煤系地層陡坡路基失穩機理及處治方案研究

郭 林 陳亞洲

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550081)

煤系地層常指含煤層的地層，其巖性較軟，具有干裂、吸水性強、遇水膨脹軟化等特點，結構易被破壞而喪失強度，在水和其他外應力作用下易形成軟弱帶，填方路基加載后，邊坡極易發生失穩[1-2]。因此，如何分析計算煤系地層上填方路基邊坡穩定性進而有效控制路基路面病害，是道路工程設計人員的工作重點。

以貴州某市政道路K2+740-K2+840段填方路基為依托，對煤系地層陡坡路基邊坡失穩機理進行分析，尋找邊坡處治方案，并通過有限元數值模擬對抗滑樁的治理效果進行評價。

1 工程概況

該填方路基長100 m，填方下部斜坡傾角變化較大(10°～30°)，軸線最大填高20 m，為陡坡路基。項目區位于揚子準地臺黔中腹地，貴陽構造變形區；地層呈背向斜產出，整體傾角變化較大(10°～35°)，項目區地質構造相對較復雜。場區上覆土層為人工填土(Q4me)及第四系殘坡積層(Q4el+dl)黏土，下伏基巖為二疊系上統吳家坪-長興組(P2w+c)粉砂質泥巖夾炭質泥巖，巖土體性質較差。

路基填筑完成后，由于項目區連續降雨，路面出現多處開裂，裂縫最大寬度約4 cm，右側填方邊坡坡腳前緣呈鼓脹狀態。監測數據顯示，裂縫寬度以2～3 mm/d的速度擴張，邊坡處于不穩定狀態。典型工程地質橫斷面圖見圖1。

圖1 K2+780典型地質斷面

2 失穩機理分析

填方邊坡失穩通常可從2個方面進行分析：①填方體自身穩定性不足；②填方原地面以下產生滑移失穩。本段路基采用硬質灰巖進行填筑壓實，坡率為1∶1.5～1∶1.75，自身穩定性可以保證，因此，可以判定為下部的煤系地層產生滑移而導致路面開裂。該填方下部為煤系地層斜坡，強風化層厚度較大，總體為“上部填方體+下部煤系地層”的邊坡模式。下部泥巖和煤層交互沉積，巖性軟弱，孔隙度大，力學參數較差，地表水入滲后極易軟化而喪失強度，對邊坡穩定性十分不利。結合煤系地層巖土體物理力學特征，本段邊坡失穩機理可概括為以下方面。

1) 路基下部斜坡為陡坡，傾角較大。路基下部斜坡傾角為10°～30°，且地面線向右高程持續降低，為填方邊坡滑移失穩提供可能。

2) 煤系地層遇水軟化形成滑帶。煤層及中風化層滲透率低，構成隔水層，雨水下滲后滯留于強-中風化層接觸面，巖土體受雨水長期浸泡后軟化，抗剪強度降低，形成滑帶。

3) 上部填方體堆載及行車荷載。路基分層填筑壓實后，雨水下滲一定程度上提高了填方體容重，加上路基上部的行車荷載，增大了坡體的下滑力。

綜上所述，由于下部中風化巖土體透水性較差構成隔水層，雨水下滲使得巖土體長期浸泡軟化形成滑帶，加之上部填方體容重較大及行車荷載提供了較大的下滑力，路基填方很容易沿滑帶發生滑移破壞。

3 邊坡處治方案

3.1 滑坡推力計算

選取路基滑移主滑方向上的K2+780、K2+820橫斷面，根據參數反演結果，取浸水后滑帶參數為c=21.5 kPa，φ=6°。取安全系數Fst=1.35，土條寬度為1.0 m，按圓弧滑動搜索，采用簡化Bishop法計算剩余下滑力，滑坡推力計算表見表1。

表1 路基典型斷面滑坡推力計算表

根據計算結果，邊坡處于不穩定狀態，K2+780斷面下滑力最大，為1 090.87 kN/m。

3.2 防護設計方案

根據定量計算結果，綜合技術、經濟、安全及工期要求，考慮到抗滑樁具有抗滑能力大、支擋效果好、施工安全等優點[3]，采用處治方案如下：①采用抗滑樁對邊坡進行支擋防護，按抵擋住全部剩余下滑力計算，設置于填方第二級邊坡；②樁間設樁間墻，坡面采用漿砌片石護面墻封閉，輔以截排水系統，對路基進行綜合處理，平面設計圖見圖2。

