某公路橋梁堆積體滑坡穩(wěn)定性分析及處治方案研究

陳云生,趙子鵬,李 林

(廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530029)

0 引言

在地形陡峭的山區(qū),受地震、降雨、風(fēng)化、人工開(kāi)挖等因素影響往往會(huì)產(chǎn)生崩塌,崩塌后堆積于坡腳形成崩坡堆積體。崩坡堆積體因其結(jié)構(gòu)松散、物質(zhì)成分復(fù)雜、性質(zhì)不均等特征,導(dǎo)致穩(wěn)定性較差,工程建設(shè)碰到崩坡堆積體時(shí)易產(chǎn)生局部甚至整體失穩(wěn)形成人工滑坡,會(huì)對(duì)工程建設(shè)造成較大的威脅。

對(duì)于堆積體滑坡的成因、穩(wěn)定性及處治方案,國(guó)內(nèi)已有部分研究:馮玉濤等[1]以國(guó)內(nèi)某山區(qū)高速公路典型路段為研究對(duì)象,認(rèn)為斜坡地貌、堆載、坡腳臨空是堆積體滑坡的成因,提出了上部卸載、中部封水、下部固腳的綜合處治措施;郭鵬輝等[2]以貴州某堆積體滑坡為案例,認(rèn)為降雨是滑坡產(chǎn)生的主要原因,提出排水是堆積體滑坡處治的優(yōu)選手段;魏剛等[3]以青藏高原康楊滑坡為實(shí)例,研究了堆積體滑坡的地質(zhì)、地形成因及滑坡變形特征;王豐等[4]以京昆高速公路某堆積體滑坡為案例,認(rèn)為巖土體內(nèi)部連續(xù)黏土富集帶、修建高速公路挖坡腳、降雨及地震作用是該滑坡產(chǎn)生復(fù)活的原因,經(jīng)穩(wěn)定性分析后采用抗滑樁對(duì)滑坡進(jìn)行處治,處治后邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài);陳云生等[5]以陽(yáng)鹿高速公路K52滑坡為案例,認(rèn)為堆積體、人工堆載、降雨、不利地形等是滑坡產(chǎn)生的主要原因,最終采用“卸載+反壓+鋼管群樁+防排水”的綜合處治方案進(jìn)行處治。

本文以某公路橋梁堆積體滑坡為研究對(duì)象,分析了該滑坡的地質(zhì)、變形特征及成因機(jī)理,對(duì)其進(jìn)行了穩(wěn)定性分析,并提出了有針對(duì)性的處治方案。

1 工程概況

如圖1所示,某預(yù)應(yīng)力混凝土T梁高架大橋的左幅20#墩、右幅22#墩已完成樁基施工,墩柱已封頂,但承臺(tái)突然出現(xiàn)開(kāi)裂,墩柱出現(xiàn)傾斜變形,同時(shí),地表也出現(xiàn)大量拉張、剪切及鼓脹裂縫。經(jīng)勘察,該變形區(qū)分布有崩坡堆積體,橋梁建設(shè)過(guò)程中堆積體局部發(fā)生蠕動(dòng)變形,形成滑坡,危及橋梁及施工安全,需及時(shí)處治。

圖1 項(xiàng)目區(qū)地形圖

2 滑坡特征

2.1 地形地貌特征

橋位區(qū)屬構(gòu)造剝蝕低山地貌與構(gòu)造溶蝕峰叢洼地地貌的過(guò)渡地帶,地形起伏變化大,相對(duì)高差近百米。橋位區(qū)自然坡度呈上陡下緩狀,后緣灰?guī)r裸露,坡度近垂直呈陡峭懸崖?tīng)?中部及前緣坡度相對(duì)平緩,后部高筍陡立的灰?guī)r在構(gòu)造、風(fēng)化、水及重力的作用下沿不利結(jié)構(gòu)面向臨空面產(chǎn)生墜落式崩塌,在坡腳堆積形成扇形地貌。本文所述的滑坡發(fā)生在該扇形堆積體的中部,屬堆積體滑坡。

