貴州山區(qū)路塹邊坡失穩(wěn)機(jī)理與處治對(duì)策

王曙光 陳亞洲

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽(yáng) 550081)

貴州省地處西南腹地，地質(zhì)條件十分復(fù)雜，是我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害最為嚴(yán)重的地區(qū)之一，隨著近些年貴州交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的逐漸加快，邊坡失穩(wěn)所引起的道路安全問(wèn)題日益突出。貴州具有山嶺深谷分布廣泛的地形特點(diǎn)，道路修建常采用路塹挖方的形式，加之西南山區(qū)普遍降雨量較大，處治不當(dāng)易誘發(fā)較嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害[1]。因此，分析不同類(lèi)型邊坡破壞模式并采取相應(yīng)的防治措施，是貴州地區(qū)邊坡工程設(shè)計(jì)人員的工作重點(diǎn)。

本文以貴州省貴陽(yáng)市某市政道路為依托，總結(jié)了貴州地區(qū)較為常見(jiàn)且風(fēng)險(xiǎn)較大的四類(lèi)路塹邊坡類(lèi)型，通過(guò)對(duì)相應(yīng)邊坡的變形破壞機(jī)理進(jìn)行分析，提出對(duì)應(yīng)的邊坡處治對(duì)策。

1 工程地質(zhì)概況

項(xiàng)目區(qū)位于貴州高原中部，地形起伏不大，屬云貴高原溶蝕-侵蝕型低中山和高原溶丘洼地地貌，項(xiàng)目區(qū)位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)黔中腹地，貴陽(yáng)構(gòu)造變形區(qū)；地層總體呈單斜產(chǎn)出，傾東向，傾角較緩，一般在5°～24°間，項(xiàng)目區(qū)內(nèi)無(wú)活動(dòng)斷裂通過(guò)，場(chǎng)地整體穩(wěn)定。

貴州山區(qū)地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，巖石出露以沉積巖為主，項(xiàng)目沿線(xiàn)主要出露地層有第四系(Q)、三疊系下統(tǒng)安順組(T1a)、谷腳組(T1g)、大冶組(T1d)等，上覆土層主要為填土、紅黏土，下伏基巖主要以白云巖、灰?guī)r等碳酸鹽巖為主。白云巖、灰?guī)r均為可溶巖，項(xiàng)目沿線(xiàn)主要不良地質(zhì)為溶洞，多處發(fā)育有溶槽。

2 邊坡類(lèi)型及失穩(wěn)機(jī)理

通過(guò)對(duì)項(xiàng)目區(qū)沿線(xiàn)的路塹邊坡進(jìn)行調(diào)研，結(jié)合貴州省各縣市區(qū)域地質(zhì)資料，將貴州山區(qū)存在的安全隱患較大的路塹邊坡分為四類(lèi)，即土質(zhì)邊坡、順層巖質(zhì)邊坡、巖土混合邊坡(溶槽發(fā)育)，以及超高邊坡。下面根據(jù)項(xiàng)目實(shí)例，對(duì)該四類(lèi)邊坡的失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行分析。

2.1 土質(zhì)邊坡

土質(zhì)邊坡常指由坡積土、沉積巖和變質(zhì)巖風(fēng)化形成的殘積土組成的邊坡[2]，挖高常在20 m以下。貴州地區(qū)紅黏土分布廣泛，具有高天然含水量、高液、塑限、高孔隙比、低密度、干縮開(kāi)裂等特點(diǎn)[3]，常為土質(zhì)邊坡的重要組成部分，如K1+280右側(cè)邊坡。該邊坡為二級(jí)土質(zhì)邊坡，上覆紅黏土最高約17 m，設(shè)計(jì)坡率按1∶1開(kāi)挖，邊坡橫斷面示意見(jiàn)圖1。

圖1 K1+280右側(cè)土質(zhì)邊坡

該類(lèi)邊坡的失穩(wěn)機(jī)理為：邊坡按設(shè)計(jì)坡率進(jìn)行開(kāi)挖后，強(qiáng)降雨作用下地表水入滲使土體內(nèi)摩擦角和黏聚力降低，同時(shí)降雨使得潛在滑面上部土體產(chǎn)生增重效應(yīng)，導(dǎo)致邊坡沿潛在滑動(dòng)面所受到的抗滑力小于下滑力，達(dá)到臨界值后邊坡沿滑面發(fā)生圓弧形滑動(dòng)，自坡頂后緣剪入，自坡腳剪出。

