元古界（Pt1）強(qiáng)風(fēng)化安山巖。

2.1.3 水文地質(zhì)條件

收費(fèi)站西約100 m范圍內(nèi)有洛河支流——杜河通過(guò)，為原沖溝的排泄終點(diǎn)，勘察期間，杜河內(nèi)見(jiàn)水流，寬度為0.5~1 m，水深0.1~0.3 m。地下水為第四系上層滯水和潛水，主要由大氣降水和附近坡體降水匯集補(bǔ)給，以坡表徑流、坡體滲流及蒸發(fā)為主要的排泄方式。

2.2 邊坡原支護(hù)措施

原支護(hù)措施采用抗滑樁和擋土墻聯(lián)合支護(hù)的方式對(duì)邊坡進(jìn)行加固。首先，在坡腳修建重力式擋土墻，高約9 m，在擋土墻內(nèi)布置仰斜式排水孔，其水平和豎向間距均為2 m。擋土墻修建完成后，在第四級(jí)平臺(tái)處設(shè)置1排抗滑樁，樁長(zhǎng)22 m，截面尺寸為1.5 m×2.0 m，并且在相鄰抗滑樁之間設(shè)置擋板，以阻止樁后土體從樁間擠出。

3 邊坡變形破壞特征及失穩(wěn)機(jī)理

3.1 邊坡變形破壞特征

滑坡體前緣土體堆積厚度較大，高出擋墻頂部約3～5 m，堆積體松散，坡腳墻擠壓側(cè)傾，平臺(tái)排水溝遭到擠壓而破壞?；缕矫媸疽鈭D如圖3所示，滑體坡面發(fā)育大量裂縫?；w形態(tài)上呈扇形，前緣位于擋土墻頂部堆積體，滑體底部寬度為252 m，具有多個(gè)后緣裂縫，最大后緣張拉裂縫位置在7級(jí)平臺(tái)處?；麦w水平長(zhǎng)度為175 m，厚度為9～30 m，體積約為7.563×105m3，屬中型滑坡?；戮哂卸嗉?jí)多層滑動(dòng)體，最大滑動(dòng)體的滑動(dòng)方向?yàn)楹缶墢埨芽p與前緣剪出口的法線(xiàn)方向，西偏南約18°，沿坡臨空面垂直于路面。

圖3 滑坡工程地質(zhì)平面圖

滑坡體具有多條水平裂縫，各級(jí)擋土墻及排水溝見(jiàn)多個(gè)變形破壞部位。邊坡變形破壞形態(tài)，從下到上依次為：（1）二級(jí)平臺(tái)排水溝出現(xiàn)貫通的水平向裂縫，排水溝出現(xiàn)側(cè)向位移；（2）三級(jí)平臺(tái)擋土墻出現(xiàn)明顯剪切破壞裂縫，部分擋土墻開(kāi)裂；（3）四級(jí)平臺(tái)西北側(cè)，即1#抗滑樁邊緣土體出現(xiàn)水平裂縫，部分抗滑樁前出現(xiàn)水平向裂縫；（4）七級(jí)平臺(tái)出現(xiàn)貫通的水平向裂縫，裂縫最為明顯，縫寬約0.1～1 m，錯(cuò)臺(tái)高度為1～2 m，八級(jí)邊坡底部擋土墻錯(cuò)動(dòng)變形，部分擋土墻被剪斷；（5）五級(jí)邊坡至八級(jí)邊坡與水平方向呈30°處的斜裂縫向上發(fā)展與七級(jí)平臺(tái)裂縫相交。邊坡頂至山頂部較平，植被直立性較好，未見(jiàn)有明顯裂縫、錯(cuò)動(dòng)面。由此推斷，邊坡具有多級(jí)滑動(dòng)體，最不利的滑動(dòng)體后緣位于七級(jí)平臺(tái)至八級(jí)邊坡坡頂位置。

現(xiàn)場(chǎng)勘查可見(jiàn)，大部分擋土墻排水口未有地下水排出，但局部墻縫有水流滲出。收費(fèi)站路面未見(jiàn)有裂縫及錯(cuò)動(dòng)，路面完好，未見(jiàn)破壞。原設(shè)計(jì)方案中擋土墻基礎(chǔ)位于基巖面以?xún)?nèi)，根據(jù)勘察結(jié)果可推斷擋土墻后土體為滑坡體前緣剪出口，前部滑坡體沿巖土界面剪出。

3.2 邊坡失穩(wěn)機(jī)理

3.2.1 邊坡變形破壞原因

本邊坡屬于牽引式中型滑坡，且為多級(jí)多層的坡積層土質(zhì)滑坡。大型不良坡積體地質(zhì)結(jié)構(gòu)是滑坡形成的地質(zhì)基礎(chǔ)，坡體內(nèi)存積充沛的含水體是滑坡形成的主要原因，工程開(kāi)挖和施工引起的自重失穩(wěn)和含水體存積是滑坡形成的直接原因。該邊坡體的滑動(dòng)破壞與地形地貌、水文地質(zhì)、地層巖性條件等因素有關(guān)。

