潮惠高速公路路塹邊坡滑坡分析與治理

嚴(yán) 捷

(廣東晶通公路工程建設(shè)集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510635)

邊坡分析的重點(diǎn)是獲得失穩(wěn)邊坡的正確破壞形式，并對其進(jìn)行合理的處治。起初，人們大都在實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用工程類比法進(jìn)行判定，分析和評價(jià)邊坡穩(wěn)定性。該方法對邊坡失穩(wěn)的判定精度較低，存在著局限性；其類比的條件因地而異，存在著主觀性。經(jīng)過長期的研究，邊坡穩(wěn)定性分析方法有極限平衡法和強(qiáng)度折減法等多種方法。隨著有限元數(shù)值方法在邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用，對強(qiáng)度折減法的研究也日益深入，許多學(xué)者們對其做了大量的研究。肖銳鏵[1-3]等人利用強(qiáng)度折減法，對非勻質(zhì)邊坡、多級邊坡進(jìn)行了分析，對非勻質(zhì)邊坡的不同土層結(jié)合情況進(jìn)行了強(qiáng)度折減，得到各級的滑動面。薛雷[4]等人用兩層土層模型，通過改變上、下土層的粘聚比，發(fā)現(xiàn)不同粘聚比下整體折減和局部折減的適用性。楊光華[5]等人利用折減不同區(qū)域土體，得到局部土體的滑動面。強(qiáng)度折減法具有計(jì)算方便和模型簡單等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用[6-8]。

本研究擬利用強(qiáng)度折減法，對廣東省潮州至惠州高速公路中TJ8合同段K104+247～K104+396段的路塹高邊坡滑坡機(jī)理進(jìn)行分析，得到多層土體路塹邊坡的滑動面和穩(wěn)定性系數(shù)。針對該地區(qū)邊坡的滑坡原因和類型，采用卸載結(jié)合錨桿加固的措施，對該邊坡進(jìn)行處治，為潮惠地區(qū)同類型邊坡的滑坡處理提供參考。

1 工程概況

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，公路線路區(qū)域內(nèi)地層以沉積巖和巖漿巖為主。沉積巖的巖性為頁巖、砂巖和泥巖；巖漿巖體的巖性為燕山早期花崗巖和零星分布的喜山期輝綠巖。根據(jù)設(shè)計(jì)圖、區(qū)域地質(zhì)資料及工程地質(zhì)調(diào)查成果，其中，有一條斷裂(F1船埔頭斷裂)相交于該標(biāo)段K109+500附近，角度近90°，但未發(fā)現(xiàn)地層被錯(cuò)動移位現(xiàn)象，該斷裂屬非全新活動斷裂，場地地殼較為穩(wěn)定。該滑坡區(qū)K104+247～K104+396段左側(cè)深挖路塹立面設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 深挖路塹立面設(shè)計(jì)(單位：m)Fig.1 Layout plans for the deep excavation of cut facades(unit:m)

該標(biāo)段區(qū)域?qū)贇埱鹋_地，道路的大部分區(qū)域主要通過坡麓地帶，地形起伏大，邊坡高度在40～182 m左右，坡度20°～45°，從上至下土層可分為上覆地層為粉質(zhì)粘土、中層強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖及最下層的中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，K104+247～K104+396段邊坡典型地質(zhì)橫剖面如圖2所示。