2.2 順層巖質(zhì)邊坡

順層巖質(zhì)邊坡常指巖層層面與坡面傾向相同(或相近)且傾角小于設(shè)計(jì)坡率的巖質(zhì)邊坡，層面常為軟弱結(jié)構(gòu)面且抗剪強(qiáng)度較低。貴州地區(qū)巖層出露多為沉積巖，整體穩(wěn)定性常受巖土體強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與強(qiáng)度控制，如K4+040左側(cè)邊坡。該邊坡為五級(jí)順層巖質(zhì)邊坡，上覆土層為紅黏土，下伏基巖為三疊系下統(tǒng)谷腳組灰?guī)r，坡面走向?yàn)?35°，巖層產(chǎn)狀為115°∠12°，結(jié)構(gòu)面參數(shù)為黏聚力c=30°，內(nèi)摩擦角φ=11°，為軟弱結(jié)構(gòu)面，其邊坡橫斷面示意見(jiàn)圖2。

圖2 K4+040左側(cè)順層巖質(zhì)邊坡

該類(lèi)邊坡的失穩(wěn)機(jī)理為：坡體中存在與設(shè)計(jì)開(kāi)挖坡面同向(或相近)且傾角小于設(shè)計(jì)坡率的軟弱結(jié)構(gòu)面，坡體開(kāi)挖導(dǎo)致軟弱結(jié)構(gòu)面臨空，被結(jié)構(gòu)面切割的塊體在重力作用下產(chǎn)生沿結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)趨勢(shì)，塊體與坡體后緣產(chǎn)生拉裂縫，雨水沿裂縫下滲導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面參數(shù)進(jìn)一步降低，塊體沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生平面滑動(dòng)。

2.3 土石混合邊坡

土石混合邊坡常指上部為土體、下部為巖體的邊坡，在貴州地區(qū)又常見(jiàn)為坡體前部為土體、后緣為巖體的邊坡。貴州地區(qū)灰?guī)r、白云巖等可溶巖分布廣泛，溶槽發(fā)育且為黏土充填，邊坡開(kāi)挖時(shí)坡面常有溶槽揭露，如K5+580右側(cè)邊坡。該邊坡高約22.2 m，溶槽發(fā)育，下伏基巖為三疊系下統(tǒng)谷腳組灰?guī)r，邊坡橫斷面圖見(jiàn)圖3。該類(lèi)邊坡的失穩(wěn)機(jī)理與土質(zhì)邊坡相似，可總結(jié)為：邊坡開(kāi)挖后，雨水入滲至坡體內(nèi)部，一方面增大了土體容重，另一方面可入滲至土巖分界線(xiàn)使得潛在滑移面抗剪強(qiáng)度參數(shù)降低，坡體達(dá)到臨界狀態(tài)后可能發(fā)生圓弧形滑動(dòng)，也可能沿土巖分界線(xiàn)自坡體下部剪出。

圖3 K5+580右側(cè)土石混合邊坡

2.4 超高邊坡

超高邊坡一般為巖質(zhì)邊坡，本文指坡高超過(guò)70 m的巖質(zhì)邊坡。受地形限制，貴州地區(qū)道路建設(shè)中出現(xiàn)大量的深路塹邊坡，常為切向坡或反向坡(順向超高邊坡一般按隧道處理)，安全隱患較大，如K10+580段右側(cè)邊坡。該邊坡高約86.0 m，為反向巖質(zhì)邊坡，下伏基巖為三疊系下統(tǒng)安順組泥質(zhì)白云巖，層面結(jié)合較差，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，邊坡橫斷面圖見(jiàn)圖4。

圖4 K10+580右側(cè)超高巖質(zhì)邊坡

該類(lèi)邊坡的失穩(wěn)機(jī)理為：高邊坡開(kāi)挖形成過(guò)程中，坡體內(nèi)部應(yīng)力重分布較為明顯，原有的平衡狀態(tài)被打破，應(yīng)力向坡面集中，使得坡體局部變形量逐漸累積，產(chǎn)生塑性屈服；加之貴州山區(qū)巖體普遍較為破碎，節(jié)理發(fā)育，邊坡常被3組甚至更多結(jié)構(gòu)面切割為大小各異的塊體，雨水在裂隙中匯聚也產(chǎn)生了一定的靜水壓力，使得該類(lèi)巖質(zhì)高邊坡常發(fā)生屈服-崩塌破壞。

