強風化砂質泥巖順層滑坡機理及處治措施研究

2016-11-29 08:49:59江紅劉海兵何衛

公路與汽運 2016年5期

江紅，劉海兵，何衛

（1.中交三航局南京分公司，江蘇南京 210011；2.中南大學土木工程學院，湖南長沙 410075）

江紅1，劉海兵1，何衛2

（1.中交三航局南京分公司，江蘇南京 210011；2.中南大學土木工程學院，湖南長沙 410075）

強風化砂質泥巖穩定性低，易造成坡體順層滑坡，危及高速公路安全。文中以貴州道安（道真—甕安）高速公路邊坡工程為例，從地質構造、地層巖性、水文條件、人類工程活動等方面分析了邊坡穩定性影響因素；根據滑坡特點，提出了錨桿（索）框架梁+抗滑樁（擋墻）支擋的綜合處治方法，取得了良好治理效果。

公路；強風化砂質泥巖；順層滑坡；錨桿（索）框架梁；抗滑樁（擋墻）

近幾年來，隨著國家高速公路網的不斷發展，建設重點開始自東部發達地區向西部山區轉移，貴州省高速公路建設迎來了開發高潮。貴州地區地形、地質較復雜，公路邊坡滑坡時常出現，其中順層滑坡更是頻頻發生，給建設過程帶來了巨大危險，建設過程中能否妥善處理好該類問題關系著整個工程的安全。為了創造安全的施工環境，許多工作者從地層巖性、坡體結構、水文地質條件及滑動帶形成演化過程與模式等方面出發，通過反分析計算、工程經驗類比法及有限元程序等方法進行了順層邊坡穩定性分析，并提出了針對性的順層滑坡預防和處治措施。但對強風化砂質泥巖順層滑坡機理及處理方案等的研究較少。該文以貴州道安（道真—甕安）高速公路K83+808—K84+046段右側強風化砂質泥巖順層邊坡滑坡為例，進行滑坡穩定性因素分析，并提出綜合處治方案。

1 滑坡概況

道安高速公路K83+808—K84+046段右側邊坡為單斜地層，巖層產狀為70°～102°∠12°～20°。節理裂隙發育，主要有兩組發育節理，L1為55°∠89°，L2為130°∠85°，這兩組節理都是節理面平直粗糙，多呈閉合狀。根據野外地質勘查及各鉆孔巖土芯樣（見圖1），滑坡地層自上而下分別為：

（1）耕植土（Qpd4）地層。主要以粉質黏土為主，表層含較多植物根系，底部含較多碎石，厚度1.0～2.0 m，位于滑坡的表層。

（2）含礫粉質黏土（Qme4）地層。主要成分為泥巖，表層覆蓋少量耕植土，厚度2.0～5.0 m，位于滑坡表層。

圖1　鉆孔巖土芯樣

（3）強風化砂質泥巖（Ot+h1）地層。為隱晶質結構，中厚層狀構造，節理裂隙發育，其底部緊靠滑坡滑動帶，厚度為2.0～14.0 m，為滑坡體的主要物質組成。

（4）中風化砂質泥巖（Ot+h1）地層。為隱晶質結構，中厚層狀構造，節理裂隙發育，巖體破碎，局部含灰巖，鉆孔揭露最大厚度為21.4 m，位于滑坡體的底部。

該邊坡以挖方路基通過，最大挖深35.4 m，地勢起伏陡峻，相對高差為50～100 m（見圖2）。

圖2　項目區地形地貌

邊坡水文地質條件和人類工程活動對滑坡的形成、發展和滑動有著重要影響。滑坡區地下水主要為第四系松散層孔隙水、基巖裂隙水。松散層孔隙水主要匯集于滑坡體的松散堆積層中，使整個滑坡體處于濕潤狀態，而基巖裂隙水主要分布在中風化砂質泥巖的節理裂隙中。滑坡上的人類工程活動比較復雜，主要由三部分組成：一是居民的坡表水稻和玉米種植活動及在滑坡區山脊處了修筑一幢3層房屋；二是在右側坡體的山脊處進行高速公路修建開挖，最大挖方深度30 m；三是在原邊坡體山腰處進行村道改線道路修建開挖，最大挖方深度約15 m。

2 滑坡體形態特征

滑坡體平面上呈三角形，位于線路右側，坡體中、上部為寬緩的階梯形平臺，下部為刷坡形成的陡坡，坡度20°～40°。沿線路方向長約250 m，縱向長約80 m，面積約208 m2，平均厚度12 m，失穩體積約2 496 m3，為淺層中型滑坡體。根據滑坡體的地貌特征及滑坡體的主滑向，將滑坡體分為A、B兩區（見圖3）。

