高速公路挖方邊坡穩(wěn)定性分析及評價

金 東

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司 沈陽市 110166)

1 邊坡工程概況

2019 年10 月29 日,第3 級邊坡錨索框架植草防護(hù)完成。

2019 年11 月20 日,第2 級邊坡錨索框架植草防護(hù)完成。

2020 年3 月16 日,對YK31+260～YK31+310 段右側(cè)邊坡進(jìn)行第1 級開挖過程中,發(fā)現(xiàn)該段2、3 級錨索框架錨索出現(xiàn)向下滑動錯位。坡口處出現(xiàn)不同程度的拉裂,裂縫長50 m,寬度10～30cm 不等;然后實施動態(tài)觀察。

2020 年3 月17日～22 日,由于降雨不斷,YK31+260～YK31+310 段右側(cè)邊坡坡口裂隙進(jìn)一步發(fā)展擴(kuò)大,出現(xiàn)局部塌方,同時于坡口裂隙上方最遠(yuǎn)30m處出現(xiàn)第二道圓弧形裂隙,該裂隙最遠(yuǎn)距離在YK31+280 右側(cè)85 m處;右側(cè)邊坡后緣兩條裂隙水平寬度50～200cm、裂隙深度50～150cm,經(jīng)現(xiàn)場勘察和統(tǒng)計2020 年3 月份降雨(3 月1 日～22 日有15 天均為小雨或陣雨)情況后,確定邊坡滑坡仍存在繼續(xù)發(fā)育可能,繼續(xù)實時動態(tài)觀測,同時進(jìn)行布孔鉆探勘察,確定滑坡成因機(jī)制及錨索預(yù)應(yīng)力是否失效。

2020 年9 月2 日,對YK31+260～YK31+310 段右側(cè)邊坡進(jìn)行復(fù)勘,至此,經(jīng)過半年的持續(xù)動態(tài)觀測,右側(cè)滑坡趨于穩(wěn)定,無進(jìn)一步擴(kuò)大現(xiàn)象。

由觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計可知,2020 年8 月后該段邊坡趨于穩(wěn)定,無明顯滑動現(xiàn)象,9 月后沉降位移已穩(wěn)定(數(shù)據(jù)在觀測誤差范圍內(nèi)),第二級平臺最大位移為:垂直位移309mm,水平位移60mm;第三級平臺最大位移為:垂直位移430mm,水平位移-196mm,第三級位移大于第二級位移。所以降雨是滑坡發(fā)生的主要誘發(fā)因素,降雨多位移大、降雨少位移小。又因9月降雨多而未有位移,說明該段邊坡的沉降位移已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

2 滑坡成因機(jī)制

2.1 地形組合形態(tài)

綜合勘察,第二級平臺最大位移為:垂直位移309mm,水平位移60mm;第三級平臺最大位移為:垂直位移430mm,水平位移-196mm,第三級位移大于第二級位移,邊坡框架位移值為垂直27cm、水平125cm。總體外部形態(tài)因線型走向為山腰平緩槽谷直線挖方處,形成以裂隙處至路線范圍的槽型滑坡形態(tài),上窄下寬,滑坡方向的橫向距離最大66m、縱向最大距離46m,由鉆探及計算可知滑坡為深度4～6m的淺層滑坡,滑坡體積為12000～20000m3。

2.2 巖性組合形態(tài)

場區(qū)下伏基巖為寒武系下統(tǒng)明心寺組(∈1m)頁巖。根據(jù)現(xiàn)場區(qū)巖體的節(jié)理、裂隙發(fā)育特征、硬度與完整性,結(jié)合鉆探基巖劃分為全～強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化兩層。

全～強(qiáng)風(fēng)化頁巖:褐黃色,薄層狀,泥質(zhì)結(jié)構(gòu),層理構(gòu)造,節(jié)理裂隙極發(fā)育,巖體破碎,結(jié)合差,巖芯呈碎塊狀、碎石狀,鉆探揭露厚度1.4～13.4m。

中風(fēng)化頁巖:灰色,薄層狀,泥質(zhì)結(jié)構(gòu),層理構(gòu)造,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體較破碎,結(jié)合一般,巖芯呈短柱狀、片狀。

巖層產(chǎn)狀165°∠25°,節(jié)理裂隙發(fā)育,多為密閉型節(jié)理,節(jié)理間距50～100mm,主要節(jié)理裂隙產(chǎn)狀為:235°∠43°、57°∠76°。

2.3 分離面組合形態(tài)