圖2 邊坡典型地質(zhì)橫剖面Fig.2 Typical geological profile of slopes

2 滑坡原因與分析

滑坡山體中上層粉質(zhì)粘土的厚度約為8 m，且山體的滑動帶巖層為遇水會出現(xiàn)軟化的泥質(zhì)粉砂巖構(gòu)成。由于構(gòu)成滑動帶中層巖層的強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖的節(jié)理發(fā)育異常，因此，雨水可由其內(nèi)部的節(jié)理裂隙自由進(jìn)出。對山體進(jìn)行開挖時(shí)，邊坡面的受力遭受破壞，上層粉質(zhì)粘土被去掉了，地表水更易通過已破壞的巖體滲透到滑動帶，使滑動帶巖體的抗剪強(qiáng)度降低、位移增加，并形成蠕滑。邊坡的蠕滑使邊坡上層土體出現(xiàn)沉降和滑動。當(dāng)滑動帶巖體的抗剪強(qiáng)度進(jìn)一步衰減時(shí)，邊坡巖體出現(xiàn)了一條寬 30～50 cm 的貫通拉裂縫。雨水從坡頂拉裂縫入滲到巖體中，大量地表水聚集在軟弱滑動帶，形成一定的靜水壓力和上浮力，使得滑動帶的抗剪強(qiáng)度急劇下降、邊坡滑動速率增加。表明：邊坡發(fā)生滑坡是由內(nèi)部滑動帶和發(fā)育節(jié)理以及開挖時(shí)破壞了山體原有的平衡狀態(tài)造成的。

3 邊坡計(jì)算與分析

3.1 邊坡計(jì)算剖面的選取

根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D30-2015)》，選定抗滑安全系數(shù)為 1.25～1.30。

根據(jù)滑坡地形圖，在發(fā)生滑坡的邊坡區(qū)域，選擇了6 個(gè)斷面進(jìn)行計(jì)算。選取K104+300典型斷面進(jìn)行了分析。該斷面高約40 m，從上至下可分為3層土體：上層粉質(zhì)粘土平均深度6 m，最大深度為8 m；中層強(qiáng)分化泥質(zhì)粉砂巖厚度約16 m；最底層為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。本研究將該邊坡簡化為二維平面來考慮其穩(wěn)定性。結(jié)合Mohr-Coulomb模型和線彈性模型來賦予邊坡土體材料屬性，運(yùn)用非關(guān)聯(lián)的流動法則進(jìn)行分析。選擇自由劃分技術(shù)對網(wǎng)格進(jìn)行劃分，單元類型選為4節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元。邊坡巖土參數(shù)見表1。

表1 邊坡巖土參數(shù)Table 1 Geotechnical parameters of the slope

3.2 結(jié)果與分析

采取局部場變量強(qiáng)度折減法，對選取的邊坡進(jìn)行計(jì)算。其基本原理是將邊坡土體中的參數(shù)粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ進(jìn)行折減，得到一組折減后的cm和φm，然后再將折減后的cm和φm代入模型進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)計(jì)算至邊坡達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)，對應(yīng)的折減系數(shù)就是邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)。其計(jì)算式為：

cm=fc。

(1)

tanφm=ftanφ。

(2)

式中：f為折減系數(shù)；c和cm分別為折減前、后的粘聚力；φ和φm分別為折減前、后的內(nèi)摩擦角。

滑坡計(jì)算結(jié)果如圖3所示。在邊坡分析中，將邊坡整體劃分為3個(gè)區(qū)域，即粉質(zhì)粘土層、強(qiáng)風(fēng)化層及中風(fēng)化層。其局部組合分為邊坡整體、粉質(zhì)粘土層、強(qiáng)風(fēng)化層、中風(fēng)化層、粉質(zhì)粘土層和強(qiáng)風(fēng)化層組合及強(qiáng)風(fēng)化層和中風(fēng)化層組6種組合方式。參照監(jiān)測數(shù)據(jù)，本研究選取邊坡整體強(qiáng)度折減對邊坡進(jìn)行了分析。從圖3(a)中可以看到該模型各部位的尺寸，得到穩(wěn)定性系數(shù)(1.1)。采用Slide軟件，由簡化Bishop條分法計(jì)算得到該邊坡穩(wěn)定性系數(shù)(1.13)。2種方法對比可知：利用局部場變量強(qiáng)度折減法得到的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)(1.1)是合理的。從圖3(b)中可以看到用強(qiáng)度折減法模擬得到的滑動面。從圖3(c)中可以看出，邊坡水平(X方向)位移大多位于78～193 mm之間，最大位移為193 mm；從圖3(d)中可以看出，垂直(Y方向)位移中的最大位移為-406 mm。

