河谷區(qū)典型斜坡填方路基蠕滑機(jī)理分析與處治

張 曉 峰

(甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030)

1 概述

不同地域斜坡軟弱地基填方工程一般可歸為四種基本類型[1-4]：1)丘間槽谷坡洪積軟土；2)非沉積型斜坡軟弱巖土；3)湖泊相軟土的邊緣地段；4)斜坡上松散堆積體。斜坡軟弱地基具有兩大共性：一是土基表面斜坡向外傾斜一定角度；二是地層土體強(qiáng)度相對(duì)較低，壓縮性相對(duì)較高。一般在斜坡軟弱下臥層上鋪筑路堤時(shí)，易引起路基不均勻沉降、變形，一般情況下變形模式表現(xiàn)為差異性垂直不均勻沉降及水平變形兩種作用兼而有之[5，6]。

2 蠕滑區(qū)地質(zhì)分析

2.1 斜坡軟土填方工程特性

斜坡軟土地基變形明顯向坡腳下方偏大，較低側(cè)坡腳剪應(yīng)變明顯偏大，坡腳塑性區(qū)范圍偏大，當(dāng)原地層坡度大于1∶10時(shí)這些特性更加明顯，這些特性使地基變形破壞的概率大幅提高。斜坡軟弱地基變形性狀受諸多因素影響，其中填土高度、斜坡坡度、軟弱土層彈性模量對(duì)地基變形性狀的影響最大。填土高度增加、斜坡坡度增大、軟弱土層厚度增加、軟弱土層彈性模量減小，斜坡軟弱地基變形明顯增大，地基變形破壞的概率越大，當(dāng)?shù)貙悠露却笥?∶10時(shí)這種效應(yīng)更加明顯。

2.2 病害區(qū)地質(zhì)條件

路基病害區(qū)地處勘察區(qū)西南側(cè)的斜坡，平均坡度22°，上部可達(dá)35°～40°，呈上陡下緩之勢(shì)，具有較大的匯水面積從而為路基的沉降和水平變形提供地形條件。

勘察區(qū)路基填土層下有厚約8 m的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，含水量大，這種軟弱地層為典型的欠固結(jié)、易滑地層，為路基的不均勻沉降、水平變形提供了必要的物質(zhì)基礎(chǔ)。

2.3 水文地質(zhì)條件

該區(qū)域內(nèi)降雨量大，并集中，雨水的下滲，不但降低土體的抗剪強(qiáng)度，還提高路基填土重量，另外該處地下水豐富，補(bǔ)給來(lái)源充足。上覆粉質(zhì)黏土及人工填筑土，空隙較大，為較好的透水層，中風(fēng)化層含炭質(zhì)泥巖、透水性差，為相對(duì)隔水層；強(qiáng)風(fēng)化層風(fēng)化裂隙及節(jié)理裂隙發(fā)育，為相對(duì)的含水層。上覆粉質(zhì)黏土及人工填筑土，空隙較大，為較好的透水層。導(dǎo)致粉質(zhì)黏土長(zhǎng)期過(guò)濕和飽水是路基沉降及滑移形成的誘發(fā)因素。

2.4 地層巖性

該路基地段巖性主要如下：

3 蠕滑區(qū)工程概況

某高速公路K136+200～K136+500處路基形式布設(shè)于河谷側(cè)斜坡處，路基設(shè)計(jì)寬24.5 m，為填方路基，最大填方高度為12 m，是典型的丘間槽谷斜坡填方路基。在路基填方施工完成后，該段填方路基產(chǎn)生了明顯的變形，主要有地面開(kāi)裂、路基不均勻沉降及涵洞開(kāi)裂等三種表現(xiàn)形式。在K136+200～K136+240段填方路基左側(cè)出現(xiàn)橫向拉張裂縫，裂縫總體呈鋸齒狀，長(zhǎng)度約為40 m，寬度約為1 cm～5 cm；在K136+200涵洞洞身開(kāi)裂同時(shí)產(chǎn)生不均勻沉降，涵洞進(jìn)出口均產(chǎn)生變形裂縫；在K136+240附近填方路基坡腳外側(cè)20 m處產(chǎn)生與路基走向近垂直的剪張裂縫，裂縫長(zhǎng)約30 m，寬約2 cm～5 cm；在K136+420～K136+500段填方路基坡腳外側(cè)產(chǎn)生一系列剪張裂縫，裂縫總體呈八字形分布，長(zhǎng)度約為10 m～25 m，寬度約為5 cm～10 cm，為典型的丘間槽谷斜坡填方路基蠕滑變形，現(xiàn)場(chǎng)地貌圖如圖1所示。

