高速公路挖方邊坡穩定性分析及評價

金 東

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

1 邊坡工程概況

2019 年10 月29 日,第3 級邊坡錨索框架植草防護完成。

2019 年11 月20 日,第2 級邊坡錨索框架植草防護完成。

2020 年3 月16 日,對YK31+260～YK31+310 段右側邊坡進行第1 級開挖過程中,發現該段2、3 級錨索框架錨索出現向下滑動錯位。坡口處出現不同程度的拉裂,裂縫長50 m,寬度10～30cm 不等;然后實施動態觀察。

2020 年3 月17日～22 日,由于降雨不斷,YK31+260～YK31+310 段右側邊坡坡口裂隙進一步發展擴大,出現局部塌方,同時于坡口裂隙上方最遠30m處出現第二道圓弧形裂隙,該裂隙最遠距離在YK31+280 右側85 m處;右側邊坡后緣兩條裂隙水平寬度50～200cm、裂隙深度50～150cm,經現場勘察和統計2020 年3 月份降雨(3 月1 日～22 日有15 天均為小雨或陣雨)情況后,確定邊坡滑坡仍存在繼續發育可能,繼續實時動態觀測,同時進行布孔鉆探勘察,確定滑坡成因機制及錨索預應力是否失效。

2020 年9 月2 日,對YK31+260～YK31+310 段右側邊坡進行復勘,至此,經過半年的持續動態觀測,右側滑坡趨于穩定,無進一步擴大現象。

由觀測數據統計可知,2020 年8 月后該段邊坡趨于穩定,無明顯滑動現象,9 月后沉降位移已穩定(數據在觀測誤差范圍內),第二級平臺最大位移為:垂直位移309mm,水平位移60mm;第三級平臺最大位移為:垂直位移430mm,水平位移-196mm,第三級位移大于第二級位移。所以降雨是滑坡發生的主要誘發因素,降雨多位移大、降雨少位移小。又因9月降雨多而未有位移,說明該段邊坡的沉降位移已達到穩定狀態。

2 滑坡成因機制

2.1 地形組合形態

綜合勘察,第二級平臺最大位移為:垂直位移309mm,水平位移60mm;第三級平臺最大位移為:垂直位移430mm,水平位移-196mm,第三級位移大于第二級位移,邊坡框架位移值為垂直27cm、水平125cm。總體外部形態因線型走向為山腰平緩槽谷直線挖方處,形成以裂隙處至路線范圍的槽型滑坡形態,上窄下寬,滑坡方向的橫向距離最大66m、縱向最大距離46m,由鉆探及計算可知滑坡為深度4～6m的淺層滑坡,滑坡體積為12000～20000m3。

2.2 巖性組合形態

場區下伏基巖為寒武系下統明心寺組(∈1m)頁巖。根據現場區巖體的節理、裂隙發育特征、硬度與完整性,結合鉆探基巖劃分為全～強風化、中風化兩層。

全～強風化頁巖:褐黃色,薄層狀,泥質結構,層理構造,節理裂隙極發育,巖體破碎,結合差,巖芯呈碎塊狀、碎石狀,鉆探揭露厚度1.4～13.4m。

中風化頁巖:灰色,薄層狀,泥質結構,層理構造,節理裂隙發育,巖體較破碎,結合一般,巖芯呈短柱狀、片狀。

巖層產狀165°∠25°,節理裂隙發育,多為密閉型節理,節理間距50～100mm,主要節理裂隙產狀為:235°∠43°、57°∠76°。

2.3 分離面組合形態

從已開挖邊坡面可知YK31+170～YK31+260、YK31+310～YK31+370 段右側一級坡巖體完整至較破碎為中風化,YK31+260～YK31+310 右側中間段一級坡巖體已經風化為全～強風化層,即該段屬地質突變地段,綜合地形形態及勘察結果,該段為殘坡積層較厚的不穩定邊坡。

且從已開挖邊坡面至裂隙后緣山體揭露及鉆探芯樣均可發現,該段路基邊坡巖體產狀傾向邊坡為逆向坡,角度25°,全-強風化層較厚(1.4～13.4m),均為薄層狀,泥質結構,層理構造,當坡腳開挖臨空后,導致應力重新分布,牽引造成2、3 級滑坡,形成坡腳至坡口裂隙1 處的主滑面,因較厚的碎石土層(2.0～5.8m)順延裂隙1至裂隙2造成2次牽引滑移,而長期降雨及雨水下滲加劇裂隙面擴張,因此形成的分離面分布于碎石土至全～強風化范圍中,形成沿碎石土層至強風化層的軟弱界面的直線形牽引滑坡。

3 邊坡穩定性評價

3.1 物理力學參數

YK31+260～YK31+310 段右側邊坡滑動面物質組成為碎石土及全風化～強風化頁巖層,取其綜合重度:γ=19.0kN/m3,以主滑面YK31+280 為代表斷面,恢復到原設計地面后取值,依據《公路滑坡防治設計規范》[1](JTG/T 3334—2018),取值Fs=1.05 正常工況、Fs=0.95 暴雨工況進行反算驗證。結合反算、工程地質類比及《公路路基設計規范》[2](JTG D30—2015),推薦物理力學指標見表1。