從已開挖邊坡面可知YK31+170～YK31+260、YK31+310～YK31+370 段右側(cè)一級坡巖體完整至較破碎為中風(fēng)化,YK31+260～YK31+310 右側(cè)中間段一級坡巖體已經(jīng)風(fēng)化為全～強(qiáng)風(fēng)化層,即該段屬地質(zhì)突變地段,綜合地形形態(tài)及勘察結(jié)果,該段為殘坡積層較厚的不穩(wěn)定邊坡。

且從已開挖邊坡面至裂隙后緣山體揭露及鉆探芯樣均可發(fā)現(xiàn),該段路基邊坡巖體產(chǎn)狀傾向邊坡為逆向坡,角度25°,全-強(qiáng)風(fēng)化層較厚(1.4～13.4m),均為薄層狀,泥質(zhì)結(jié)構(gòu),層理構(gòu)造,當(dāng)坡腳開挖臨空后,導(dǎo)致應(yīng)力重新分布,牽引造成2、3 級滑坡,形成坡腳至坡口裂隙1 處的主滑面,因較厚的碎石土層(2.0～5.8m)順延裂隙1至裂隙2造成2次牽引滑移,而長期降雨及雨水下滲加劇裂隙面擴(kuò)張,因此形成的分離面分布于碎石土至全～強(qiáng)風(fēng)化范圍中,形成沿碎石土層至強(qiáng)風(fēng)化層的軟弱界面的直線形牽引滑坡。

3 邊坡穩(wěn)定性評價

3.1 物理力學(xué)參數(shù)

YK31+260～YK31+310 段右側(cè)邊坡滑動面物質(zhì)組成為碎石土及全風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化頁巖層,取其綜合重度:γ=19.0kN/m3,以主滑面YK31+280 為代表斷面,恢復(fù)到原設(shè)計地面后取值,依據(jù)《公路滑坡防治設(shè)計規(guī)范》[1](JTG/T 3334—2018),取值Fs=1.05 正常工況、Fs=0.95 暴雨工況進(jìn)行反算驗證。結(jié)合反算、工程地質(zhì)類比及《公路路基設(shè)計規(guī)范》[2](JTG D30—2015),推薦物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 推薦巖土體物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)表

3.2 邊坡穩(wěn)定性評價

3.2.1定性評價

該段邊坡為古滑坡體,巖體主要由碎石土、薄層狀全～強(qiáng)風(fēng)化頁巖組成。因該巖體的碎石土層、全～強(qiáng)風(fēng)化頁巖層較厚,工程地質(zhì)性能差;同時在長期降雨情況下,地表水匯集沿其開挖坡面下滲至碎石土層及全～強(qiáng)風(fēng)化頁巖層后,導(dǎo)致其遇水易軟化,失水易分解,C、φ值下降,加劇裂隙面擴(kuò)張,工程地質(zhì)性能進(jìn)一步降低。在邊坡開挖臨空后,加上坡面混凝土框架自重,坡體在垂直方向無支撐,導(dǎo)致應(yīng)力重新分布,故造成沿碎石土層及強(qiáng)風(fēng)化層形成的軟弱面產(chǎn)生直線型牽引滑動,從而造成邊坡滑坡塌方。

YK31+260～YK31+310 段右側(cè)挖方邊坡,線路走向68°,開挖坡向為338°,巖層產(chǎn)狀為165°∠25°,為逆向坡。根據(jù)圖1分析,L1 節(jié)理面235°∠43°、L2 節(jié)理面57°∠76°,與巖層層面組合的交點位于自然邊坡面與開挖坡面之外,對開挖后的邊坡穩(wěn)定性影響較小,坡體整體較穩(wěn)定,但坡體開挖臨空后,巖體易沿軟弱面產(chǎn)生滑動垮塌。

圖1 赤平投影結(jié)果圖

判定巖體穩(wěn)定性:

(1)滑動方向:沿交線C、C'方向滑動。

(2)穩(wěn)定類型:最穩(wěn)定。

3.2.2定量計算

根據(jù)《公路滑坡防治設(shè)計規(guī)范》[1](JTG/T 3334—2018)的相關(guān)要求,土質(zhì)邊坡、軟巖邊坡、破碎或較破碎巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性計算按折線形滑面考慮,采用傳遞系數(shù)法進(jìn)行穩(wěn)定性分析,典型條塊力系示意圖見圖2,穩(wěn)定性系數(shù)計算公式見式(1)、式(2)。

圖2 典型條塊力系示意圖

Ti=KsWisinαi-Wicosαitanφi-ciLi+ψiTi-1

(1)

ψi=cos(αi-1-αi)-sin(αi-1-αi)tanφi

(2)