圖2 邊坡治理平面設計圖

3.2.1抗滑樁

對K2+740-K2+840段右側填方路基二級坡面處，采用截面1.8 m×2.4 m的矩形抗滑樁進行支擋，共設A型、B型2種抗滑樁，長度分別為18，22 m。其中K0+760-K0+800段采用B型抗滑樁，K0+740-K0+760段、K0+800-K0+840段采用A型抗滑樁，以保證樁身伸入潛在滑面一定深度滿足嵌固段長度要求。抗滑樁采用跳槽開挖，由兩側向中間施工，單樁應一次澆筑完成。

3.2.2擋墻

抗滑樁施工后，考慮到土拱效應，樁間截面可擬化為一個由樁、土拱和樁間支擋組成的簡倉側壁，通過計算，樁間下滑力為88.74 kN/m，因此，在抗滑樁樁頂位置設置擋墻，墻高4.5 m，頂寬1.5 m。擋墻能有效地對樁間土體進行支擋，防止土體從樁間滑出，保證樁間填方土體的穩定。由于擋墻底部大多為土層或煤系地層強風化層，遇水軟化作用明顯，對不滿足承載力要求的地基應采用換填級配碎石墊層的方法進行地基處理。

3.2.3漿砌片石護面墻

在路基右側填方第一級邊坡采用漿砌片石護面墻進行坡面防護，設計坡率為1∶1.5。護面墻能有效封閉坡面，防止雨水入滲以及坡面沖刷，一定程度上保證了路基的穩定。

3.2.4路基截排水系統

左側：為了防止雨水從左側低凹處滲入坡體，修筑排水溝、集水井、排水管(暗埋)，匯水通過管涵排出。

右側：對右側填方邊坡進行坡面封閉，并設平臺排水溝，將坡面匯聚的水排出路基范圍內。

4 治理效果分析

根據以上分析，確定了以抗滑樁支擋為主體的邊坡處治方案，抗滑樁按抵擋住全部邊坡推力計算。采用Geo-Studio軟件，建立二維有限元數值模型，對抗滑樁的治理效果進行評價。

4.1 模型建立

結合Geo-Studio軟件，以K2+780斷面建立邊坡模型，假定邊坡巖土體應力、應變之間的本構關系為彈塑性，巖土體破壞服從摩爾-庫侖準則[4]，邊坡左側、右側及底部均設定為固定邊界。模型全局采用1.5 m間距進行網格劃分，共計1 929個節點，1 898個單元，坡面及以下一定范圍內進行加密，邊坡模型見圖3。綜合地勘報告及參數反演結果，各層巖土體物理力學參數見表2。

圖3 K2+780截面邊坡模型

表2 巖土體物理力學參數

4.2 治理效果評價

視抗滑樁為剛體，材料模型為線彈性，建立有限元數值模型，通過對抗滑樁加固前后邊坡位移及穩定性系數進行對比，對抗滑樁的支擋效果進行評價。

4.2.1邊坡總位移

利用Geo-Studio軟件sigma/w模塊，取最大迭代次數為2 000，位移標準值允許值取1%，采用平衡方程求解，對抗滑樁加固前后邊坡總位移進行數值模擬，位移云圖見圖4。

圖4 邊坡總位移云圖(單位：m)

由圖4可見，加固前邊坡總位移最高可達2 m，位于右側路基邊緣位置，邊坡處于不穩定狀態；采用抗滑樁加固后，以抗滑樁為界，位移等勢線發生明顯改變，坡體內位移最大值降至5.5 cm，得到了有效控制。

4.2.2穩定性系數

利用Geo-studio軟件slope/w模塊，設土條數為30，取最大迭代次數為2 000，對抗滑樁加固前后邊坡穩定性進行計算。

由穩定性計算可知，加固前邊坡穩定性系數為0.97，自路基左側剪入，自坡腳右側剪出，邊坡整體可能發生類圓弧滑動，處于不穩定狀態；采用抗滑樁加固后，穩定性系數升至1.687，滑面位于第一級邊坡，滑深較淺，邊坡處于穩定狀態。

5 結論

1) “上部填方體+下部煤系地層”是貴州地區常見的陡坡路基邊坡破壞模式，雨水入滲條件下煤系地層遇水迅速軟化，結構強度大大降低形成滑帶，加之上部填方體及行車荷載提供了較大的下滑力，路基填方很容易沿下部滑帶發生滑移破壞。

2) 根據煤系地層陡坡填方路基失穩機理，結合定量計算，采用了以抗滑樁支擋為主體的邊坡處治方案，樁間設樁間墻，坡面采用漿砌片石護面墻封閉，輔以截排水系統，對邊坡進行綜合處理。

3) 根據數值模擬結果，采用抗滑樁對邊坡進行支擋后，邊坡內部位移得到有效控制，最大值由2.0 m降至5.5 cm，穩定性系數由0.97升至1.687，邊坡整體處于穩定狀態。