2.2 地層特征

根據(jù)地調(diào)、鉆探、物探可知,該區(qū)域地層主要由第四系崩坡堆積體、三疊系砂巖夾頁(yè)巖及二疊系灰?guī)r組成(圖2)。崩坡堆積體呈深灰及雜色,成分以中風(fēng)化灰?guī)r孤石為主,孤石間夾有少量黏土或炭質(zhì)泥巖,最大揭露厚度為39.90 m;三疊系砂巖夾頁(yè)巖分布在山體中下部,強(qiáng)-中風(fēng)化,青灰色,薄層狀構(gòu)造,節(jié)理裂隙較發(fā)育,巖體較破碎,局部充填石英巖脈,最大揭示厚度為37.30 m;二疊系灰?guī)r分布在山體中上部,青灰、深灰色,隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu),中厚層狀構(gòu)造,節(jié)理裂隙較發(fā)育,充填方解石巖脈,巖質(zhì)硬,巖溶發(fā)育。

圖2 施工改變地形后實(shí)測(cè)滑坡地質(zhì)橫斷面圖

2.3 水文地質(zhì)特征

橋位區(qū)匯水面積大,主要接受大氣降水,在大到暴雨時(shí)可形成地表徑流,從橋位區(qū)負(fù)地形集中沖刷排泄。地下水主要有第四系孔隙水、基巖裂隙水和巖溶水,受地表水補(bǔ)給,向低洼處以泉水或暗河形式排泄?？辈炱陂g地下水貧乏,各鉆孔均未見(jiàn)地下水。崩坡堆積體結(jié)構(gòu)松散,為中-強(qiáng)透水層,黏土夾層為弱透水層;砂巖夾頁(yè)巖為弱透水層;灰?guī)r巖溶強(qiáng)發(fā)育,屬?gòu)?qiáng)透水性。

2.4 構(gòu)造特征

橋位區(qū)發(fā)育兩條區(qū)域性斷層。斷層F1與橋梁大角度相交,切割二疊系地層(P);斷層F2切割三疊系(T)與二疊系(P)地層,走向與橋梁近平行。受斷層影響,橋位區(qū)巖體破碎,巖溶發(fā)育。橋位區(qū)巖層產(chǎn)狀為212°∠58°,自然坡屬切層順層坡。

2.5 滑坡變形特征

橋墩變形區(qū)地表裂縫主要分布在滑坡后緣、中部及前緣的生活板房?jī)?nèi)。后緣拉張裂縫呈弧形,裂縫寬0.2～0.4 m,延伸長(zhǎng)度為15～30 m,裂縫兩側(cè)下錯(cuò)臺(tái)階高度為0.1～0.5 m,裂縫面粗糙;滑坡中部可見(jiàn)拉裂縫,出現(xiàn)時(shí)間最早,呈弧形,裂縫寬0.2～0.5 m,延伸長(zhǎng)度為20～50 m,為滑坡中裂縫最密集區(qū)域;鼓脹裂縫發(fā)育于滑坡前緣生活板房?jī)?nèi),出現(xiàn)時(shí)間在中部裂縫之后,裂縫走向與滑坡滑動(dòng)方向垂直,縫寬0.4～0.8 m,延伸長(zhǎng)度為10～20 m,隆起最大高度約為0.5 m。

2.6 滑坡形態(tài)、規(guī)模及結(jié)構(gòu)特征

滑坡位于山體斜坡地帶,主滑動(dòng)方向約200°～220°,與橋梁斜交?；缕矫娉书L(zhǎng)條形,長(zhǎng)約420 m,寬約150 m。根據(jù)鉆探,該滑坡從橫剖面上可分為A區(qū)和B區(qū),對(duì)應(yīng)存在兩個(gè)滑面,滑面1及滑面2均呈上陡下緩狀?；瑤林饕獮槎逊e體中的黏土,滑體為崩坡堆積體,后緣、中部滑床為中風(fēng)化灰?guī)r、強(qiáng)風(fēng)化砂巖夾頁(yè)巖,前緣滑床為堆積體?；嫫骄裆顬?6.6 m,滑體體積為95.0×104m3,屬于中層大型堆積體滑坡。