4 蠕滑機(jī)理分析

4.1 蠕滑影響因素

區(qū)域內(nèi)降雨量大，并集中，雨水的下滲，不但降低土體的抗剪強(qiáng)度，還提高路基填土重量，另外該處地下水豐富，補(bǔ)給來(lái)源充足。蠕滑區(qū)上覆粉質(zhì)黏土及人工填筑土，空隙較大，為較好的透水層；中風(fēng)化層含炭質(zhì)泥巖、透水性差，為相對(duì)隔水層；強(qiáng)風(fēng)化層風(fēng)化裂隙及節(jié)理裂隙發(fā)育，為相對(duì)的含水層。施工期間7月、8月份區(qū)域內(nèi)降雨量大，并集中，此外該處地下水豐富，水分補(bǔ)給來(lái)源充足。項(xiàng)目施工期間，工區(qū)原始地貌為地表雨水的主要排泄通道，路堤填土完成后，降雨等地表水順填筑土體下滲，而含炭質(zhì)泥巖下浮層透水性差，相對(duì)隔水，最終使得大量雨水存留于下浮層頂面向低洼地段排流。雨水排流過(guò)程中，中分化層長(zhǎng)期被雨水浸泡，加劇土體軟化，隨著時(shí)間的推移，最終土體失穩(wěn)，發(fā)生蠕滑破壞。

4.2 蠕滑力學(xué)機(jī)理分析

滑動(dòng)面識(shí)別和搜索的主要方法包括觀察法、勘探法、深部?jī)x器測(cè)量法、理論分析法和人工智能方法等，該段路基蠕滑滑動(dòng)面主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)鉆探勘察確定。

通過(guò)本次工程地質(zhì)調(diào)繪、勘探，勘察區(qū)路基填土層下有厚約8 m的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，含水量大，這種軟弱地層為典型的欠固結(jié)、易滑地層，為滑動(dòng)面主要成分。

該路段蠕滑為典型的斜坡濕軟地基變形破壞。在發(fā)生的地基層中，存在飽水的塑性粉質(zhì)黏土，而地基中的滑動(dòng)面都通過(guò)這一軟黏土層的底部。根據(jù)鉆孔勘探、路基沉降、地表裂縫可以看出，路基穩(wěn)定性受降雨影響明顯，在大量降雨后，外加路堤填土自重的影響下，填土中產(chǎn)生破裂面，拉應(yīng)力更為明顯，在K136+200～K136+240段填方路基左側(cè)出現(xiàn)橫向拉張裂縫，裂縫總體呈鋸齒狀，長(zhǎng)度約為40 m，寬度約為1 cm～5 cm。填方路基坡腳兩側(cè)也存在剪應(yīng)力集中，這也是在K136+420～K136+500段填方路基坡腳外側(cè)產(chǎn)生一系列八字形分布剪張裂縫的原因。

5 蠕滑穩(wěn)定性分析

路基蠕滑歸根到底取決于路基下滑力與抗滑力之間的大小比對(duì)，當(dāng)抗滑力大于下滑力時(shí)，路基處于穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)抗滑力小于下滑力時(shí)，路基不穩(wěn)定，容易發(fā)生變形、蠕滑甚至大幅滑移。

5.1 計(jì)算分析與評(píng)價(jià)

本次取值在室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上、綜合參考工程區(qū)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)類比綜合確定土體的物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 滑動(dòng)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)推薦值

采用塊體極限平衡法計(jì)算邊坡穩(wěn)定性，通常根據(jù)作用于巖土體中潛在破壞面上塊體沿破壞面的抗剪力與該塊體沿破壞面的剪切力之比，求該塊體的穩(wěn)定性系數(shù)。采用該法既考慮了滑體的力平衡與力矩平衡來(lái)計(jì)算安全系數(shù)，又考慮了土條間的相互作用力，可用于任意滑動(dòng)面。

結(jié)合該邊坡實(shí)際情況，選定K136+240斷面，正常工況，非正常工況Ⅰ(暴雨)與非正常工況Ⅱ(暴雨+地震)三種工況采用塊體極限平衡法穩(wěn)定性驗(yàn)算。根據(jù)工程等級(jí)、變形危害性以及誘發(fā)的各種因素了解程度，剩余下滑力安全系數(shù)取值：現(xiàn)階段天然工況下安全系數(shù)采用1.25，暴雨工況下采用1.15，暴雨+地震(7度)工況下采用1.05，地震重要性系數(shù)取1.3；各工況下邊坡穩(wěn)定系數(shù)以及剩余下滑力如表2所示。

