抗滑樁和擋土墻聯合支護下公路邊坡變形破壞機理分析

趙甜，王凱

（河南省交通規劃設計研究院股份有限公司，鄭州450000）

1 引言

隨著我國交通事業的高速發展，高速公路成為重要的交通設施之一，因此，對既有高速公路進行相應的邊坡加固與防護變得極為重要[1]。高邊坡是重要的事故隱患點之一，各方已對高邊坡加固及防護措施進行了深入研究，力求將其危害程度降到最低。

重力式擋土墻因其施工簡單、穩定性好等優點被廣泛應用于工程中[2]。而將抗滑樁嵌入基巖，可通過嵌固段基巖的作用使抗滑樁處于穩定狀態，并將滑坡推力傳遞至穩定地層，起到加固路基邊坡的作用[3]。擋土墻和抗滑樁是2種主要的支擋結構，在礦山、鐵路、公路和水利等領域得到了廣泛應用。國內外諸多學者通過模型試驗和數值模擬的方法，對擋土墻和抗滑樁加固邊坡的作用機理進行了分析研究，并分別對其優化設計進行了詳細研究[4，5]。然而，針對抗滑樁-擋土墻聯合支擋結構的研究較少[6]，尤其是在這種聯合支護結構的作用下，邊坡的變形破壞機理還有待進一步研究。本文以洛陽至盧氏高速公路某收費站滑坡為例，研究了抗滑樁與擋土墻協同作用下多級高邊坡的變形破壞特征，希望能為類似工程提供參考。

2 工程項目概況

洛陽至盧氏高速公路某收費站滑坡工程位于互通E匝道收費大棚東側，收費大棚中心里程樁號為EK0+200。滑坡起止里程為EK0+060～EK0+500，長440 m，中線處最大挖深28 m，山頂至路面最大高差約110 m。

2.1 工程地質背景

2.1.1 地形地貌

工程區屬侵蝕低山地貌區，地形起伏較大，切割強烈。邊坡所在山體為3條平行山脊間的1條，收費站及E匝道（EK0+070～EK0+330）位于該山脊前緣中部位置，開挖后的收費站位于路塹位置，滑坡體位于收費站東北側。滑體區地形高差較大，山勢較陡，自然坡度為18°～40°，上陡下緩，收費大棚開挖處的自然邊坡約15°。圖1為邊坡開挖前的地形地貌。

圖1 原始地形地貌

收費站及匝道修建后，對匝道左側邊坡進行了開挖及放坡施工。共設有八級邊坡、七級平臺，坡腳至四級平臺設置了施工便道。放坡開挖后，2條主要沖溝明顯消失，擋墻頂部為一級平臺，擋土墻底部至八級邊坡頂部高約80 m。邊坡全貌如圖2所示。

圖2 邊坡全貌

2.1.2 地層巖性

地層巖性主要為表層的第四系全新統填土（Q4ml），第四系中更新統坡積土（Q2dl），以紅褐色硬塑-堅硬狀粉質黏土和結核層為主，下伏下元古界（Pt1）強風化安山巖。

2.1.3 水文地質條件

收費站西約100 m范圍內有洛河支流——杜河通過，為原沖溝的排泄終點，勘察期間，杜河內見水流，寬度為0.5~1 m，水深0.1~0.3 m。地下水為第四系上層滯水和潛水，主要由大氣降水和附近坡體降水匯集補給，以坡表徑流、坡體滲流及蒸發為主要的排泄方式。

2.2 邊坡原支護措施

原支護措施采用抗滑樁和擋土墻聯合支護的方式對邊坡進行加固。首先，在坡腳修建重力式擋土墻，高約9 m，在擋土墻內布置仰斜式排水孔，其水平和豎向間距均為2 m。擋土墻修建完成后，在第四級平臺處設置1排抗滑樁，樁長22 m，截面尺寸為1.5 m×2.0 m，并且在相鄰抗滑樁之間設置擋板，以阻止樁后土體從樁間擠出。

3 邊坡變形破壞特征及失穩機理

3.1 邊坡變形破壞特征

滑坡體前緣土體堆積厚度較大，高出擋墻頂部約3～5 m，堆積體松散，坡腳墻擠壓側傾，平臺排水溝遭到擠壓而破壞。滑坡平面示意圖如圖3所示，滑體坡面發育大量裂縫。滑體形態上呈扇形，前緣位于擋土墻頂部堆積體，滑體底部寬度為252 m，具有多個后緣裂縫，最大后緣張拉裂縫位置在7級平臺處。滑坡體水平長度為175 m，厚度為9～30 m，體積約為7.563×105m3，屬中型滑坡。滑坡具有多級多層滑動體，最大滑動體的滑動方向為后緣張拉裂縫與前緣剪出口的法線方向，西偏南約18°，沿坡臨空面垂直于路面。