式中:Ti、Ti-1為第i和第i-1滑塊剩余下滑力(kN/m),其作用力方向與相應(yīng)滑塊底邊平行;Ks為穩(wěn)定安全系數(shù),按《公路滑坡防治設(shè)計規(guī)范》表5.2.3 取值;Wi為第i滑塊的自重力(kN/m);αi、αi-1為第i和第i-1 滑塊對應(yīng)滑面的傾角(°);φi為第i滑塊滑面內(nèi)摩擦角(°);ci為第i滑塊滑面巖土粘聚力(kN/m2);Li為第i滑塊滑面長度(m);ψi為傳遞系數(shù)。

以YK31+265、YK31+280、YK31+295 為代表斷面進(jìn)行計算,得到穩(wěn)定系數(shù)及剩余下滑力,見表2。

表2 下滑力計算統(tǒng)計表

計算中考慮了正常工況(邊坡處于天然狀態(tài))和非正常工況Ⅰ(邊坡處于暴雨或連續(xù)降雨狀態(tài)),巖土體及結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)計算參數(shù)按表1對應(yīng)工況取值,按設(shè)計提供的初擬坡比1∶0.75～1∶1 進(jìn)行穩(wěn)定性分析計算。坡體開挖臨空后潛在滑面剪出位置存在如下情形:

(1)YK31+265 橫斷面:碎石土層及強(qiáng)風(fēng)化層形成的軟弱面剪出破壞(潛在滑面①):正常工況下穩(wěn)定性系數(shù)Fs=1.05,處于基本穩(wěn)定狀態(tài);非正常工況I 下Fs=0.95,處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)YK31+280 橫斷面:碎石土層及強(qiáng)風(fēng)化層形成的軟弱面剪出破壞(潛在滑面①):正常工況下穩(wěn)定性系數(shù)Fs=1.05,處于基本穩(wěn)定狀態(tài);非正常工況I 下Fs=0.95,處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)YK31+295 橫斷面:碎石土層及強(qiáng)風(fēng)化層形成的軟弱面剪出破壞(潛在滑面①):正常工況下穩(wěn)定性系數(shù)Fs=1.05,處于基本穩(wěn)定狀態(tài);非正常工況I 下Fs=0.95,處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

以上三種潛在滑動穩(wěn)定性系數(shù)均不滿足《公路路基設(shè)計規(guī)范》[2](JTG D30-2015)中對于穩(wěn)定安全系數(shù)的相關(guān)要求,該段邊坡為古滑坡體,巖體主要由碎石土、薄層狀全～強(qiáng)風(fēng)化頁巖組成。因該巖體的碎石土層、全～強(qiáng)風(fēng)化頁巖層較厚,工程地質(zhì)性能差;同時在長期降雨情況下,地表水匯集沿其開挖坡面下滲至碎石土層及全～強(qiáng)風(fēng)化頁巖層后,導(dǎo)致其遇水易軟化,失水易分解,C、φ值下降,加劇裂隙面擴(kuò)張,工程地質(zhì)性能進(jìn)一步降低。

在邊坡開挖臨空后,加上坡面混凝土框架自重,坡體在垂直方向無支撐,導(dǎo)致應(yīng)力重新分布,故造成沿碎石土層及強(qiáng)風(fēng)化層形成的軟弱面產(chǎn)生弧形牽引滑動,從而造成邊坡滑坡塌方。

綜上,根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及鉆探資料,路基尚未形成連續(xù)貫通的滑面,路基右側(cè)邊坡整體處于欠穩(wěn)定狀態(tài),由于其屬于國道高速路,路基破壞后果嚴(yán)重,需要對其進(jìn)行治理。

4 治理措施及建議

勘察區(qū)位于山腰斜坡溝槽處,在邊坡開挖臨空且遇暴雨工況下,邊坡目前處于欠穩(wěn)定狀態(tài),需要進(jìn)行支擋,由于勘察區(qū)第四系覆蓋層較厚,橫坡較陡,且下伏頁巖全～強(qiáng)風(fēng)化層厚度較大,承載力較低,也不利于邊坡抗滑穩(wěn)定。

(1)在右側(cè)邊坡設(shè)抗滑樁支擋,對坡體采取加固處理,具體加固形式和強(qiáng)度以及坡率按計算確定;邊坡巖體為軟質(zhì)巖,遇水軟化極易降低巖體抗剪強(qiáng)度;開挖臨空后,坡體可能存在局部滲水現(xiàn)象,須加強(qiáng)邊坡區(qū)的防排水措施,同時增加邊坡監(jiān)控監(jiān)測,確保坡體安全。

(2)對右側(cè)邊坡采取清方卸載處理,完善排水設(shè)施,同時增加邊坡監(jiān)控監(jiān)測,采用動態(tài)設(shè)計,確保坡體安全。