3 邊坡處治對(duì)策

綜合以上分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，貴州山區(qū)道路建設(shè)中常出現(xiàn)的邊坡破壞模式可總結(jié)為四類(lèi)：圓弧形滑動(dòng)、沿層面平面滑動(dòng)、沿土巖分界線(xiàn)折線(xiàn)滑動(dòng)、巖體屈服-崩塌。貴州山區(qū)降雨量大，雨水入滲常是導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的直接誘導(dǎo)因素。因此，結(jié)合各類(lèi)邊坡的失穩(wěn)機(jī)理，從邊坡防護(hù)和截排水措施2個(gè)方面討論邊坡處治對(duì)策。

3.1 邊坡防護(hù)

3.1.1圓弧形滑動(dòng)

此類(lèi)變形破壞模式常發(fā)生于土質(zhì)邊坡與土石混合邊坡中。圓弧形滑動(dòng)滑面通常較深，工程上可采取以下措施進(jìn)行邊坡防護(hù)：①放緩坡率。土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)較小，自穩(wěn)性較差，應(yīng)在工程允許范圍內(nèi)盡量放緩坡率，減少滑面上部土體容重；②格構(gòu)錨桿(索)。根據(jù)滑面深度，可選擇錨桿(索)進(jìn)行坡面防護(hù)，長(zhǎng)度應(yīng)超出滑面一定深度以保證錨固強(qiáng)度；③路塹墻。當(dāng)邊坡受紅線(xiàn)限制需要收坡時(shí)，可采用路塹墻(坡率1∶0.25)進(jìn)行支擋防護(hù)，下滑力過(guò)大時(shí)可采用抗滑樁。

3.1.2沿層面平面滑動(dòng)

此類(lèi)變形破壞模式常發(fā)生于順層巖質(zhì)邊坡中，層面為軟弱結(jié)構(gòu)面。工程上可采取以下措施進(jìn)行邊坡防護(hù)：①沿層面放坡開(kāi)挖。當(dāng)考慮道路全線(xiàn)填挖平衡或工程紅線(xiàn)允許時(shí)，可沿層面對(duì)邊坡進(jìn)行放坡開(kāi)挖，清除潛在滑體；②抗滑樁+格構(gòu)錨索。當(dāng)邊坡無(wú)放坡空間，應(yīng)在坡腳設(shè)抗滑樁進(jìn)行支擋，上部設(shè)格構(gòu)錨索進(jìn)行預(yù)加固，由于邊坡可能沿層面發(fā)生多級(jí)滑動(dòng)，應(yīng)根據(jù)分級(jí)下滑力計(jì)算結(jié)果確定錨索排數(shù)及預(yù)應(yīng)力大小，必要時(shí)可設(shè)雙排樁。

3.1.3沿土巖分界線(xiàn)折線(xiàn)滑動(dòng)

此類(lèi)變形破壞模式常發(fā)生于土石混合邊坡中，所采用的防護(hù)措施與圓弧形滑動(dòng)模式相似，可總結(jié)為：①土質(zhì)部分。應(yīng)盡量放緩坡率，采用擋墻+格構(gòu)錨桿(索)進(jìn)行坡面防護(hù)；②巖質(zhì)部分。坡面較完整時(shí)可采用灌木護(hù)坡掛網(wǎng)進(jìn)行綠化防護(hù)，坡面較破碎時(shí)可采用“錨桿掛網(wǎng)噴射混凝土+碼砌植生袋”或格構(gòu)錨桿植草進(jìn)行坡面防護(hù)。

3.1.4巖體屈服-崩塌

此類(lèi)變形破壞模式常發(fā)生于巖質(zhì)高邊坡中，工程上可采取以下措施進(jìn)行邊坡防護(hù)：①卸荷寬平臺(tái)。由于高邊坡應(yīng)力集中效應(yīng)比較明顯，宜在坡體中部設(shè)置寬平臺(tái)；②被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)。考慮到邊坡高度較高，局部掉塊危險(xiǎn)隱患較大，宜在寬平臺(tái)處增設(shè)被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)攔截碎石掉塊；③格構(gòu)錨索(桿)。巖質(zhì)高邊坡防護(hù)應(yīng)體現(xiàn)“強(qiáng)腰固腳”的原則，于坡體中部及坡腳處采用預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)邊坡進(jìn)行加固處理，輔以格構(gòu)錨桿對(duì)邊坡進(jìn)行防護(hù)。