圖3 滑坡工程地質平面圖

滑坡體具有多條水平裂縫，各級擋土墻及排水溝見多個變形破壞部位。邊坡變形破壞形態，從下到上依次為：（1）二級平臺排水溝出現貫通的水平向裂縫，排水溝出現側向位移；（2）三級平臺擋土墻出現明顯剪切破壞裂縫，部分擋土墻開裂；（3）四級平臺西北側，即1#抗滑樁邊緣土體出現水平裂縫，部分抗滑樁前出現水平向裂縫；（4）七級平臺出現貫通的水平向裂縫，裂縫最為明顯，縫寬約0.1～1 m，錯臺高度為1～2 m，八級邊坡底部擋土墻錯動變形，部分擋土墻被剪斷；（5）五級邊坡至八級邊坡與水平方向呈30°處的斜裂縫向上發展與七級平臺裂縫相交。邊坡頂至山頂部較平，植被直立性較好，未見有明顯裂縫、錯動面。由此推斷，邊坡具有多級滑動體，最不利的滑動體后緣位于七級平臺至八級邊坡坡頂位置。

現場勘查可見，大部分擋土墻排水口未有地下水排出，但局部墻縫有水流滲出。收費站路面未見有裂縫及錯動，路面完好，未見破壞。原設計方案中擋土墻基礎位于基巖面以內，根據勘察結果可推斷擋土墻后土體為滑坡體前緣剪出口，前部滑坡體沿巖土界面剪出。

3.2 邊坡失穩機理

3.2.1 邊坡變形破壞原因

本邊坡屬于牽引式中型滑坡，且為多級多層的坡積層土質滑坡。大型不良坡積體地質結構是滑坡形成的地質基礎，坡體內存積充沛的含水體是滑坡形成的主要原因，工程開挖和施工引起的自重失穩和含水體存積是滑坡形成的直接原因。該邊坡體的滑動破壞與地形地貌、水文地質、地層巖性條件等因素有關。

1）地形地貌

本項目位于低山地貌區，該塌滑段邊坡較陡，為滑坡形成地質基礎。受滑塌牽引影響，邊坡平臺多處出現裂縫及錯臺。公路施工開挖形成了較深的路塹，邊坡自然穩定坡度小于開挖坡度，使原土體產生大面積臨空面，原有土體結構自然穩定性被破壞，在自重作用下產生滑塌。

2）水文地質

豐富的地下水是滑坡形成的主要原因。原始地貌存在2條大型沖溝，匯水面積較大，為雨水匯集、排泄區，大量地表水可沿沖溝排出。邊坡開挖后，地表徑流無法快速排出，大量地表水沿裂隙下滲，逐步滲入坡體。且坡腳處擋墻內排水孔被堵塞，坡體內的滲流沒有良好的排水通道，水體無法及時排除，在坡體內由坡腳向坡體中部、后部不斷下滲存積，形成了多條由淺至深的滲流通道，當滲流通道貫通時，巖土體由于抗剪強度下降發生剪切滑動，形成由淺及深多級滑動體。而表層的土體則由于多次開挖及施工擾動，形成具有弱膨脹性的松散堆積體，引發淺表層土體塌滑。

3）地層巖性

邊坡下伏基巖面傾角較緩，近似水平，上部坡積體厚度較大，中后部土層厚度在30～60 m，不利于坡體穩定，且坡積體巖性為棕紅色粉質黏土及粉質黏土含結核層，根據試驗成果，其自由膨脹率在17%~60%，物理力學參數見表1，屬弱膨脹土。根據試驗得出，粉質黏土滲透系數為2.34×10-7～9.58×10-7cm/s，滲透性差，坡體內水體無法迅速排出，易造成水體在坡體內存積。土體遇水后強度降低，易發生剪切破壞，不利于邊坡穩定。淺層土體在反復降雨與暴曬的干濕循環狀態下，發生濕脹干縮變形，造成淺層邊坡失穩。

表1 巖土體物理力學參數

3.2.2 聯合支護下邊坡的破壞機理

根據勘察資料，滑坡體存在多級多層的滑動體，但該失穩邊坡的主要滑動面為1個深層滑動面，現場鉆探揭示了深層滑動面主要沿①1和①2地層接觸面滑動，如圖4所示。滑動面較深且繞過樁底，剪出口位于擋墻上部。且鉆孔揭示了地下水位較高，邊坡下部水位接近于地表，局部區域有水流滲出。

圖4 邊坡A-A′地質剖面圖

在抗滑樁和擋土墻聯合支護下的多級開挖邊坡，由于受降雨影響，擋土墻排水口堵塞，一方面導致地下水位上升，土體重度增加，開挖邊坡的下滑力增大；另一方面，水位升高導致邊坡內土體孔隙水壓力增大，又由于邊坡土體為弱膨脹土，遇水膨脹、崩解，其強度降低，因此，土體的抗滑力降低。以上所有因素導致在抗滑樁和擋土墻聯合支護下的公路邊坡發生失穩破壞。

4 結語

本文研究了在抗滑樁和擋土墻聯合支護下某收費站公路邊坡的變形破壞特征及破壞機理。通過對該失穩邊坡的現場勘察，揭示了該滑坡的演化過程和形成機理。設計時，應考慮深層排水的及時性和長期有效性，應采取深層泄水孔排水，可分多級、深層、小間距、大孔徑設置。設置抗滑樁等剛性支護，應進入較完整的基巖面，保證足夠深度，確保其嵌固端長度。