圖3　滑坡體全貌

（1）A區滑坡。該區滑坡是滑坡體的次要變形部分，位于滑坡體左側，為一寬緩斜坡地形，地形西高東低，滑坡地形坡度8°～20°，滑動方向95°，與線路垂直相交。滑坡前緣位于村道改線道路開挖一級坡腳處，滑坡前緣高程約700 m，后緣高程約716 m，高差約16 m。滑坡前緣坡腳見剪出口，后緣張拉裂縫明顯。

（2）B區滑坡。該區滑坡是滑坡體的主要變形部分，位于滑坡體右側，為兩脊夾一V形沖溝，總體地形西高東低，兩側高，中間低洼，滑坡地形坡度20°～35°，滑動方向60°，與線路大角度斜交。滑坡前緣位于高速公路開挖一級坡處，高程約690 m，后緣高程約725 m，高差約35 m。滑坡前緣坡腳未見明顯剪出口，后緣張拉裂縫明顯。

根據地質勘探資料，滑坡體物質組成自上而下可分為表層含礫粉質黏土、下部強風化砂質泥巖。滑坡區發育的強風化砂質泥巖有兩種形態，上部多為土黃色，底部多為灰色，底部緊靠滑坡滑動帶，巖體因滑坡剪切滑動發生破環，巖芯多呈碎屑狀、碎石狀。滑體物質組成較簡單，厚度橫向較均勻，縱向頂部厚度小、底部厚度大。

滑坡體中下部緊靠臨空面位置，滑動帶主要為強風化砂質泥巖與中風化砂質泥巖接觸帶，強風化砂質泥巖順層面沿著接觸帶向臨空面方向發生滑動，下部滑坡體向臨空面方向發生滑移后，上部坡體受牽引作用沿強風化砂質泥巖受力最不利界面的軟弱面發生滑動。

3 滑坡影響因素及變形機理分析

滑坡變形影響因素包括內因和外因兩類，其中內因包括地形地貌、地層巖性、地質構造，外因包括降雨、人類工程活動等。

（1）地形地貌。滑坡體的中上部為寬緩的階梯形平臺，地形平坦，容易匯集較多地表水，強降雨后滑坡體處于飽水狀態。

（2）地層巖性。滑坡地層的表層黏性土因居民長期耕作，土質疏松，容易匯集較多地表水。滑坡地層下部的強風化砂質泥巖屬透水層，厚度較大，為雨季主要地下水賦集層。滑坡地層底部的中風化砂質泥巖屬隔水層，穩定性相對較好。在強風化砂質泥巖與中風化砂質泥巖的接觸帶，地下水容易富積，軟化、泥化交界面，從而形成軟弱泥化夾層，坡體沿該軟弱面滑移失穩。滑坡體前緣發育的含礫粉質黏土和強風化砂質泥巖強度低，遇雨水易軟化崩解，自穩性差。

（3）地質構造。滑坡區為單斜構造，巖層產狀70°～102°∠12°～20°，有55°∠89°、130°∠85°兩組發育節理。坡體開挖后坡向約120°∠53°，巖層傾向與邊坡坡向一致，巖層傾角小于坡腳，為順層坡。發育的兩組節理傾向與坡向一致，巖體結構面組合均不利于邊坡穩定。邊坡開挖為滑坡體提供了較大臨空面，巖層順層面向臨空面方向發生滑動，這為形成滑坡的主要原因。

（4）降雨。該邊坡所在地雨水豐富，連續降雨使邊坡長期處于飽和狀態，不僅加大邊坡土體自重，同時軟化、泥化邊坡巖土體，大大降低其抗剪強度，并在坡體內產生動靜水壓力，造成邊坡穩定性降低。

（5）人類工程活動。邊坡表層黏性土因居民長期耕作，土質疏松，容易匯集較多地表水；高速公路路基邊坡開挖、村道改線道路施工在原邊坡體山腰處進行開挖，形成高陡臨空面，為邊坡變形提供了變形空間條件。

綜上所述，在內因和外因的共同作用下打破原有的力學平衡而導致邊坡向下發生滑移。

4 滑坡穩定性評價

邊坡穩定性評價應遵循“以定性分析為基礎、定量計算為手段”的原則。進行邊坡穩定性計算時，應根據邊坡工程地質條件或已經出現的變形破壞跡象，定性判斷邊坡可能的破壞形式和邊坡穩定性狀態。