3.2 邊坡截排水系統(tǒng)

水是影響道路邊坡及公路使用壽命的重要因素，往往是引起各類(lèi)邊坡失穩(wěn)的直接原因[4]。

3.2.1邊坡截水

地表截水最常見(jiàn)的措施為設(shè)置截水溝，可采用漿砌片塊石的形式砌筑于坡頂后緣，用來(lái)攔截流向坡面的水。對(duì)于多節(jié)理裂隙或溶洞發(fā)育的邊坡，也可以采用灌漿充填的方式來(lái)阻斷水的入滲路徑。

3.2.2邊坡排水

邊坡排水主要是將邊坡內(nèi)部的地下水及匯聚的地表水排出路基范圍內(nèi)，以保證坡體穩(wěn)定。挖方邊坡排水系統(tǒng)主要由截水溝、平臺(tái)溝及邊溝組成，坡面較陡時(shí)應(yīng)設(shè)急流槽，以保證排水暢通，邊坡排水系統(tǒng)示意見(jiàn)圖5。當(dāng)坡面采用擋墻或掛網(wǎng)噴射混凝土等對(duì)坡面進(jìn)行封閉防護(hù)時(shí)，應(yīng)設(shè)泄水孔以排出滲入坡體內(nèi)部的水，一般間距為2～3 m，梅花形布設(shè)，坡體局部滲水嚴(yán)重時(shí)應(yīng)加密。

圖5 路塹邊坡截排水系統(tǒng)

3.3 邊坡支護(hù)實(shí)例

根據(jù)前文分析，對(duì)可能產(chǎn)生不同破壞形式的邊坡采用相應(yīng)的處置方法，其處置方式如下所述。

1) 針對(duì)K1+280右側(cè)邊坡等紅黏土邊坡，可能發(fā)生圓弧滑動(dòng)，且具有放坡空間，故采用放緩坡率、坡面綠化及排水相結(jié)合方式進(jìn)行處置。

2) 針對(duì)K4+040左側(cè)邊坡等順層邊坡，采用順層清方或抗滑樁進(jìn)行支擋，并加強(qiáng)排水。

3) 針對(duì)K5+580右側(cè)邊坡等土石混合邊坡，采用放緩坡率及錨桿防護(hù)等方式進(jìn)行處理。

4) 針對(duì)K10+580段右側(cè)等超高邊坡，采用寬平臺(tái)及錨索(桿)等方式進(jìn)行處置。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證，支護(hù)方案取得了較好的效果。

4 結(jié)論

1) 貴州山區(qū)地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，巖石出露以沉積巖為主，可溶巖分布廣泛，巖溶發(fā)育。根據(jù)貴州山區(qū)工程邊坡的特點(diǎn)，將常見(jiàn)的安全隱患較大的路塹邊坡分為四類(lèi)，即土質(zhì)邊坡、順層巖質(zhì)邊坡、巖土混合邊坡(溶槽發(fā)育)及超高邊坡。

2) 對(duì)貴州山區(qū)常見(jiàn)的四類(lèi)邊坡失穩(wěn)機(jī)理分析，主要破壞形式為圓弧形滑動(dòng)、沿層面平面滑動(dòng)、沿土巖分界線(xiàn)折線(xiàn)滑動(dòng)、巖體屈服-崩塌，可采用放緩坡率、抗滑樁、格構(gòu)錨桿(索)、擋墻等形式對(duì)邊坡進(jìn)行防護(hù)，在實(shí)際工程建設(shè)中取得了較好的效果。

3) 雨水入滲常是導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的直接誘導(dǎo)因素，可采用截水溝、平臺(tái)溝、邊溝、急流槽等將坡面匯聚的水排出坡體范圍內(nèi)，對(duì)坡面采用封閉防護(hù)時(shí)應(yīng)設(shè)泄水孔以排出坡體內(nèi)部地下水。