表2 蠕滑穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

以上分析計(jì)算可看出，該斷面邊坡在正常工況下抗滑穩(wěn)定系數(shù)大于1，處于穩(wěn)定狀態(tài)；在非正常工況Ⅰ(暴雨)與非正常工況Ⅱ(暴雨+地震)存在剩余下滑力，這說(shuō)明邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

5.2 具體處置方案

病害處治方案采用抗滑樁+高壓旋噴樁的方案。對(duì)本段路基坡腳采用抗滑樁處理，施工抗滑樁前須對(duì)原邊坡填筑施工平臺(tái)，平臺(tái)寬5 m，壓實(shí)度不小于93%，施工完成后無(wú)需清除反壓土方。

5.2.1 高壓旋噴樁

蠕滑區(qū)上覆粉質(zhì)黏土及人工填筑土，空隙較大，為較好的透水層；中風(fēng)化層含炭質(zhì)泥巖、透水性差，為相對(duì)隔水層；強(qiáng)風(fēng)化層風(fēng)化裂隙及節(jié)理裂隙發(fā)育，為相對(duì)的含水層。這種底層組合下水分極易存留于強(qiáng)風(fēng)化層以及上覆粉質(zhì)黏土層，土體在雨水浸泡下承載力大大下降，這是地基發(fā)生不均勻沉降的主要原因。

因此K136+210～K136+258段路基范圍設(shè)高壓旋噴樁進(jìn)行地基加固，以提升地基承載力，減少不均勻沉降，旋噴樁樁徑60 cm，其鉆孔直徑為75 mm，間距2 m梅花狀布設(shè)樁位，樁長(zhǎng)12 m。

5.2.2 抗滑樁

根據(jù)計(jì)算下滑力及地質(zhì)情況，K136+193～K136+285,K136+420～K136+460段填方邊坡坡腳設(shè)全埋式圓形抗滑樁進(jìn)行支擋，樁徑1.5 m，間距5 m，共28根，樁長(zhǎng)設(shè)15 m～20 m長(zhǎng)，抗滑樁樁頂設(shè)冠。

5.3 穩(wěn)定性分析

為了更加全面的體現(xiàn)經(jīng)治理后路基坡面的穩(wěn)定性，對(duì)處治后坡面再進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，定量分析，客觀比較處治效果。土體參數(shù)同表1，采用塊體極限平衡法，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 蠕滑穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明:1)在沒(méi)有抗滑樁時(shí)，路基僅在天然工況下，穩(wěn)定系數(shù)大于1.0，處于穩(wěn)定狀態(tài)。2)抗滑樁治理后，三種工況下穩(wěn)定系數(shù)都大于1.1，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

6 結(jié)語(yǔ)

1)該病害區(qū)域上覆粉質(zhì)黏土及人 工填筑土，空隙較大，為較好的透水層；下伏地基為中風(fēng)化層含炭質(zhì)泥巖、透水性差，為相對(duì)隔水層；強(qiáng)風(fēng)化層風(fēng)化裂隙及節(jié)理裂隙發(fā)育為相對(duì)含水層。土體在下滲地表水及地下水的浸泡下不斷軟化，強(qiáng)度不斷降低，逐漸形成濕軟地基。

2)該蠕滑區(qū)為填方路基蠕滑，位于具有斜坡的濕軟地基之上，在其坡體自重、地下水位及降雨影響等因素共同作用下產(chǎn)生不均勻沉降、蠕滑，主要表現(xiàn)為地面開(kāi)裂、路基不均勻沉降及涵洞開(kāi)裂。

3)斜坡路基填筑有其特點(diǎn)、難點(diǎn)，特別當(dāng)路段處于河谷地區(qū)時(shí)，成因獨(dú)特、物質(zhì)組成獨(dú)特、工況更加復(fù)雜，極其容易出現(xiàn)地基不均勻沉降、路基失穩(wěn)蠕滑甚至滑坡。治理這類病害除了防護(hù)支擋外，提高路基的承載力也特別重要，本文在分析病害機(jī)理的基礎(chǔ)上采用抗滑樁+高壓旋噴樁的方案可以為同類工程提供一定的經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)，可對(duì)相近工況下病害進(jìn)行針對(duì)性治理，使病害治理安全、經(jīng)濟(jì)，提高公路運(yùn)營(yíng)安全度。