2.7 滑坡成因及機(jī)理分析

(1)地質(zhì)因素:該處存在不良地質(zhì)崩坡堆積體,結(jié)構(gòu)松散,不利于工程建設(shè);項(xiàng)目區(qū)處于兩斷層交匯處,構(gòu)造發(fā)育,且位于巖性交界帶影響范圍內(nèi),巖體破碎,巖溶發(fā)育;堆積體內(nèi)部含軟弱夾層黏土,為滑帶的形成創(chuàng)造了有利的物質(zhì)基礎(chǔ)。

(2)人工因素:橋梁施工便道開(kāi)挖及填筑改變了原始應(yīng)力狀態(tài),使斜坡部分地段臨空或堆載,改變了原地表水徑流路徑,大量地表水沿便道滲入堆積體內(nèi)部,不利于斜坡穩(wěn)定;滑坡中部堆載了橋梁建設(shè)的大量鋼材、機(jī)械設(shè)備,增大了滑體A的下滑力。

(3)降雨因素:崩坡堆積體為中-強(qiáng)透水層,有利于地表水的下滲,堆積體中的軟弱夾層黏土屬弱透水層,水易在黏土中集中,軟化黏土層,降低了黏土的力學(xué)參數(shù),故降雨是滑坡產(chǎn)生的催化劑。

(4)機(jī)理分析:從裂縫出現(xiàn)的先后順序可知,滑坡中部在不良地質(zhì)、堆載、降雨、便道開(kāi)挖的綜合作用下出現(xiàn)拉張裂縫,裂縫逐步向坡腳貫通,使前緣生活板房出現(xiàn)鼓脹裂縫,故滑體A為推移式滑坡;滑體A變形后使滑體B臨空,進(jìn)一步牽引滑體B,最后出現(xiàn)最后緣的拉張裂縫,滑體B為牽引式滑坡。綜上所述,該滑坡屬前段推移后段牽引式綜合滑坡。

3 穩(wěn)定性分析

項(xiàng)目區(qū)地震基本烈度為Ⅵ度,依據(jù)《公路滑坡防治設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T 3334-2018),該工程無(wú)須考慮地震工況下的穩(wěn)定性,故僅計(jì)算天然及暴雨工況下的穩(wěn)定性,計(jì)算剖面采用施工擾動(dòng)后的剖面(圖1),采用的計(jì)算公式如下:

(1)

Ψi=cos(θi-θi+1)-sin(θi-θi+1)tgφi+1

(2)

Ri=Nitgφi+cili

(3)

式中:Ks——穩(wěn)定系數(shù);

Ψi——第i計(jì)算條塊剩余下滑推力向第i+1計(jì)算條塊的傳遞系數(shù);

Ri——第i計(jì)算條塊滑動(dòng)面上的抗滑力(kN/m);

Ti——第i計(jì)算條塊滑體在滑動(dòng)面上的滑動(dòng)分力(kN/m);

Ni——第i計(jì)算條塊滑體在滑動(dòng)面法線上的反力(kN/m);

θi——第i計(jì)算條塊滑體的滑面與水平線夾角(°);

φi——第i計(jì)算條塊滑動(dòng)面上巖土體的內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值(°);

ci——第i計(jì)算條塊滑動(dòng)面上巖土體的粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa);

li——第i計(jì)算條塊滑動(dòng)面長(zhǎng)度(m)。

3.1 力學(xué)參數(shù)

綜合工程地質(zhì)類比、室內(nèi)試驗(yàn)及反算成果,本滑坡計(jì)算所采用的參數(shù)如表1所示。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)表

3.2 計(jì)算結(jié)果

選取典型剖面(圖2)進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 防護(hù)前滑坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表

由表2計(jì)算結(jié)果可知,滑面1在天然工況下處于穩(wěn)定狀態(tài),在暴雨工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài),不滿足規(guī)范要求,需進(jìn)行處治;滑面2在天然狀態(tài)下安全儲(chǔ)備不足,處于欠穩(wěn)定狀態(tài),在暴雨工況下處于不穩(wěn)定狀態(tài),需進(jìn)行處治。