圖3 滑坡計(jì)算結(jié)果Fig.3 The result of the landslide calculation

4 滑坡治理方案選取

由式(1)，(2)計(jì)算可知，若不采用任何加固措施，邊坡會出現(xiàn)一定的滑移，以致發(fā)生破壞。由工程地質(zhì)情況可知，邊坡的山體由泥質(zhì)粉砂巖構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差。因此，對該區(qū)段由下至上，將邊坡坡面依次由第一級至第五級坡度由原先的1∶1均改為為1∶1.25，坡高均為8 m，第一、二級平臺為10 m，其他平臺為2 m，該區(qū)段削坡總體積為11 872.26 m3。在第一、二級邊坡坡面，每間隔3 m修建一縱向排水溝，且在底部用漿砌塊石修建寬3.0 m、埋深 2.0 m的護(hù)墻。利用細(xì)碎石和混凝土對坡頂?shù)膹埩芽p進(jìn)行填封，再在填充的混凝土上蓋2層土工布進(jìn)行防水并覆蓋上夯實(shí)的土層。對于第三至第五級邊坡坡面，需在網(wǎng)格內(nèi)植草或植樹，以便對上部土體進(jìn)行保護(hù)。對第一、二級邊坡進(jìn)行長錨桿加固(錨桿間距3 m)，并在其坡面澆注尺寸為 10 m×10 m×0.4 m的C30鋼筋混凝土板，兩板結(jié)合處需預(yù)留伸縮縫，其中，混凝土所用鋼筋為φ10Ⅱ級，鋼筋網(wǎng)格尺寸為 0.3 m×0.3 m，保護(hù)層 0.1 m。每級施加3根長16.3 m的錨桿 ，錨桿孔徑為 80 mm，孔洞垂直于坡面，具體設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 滑坡部分治理措施(單位：m)Fig.4 Control measures for landslides(unit:m)

按初步治理方案進(jìn)行削坡和加固后，再進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：邊坡的穩(wěn)定性會大幅增加，穩(wěn)定性系數(shù)增至1.5～1.6。經(jīng)過治理后，邊坡的巖體受力狀態(tài)得到了改善；滑坡產(chǎn)生的裂縫被封堵，并在拱形骨架內(nèi)植草，能對邊坡進(jìn)行很好的保護(hù)，地表水也不能入滲到軟弱滑動帶；采用錨桿加固的方式，對第一、二級坡面進(jìn)行護(hù)坡，并在坡面修建排水暗溝，能順暢地排出滑動帶內(nèi)的滯水，使邊坡巖體的抗剪性能保持穩(wěn)定。

5 結(jié)論

本研究利用有限元分析軟件ABAQUS并結(jié)合強(qiáng)度折減法，對潮惠高速公路K104+247～K104+396段的路塹高邊坡滑坡機(jī)理進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，得到的結(jié)論為：

1) 構(gòu)成山體滑坡的內(nèi)因是由于該段山體滑動帶的中層巖層的強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖的節(jié)理發(fā)育異常，并且該段路塹開挖后，地表水沿節(jié)理裂隙入滲到軟弱巖層，使軟巖的抗剪強(qiáng)度下降，從而誘發(fā)了該路塹邊坡滑動。

2) 邊坡在加固前、后的穩(wěn)定系數(shù)和變形發(fā)生較為顯著的變化。研究結(jié)果表明：采取合理的加固治理措施后，其穩(wěn)定性會顯著地提高，邊坡的安全系數(shù)會增加，位移會明顯地減小。

3) 邊坡治理時(shí)，僅采用卸載的方式并不能很好地提高邊坡的穩(wěn)定性，還需結(jié)合其他加固措施。同時(shí)，需修建必要的排水和防水措施，才能夠保證邊坡的長期穩(wěn)定。

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