4.1穩定性計算

4.1.1計算剖面的確定

根據鉆探資料繪制5個斷面圖，圖4、圖5分別為P2-P2′、P3-P3′斷面圖。下面以這兩個斷面為例進行穩定性分析。

圖4　P2-P2′工程地質斷面圖（B區，單位：m）

圖5　P3-P3′工程地質斷面圖（A區，單位：m）

4.1.2計算工況與安全系數

該邊坡工程安全等級為一級，綜合考慮《公路路基設計規范》第3.7.7條規定，邊坡最低安全穩定系數在自重工況（工況一：天然狀態）下取1.25；在自重+暴雨工況（工況二：飽水狀態）下取1.15。

4.1.3邊坡物理力學參數選取

鉆探選取6組土樣、3組強風化砂質泥巖進行剪切試驗。試驗中由于土樣含較多礫石、強風化砂質泥巖體極軟，飽水后均開裂，未得出剪切試驗結果。邊坡穩定性計算參數的選取主要采取以下途徑：1）極限平衡反算法，即假定現狀邊坡處于極限穩定狀態（穩定系數K=0.96～1.00）進行反演。2）參考臨近的邊坡，采用工程地質類比法取c=0～10 k Pa、φ=5°～15°；3）取經驗值c=0～15 k Pa、φ=5°～20°。結合上述3種方法，經綜合分析，確定邊坡穩定性分析的物理力學計算參數見表1。

表1　邊坡的物理力學參數

4.1.4穩定性分析計算結果

根據《工程地質手冊》，該順層滑坡的穩定系數采用基于極限平衡理論的折線形滑坡面傳遞系數法計算得到，并結合該滑坡區地形起伏、滑動面的變化、巖性分層、滑坡區堆積體地形、地質及水文特征對計算剖面進行垂直條塊劃分，然后取單位寬度滑體上的一條塊分離體進行極限平衡狀態下靜力分析，自滑坡體上方的第一個條塊開始逐一計算，若所得某一條塊的剩余下滑力為負值，則說明自該條塊以上的滑體是穩定的，并考慮其對下一條塊的推力為零。該順層滑坡穩定系數和剩余下滑力計算結果見表2。

表2　穩定系數和剩余下滑力計算結果

4.2穩定性評價

從穩定性計算結果來看，滑坡在天然狀態下，現狀坡體穩定系數為1.115，剩余下滑力為負值，說明邊坡處于穩定狀態；在暴雨狀態下，現狀坡體已發生淺層滑動，穩定性系數為0.846，處于不穩定狀態。

5 綜合處治

5.1處治方案

（1）A區滑坡處治方案。A區滑坡K83+ 954—K84+020段一級坡設置8 m高路塹墻，第二級坡坡率由1：1.5～1：2漸變，采用拱形骨架植草防護。同時坡頂設置山坡截水溝、增加流水踏步等排水措施，坡頂裂縫采用砂漿進行封閉。

（2）B區滑坡處治方案。B區滑坡K83+808—835段邊坡維持兩級坡設計，第二級坡增設邊坡導水孔。K83+835—852段第一級坡設置8 m路塹墻；第二級坡采用錨桿框架梁植草防護，根據現場情況設置A型急流槽。K83+852—954第一級坡頂（坡體山脊位置）設置18根截面尺寸為3 m×2 m的抗滑樁，坡面采用窗式護面墻植草防護；第二級坡采用錨索框架梁植草防護。

5.2B區滑坡體抗滑樁施工

根據現場樁基地質情況和樁徑大小，采用跳樁2根施工即抗滑樁施工分3批完成，每批完成6根，共3排，水平間距為6 m，樁長分別取18、22、25 m。施工步驟：1）現場平整場地，測量放線，定樁位及高程。2）開挖第一節樁孔土石方，施作支護壁模板，綁扎鋼筋，澆筑第一節護壁及鎖口砼。3）在第一段護壁上二次投測標高及樁位十字軸線，并架設安裝各種運輸、照明及通風等設施。4）開挖吊運第二節樁孔土石方并校核樁孔位置、垂直度和凈寬，先拆第一節模板并施工第二節護壁模板，然后澆筑第二節護壁砼。重復以上步驟，直至施工到設計深度。5）檢查驗收樁孔，在驗收合格后，先吊放鋼筋籠，然后放砼導管，最后澆筑樁身砼。待養護完成后，進行樁身質量檢測（見圖6）。