4 處治方案

根據(jù)滑坡的地質(zhì)特征、變形特征、破壞機(jī)理及穩(wěn)定性分析,推薦兩種治理方案,具體如下:

方案一:卸載+錨固+防排水方案。該方案卸載滑坡后緣部分堆積體直至滑坡穩(wěn)定,卸載后對(duì)邊坡進(jìn)行錨固確保邊坡穩(wěn)定,同時(shí)對(duì)滑坡區(qū)域的裂縫、開(kāi)挖面進(jìn)行防排水設(shè)計(jì),該方案工程造價(jià)約為1 080萬(wàn)元。

方案二:抗滑樁+橋梁群樁+防排水方案。該方案在滑坡區(qū)的橋梁兩側(cè)分別設(shè)置兩排抗滑樁,在滑坡前緣設(shè)置一排抗滑樁,橋梁樁基改用群樁,同時(shí)對(duì)滑坡區(qū)的裂縫進(jìn)行封閉,完善地表防排水措施,工程造價(jià)約為1 450萬(wàn)元。

經(jīng)比選,方案一相比方案二施工技術(shù)難度小,施工工期短,且造價(jià)相對(duì)方案二低,處治徹底,故采用方案一進(jìn)行處治。處治設(shè)計(jì)典型橫斷面見(jiàn)圖3。具體處治方案如下:

圖3 滑坡處治典型橫斷面圖

(1)清除滑坡中部的鋼材、機(jī)械設(shè)備,減小下滑力。

(2)在高程為710 m處設(shè)置一外傾3%的寬平臺(tái),對(duì)滑坡后緣部分堆積體進(jìn)行卸載,卸載坡率為1∶1.25,從下到上每10 m一級(jí),每級(jí)邊坡設(shè)置2 m寬的級(jí)間平臺(tái),平臺(tái)內(nèi)側(cè)設(shè)置截水溝。

(3)卸載后橋梁內(nèi)側(cè)將形成56 m的高邊坡,頂部三級(jí)邊坡存在沿巖土分界面滑動(dòng)的可能,采用錨索護(hù)面墻進(jìn)行防護(hù),錨索長(zhǎng)度為25 m,預(yù)應(yīng)力為450 kN;底部三級(jí)邊坡巖性為中風(fēng)化灰?guī)r,局部破碎,結(jié)構(gòu)面被泥質(zhì)充填,存在楔形體小型掉塊的可能,采用錨桿格梁進(jìn)行防護(hù),錨桿長(zhǎng)度為12 m,錨固力為120 kN。

(4)全坡面采用掛網(wǎng)噴混凝土封閉,坡頂設(shè)置截水溝并往山腳引排,坡面設(shè)置急流槽。

(5)邊坡要求逐級(jí)卸載、逐級(jí)防護(hù)。

按照以上方案處理后,滑坡的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 防護(hù)后滑坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表

由表3計(jì)算結(jié)果可知,處治后的滑面1、滑面2在天然工況和暴雨工況下均處于穩(wěn)定狀態(tài),滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)依托工程橋位區(qū)滑坡發(fā)育于崩坡堆積體中,滑帶主要為堆積體中的黏土層,屬中層大型堆積體滑坡。

(2)滑坡從剖面上可分為兩個(gè)區(qū)及兩個(gè)滑帶,A區(qū)為推移式滑坡,B區(qū)為牽引式滑坡;A區(qū)先變形,B區(qū)后變形,屬前段推移后段牽引式綜合滑坡。

(3)滑面2在暴雨工況下處于失穩(wěn)狀態(tài),在天然狀態(tài)下處于欠穩(wěn)定狀態(tài),滑面1在暴雨工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài),需對(duì)滑坡進(jìn)行處治。

(4)經(jīng)采用“卸載+錨固+防排水”的方案進(jìn)行綜合處治后,本滑坡穩(wěn)定性系數(shù)滿足規(guī)范要求,處于穩(wěn)定狀態(tài)。