1）地形地貌

本項(xiàng)目位于低山地貌區(qū)，該塌滑段邊坡較陡，為滑坡形成地質(zhì)基礎(chǔ)。受滑塌牽引影響，邊坡平臺(tái)多處出現(xiàn)裂縫及錯(cuò)臺(tái)。公路施工開(kāi)挖形成了較深的路塹，邊坡自然穩(wěn)定坡度小于開(kāi)挖坡度，使原土體產(chǎn)生大面積臨空面，原有土體結(jié)構(gòu)自然穩(wěn)定性被破壞，在自重作用下產(chǎn)生滑塌。

2）水文地質(zhì)

豐富的地下水是滑坡形成的主要原因。原始地貌存在2條大型沖溝，匯水面積較大，為雨水匯集、排泄區(qū)，大量地表水可沿沖溝排出。邊坡開(kāi)挖后，地表徑流無(wú)法快速排出，大量地表水沿裂隙下滲，逐步滲入坡體。且坡腳處擋墻內(nèi)排水孔被堵塞，坡體內(nèi)的滲流沒(méi)有良好的排水通道，水體無(wú)法及時(shí)排除，在坡體內(nèi)由坡腳向坡體中部、后部不斷下滲存積，形成了多條由淺至深的滲流通道，當(dāng)滲流通道貫通時(shí)，巖土體由于抗剪強(qiáng)度下降發(fā)生剪切滑動(dòng)，形成由淺及深多級(jí)滑動(dòng)體。而表層的土體則由于多次開(kāi)挖及施工擾動(dòng)，形成具有弱膨脹性的松散堆積體，引發(fā)淺表層土體塌滑。

3）地層巖性

邊坡下伏基巖面傾角較緩，近似水平，上部坡積體厚度較大，中后部土層厚度在30～60 m，不利于坡體穩(wěn)定，且坡積體巖性為棕紅色粉質(zhì)黏土及粉質(zhì)黏土含結(jié)核層，根據(jù)試驗(yàn)成果，其自由膨脹率在17%~60%，物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，屬弱膨脹土。根據(jù)試驗(yàn)得出，粉質(zhì)黏土滲透系數(shù)為2.34×10-7～9.58×10-7cm/s，滲透性差，坡體內(nèi)水體無(wú)法迅速排出，易造成水體在坡體內(nèi)存積。土體遇水后強(qiáng)度降低，易發(fā)生剪切破壞，不利于邊坡穩(wěn)定。淺層土體在反復(fù)降雨與暴曬的干濕循環(huán)狀態(tài)下，發(fā)生濕脹干縮變形，造成淺層邊坡失穩(wěn)。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

3.2.2 聯(lián)合支護(hù)下邊坡的破壞機(jī)理

根據(jù)勘察資料，滑坡體存在多級(jí)多層的滑動(dòng)體，但該失穩(wěn)邊坡的主要滑動(dòng)面為1個(gè)深層滑動(dòng)面，現(xiàn)場(chǎng)鉆探揭示了深層滑動(dòng)面主要沿①1和①2地層接觸面滑動(dòng)，如圖4所示?；瑒?dòng)面較深且繞過(guò)樁底，剪出口位于擋墻上部。且鉆孔揭示了地下水位較高，邊坡下部水位接近于地表，局部區(qū)域有水流滲出。

圖4 邊坡A-A′地質(zhì)剖面圖

在抗滑樁和擋土墻聯(lián)合支護(hù)下的多級(jí)開(kāi)挖邊坡，由于受降雨影響，擋土墻排水口堵塞，一方面導(dǎo)致地下水位上升，土體重度增加，開(kāi)挖邊坡的下滑力增大；另一方面，水位升高導(dǎo)致邊坡內(nèi)土體孔隙水壓力增大，又由于邊坡土體為弱膨脹土，遇水膨脹、崩解，其強(qiáng)度降低，因此，土體的抗滑力降低。以上所有因素導(dǎo)致在抗滑樁和擋土墻聯(lián)合支護(hù)下的公路邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞。

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究了在抗滑樁和擋土墻聯(lián)合支護(hù)下某收費(fèi)站公路邊坡的變形破壞特征及破壞機(jī)理。通過(guò)對(duì)該失穩(wěn)邊坡的現(xiàn)場(chǎng)勘察，揭示了該滑坡的演化過(guò)程和形成機(jī)理。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮深層排水的及時(shí)性和長(zhǎng)期有效性，應(yīng)采取深層泄水孔排水，可分多級(jí)、深層、小間距、大孔徑設(shè)置。設(shè)置抗滑樁等剛性支護(hù)，應(yīng)進(jìn)入較完整的基巖面，保證足夠深度，確保其嵌固端長(zhǎng)度。