表1 推薦巖土體物理力學指標參數表

3.2 邊坡穩定性評價

3.2.1定性評價

該段邊坡為古滑坡體,巖體主要由碎石土、薄層狀全～強風化頁巖組成。因該巖體的碎石土層、全～強風化頁巖層較厚,工程地質性能差;同時在長期降雨情況下,地表水匯集沿其開挖坡面下滲至碎石土層及全～強風化頁巖層后,導致其遇水易軟化,失水易分解,C、φ值下降,加劇裂隙面擴張,工程地質性能進一步降低。在邊坡開挖臨空后,加上坡面混凝土框架自重,坡體在垂直方向無支撐,導致應力重新分布,故造成沿碎石土層及強風化層形成的軟弱面產生直線型牽引滑動,從而造成邊坡滑坡塌方。

YK31+260～YK31+310 段右側挖方邊坡,線路走向68°,開挖坡向為338°,巖層產狀為165°∠25°,為逆向坡。根據圖1分析,L1 節理面235°∠43°、L2 節理面57°∠76°,與巖層層面組合的交點位于自然邊坡面與開挖坡面之外,對開挖后的邊坡穩定性影響較小,坡體整體較穩定,但坡體開挖臨空后,巖體易沿軟弱面產生滑動垮塌。

圖1 赤平投影結果圖

判定巖體穩定性:

(1)滑動方向:沿交線C、C'方向滑動。

(2)穩定類型:最穩定。

3.2.2定量計算

根據《公路滑坡防治設計規范》[1](JTG/T 3334—2018)的相關要求,土質邊坡、軟巖邊坡、破碎或較破碎巖質邊坡的穩定性計算按折線形滑面考慮,采用傳遞系數法進行穩定性分析,典型條塊力系示意圖見圖2,穩定性系數計算公式見式(1)、式(2)。

圖2 典型條塊力系示意圖

Ti=KsWisinαi-Wicosαitanφi-ciLi+ψiTi-1

(1)

ψi=cos(αi-1-αi)-sin(αi-1-αi)tanφi

(2)

式中:Ti、Ti-1為第i和第i-1滑塊剩余下滑力(kN/m),其作用力方向與相應滑塊底邊平行;Ks為穩定安全系數,按《公路滑坡防治設計規范》表5.2.3 取值;Wi為第i滑塊的自重力(kN/m);αi、αi-1為第i和第i-1 滑塊對應滑面的傾角(°);φi為第i滑塊滑面內摩擦角(°);ci為第i滑塊滑面巖土粘聚力(kN/m2);Li為第i滑塊滑面長度(m);ψi為傳遞系數。

以YK31+265、YK31+280、YK31+295 為代表斷面進行計算,得到穩定系數及剩余下滑力,見表2。

表2 下滑力計算統計表

計算中考慮了正常工況(邊坡處于天然狀態)和非正常工況Ⅰ(邊坡處于暴雨或連續降雨狀態),巖土體及結構面物理力學計算參數按表1對應工況取值,按設計提供的初擬坡比1∶0.75～1∶1 進行穩定性分析計算。坡體開挖臨空后潛在滑面剪出位置存在如下情形:

(1)YK31+265 橫斷面:碎石土層及強風化層形成的軟弱面剪出破壞(潛在滑面①):正常工況下穩定性系數Fs=1.05,處于基本穩定狀態;非正常工況I 下Fs=0.95,處于不穩定狀態。

(2)YK31+280 橫斷面:碎石土層及強風化層形成的軟弱面剪出破壞(潛在滑面①):正常工況下穩定性系數Fs=1.05,處于基本穩定狀態;非正常工況I 下Fs=0.95,處于不穩定狀態。

(3)YK31+295 橫斷面:碎石土層及強風化層形成的軟弱面剪出破壞(潛在滑面①):正常工況下穩定性系數Fs=1.05,處于基本穩定狀態;非正常工況I 下Fs=0.95,處于不穩定狀態。

以上三種潛在滑動穩定性系數均不滿足《公路路基設計規范》[2](JTG D30-2015)中對于穩定安全系數的相關要求,該段邊坡為古滑坡體,巖體主要由碎石土、薄層狀全～強風化頁巖組成。因該巖體的碎石土層、全～強風化頁巖層較厚,工程地質性能差;同時在長期降雨情況下,地表水匯集沿其開挖坡面下滲至碎石土層及全～強風化頁巖層后,導致其遇水易軟化,失水易分解,C、φ值下降,加劇裂隙面擴張,工程地質性能進一步降低。

在邊坡開挖臨空后,加上坡面混凝土框架自重,坡體在垂直方向無支撐,導致應力重新分布,故造成沿碎石土層及強風化層形成的軟弱面產生弧形牽引滑動,從而造成邊坡滑坡塌方。

綜上,根據現場調查及鉆探資料,路基尚未形成連續貫通的滑面,路基右側邊坡整體處于欠穩定狀態,由于其屬于國道高速路,路基破壞后果嚴重,需要對其進行治理。

4 治理措施及建議

勘察區位于山腰斜坡溝槽處,在邊坡開挖臨空且遇暴雨工況下,邊坡目前處于欠穩定狀態,需要進行支擋,由于勘察區第四系覆蓋層較厚,橫坡較陡,且下伏頁巖全～強風化層厚度較大,承載力較低,也不利于邊坡抗滑穩定。

(1)在右側邊坡設抗滑樁支擋,對坡體采取加固處理,具體加固形式和強度以及坡率按計算確定;邊坡巖體為軟質巖,遇水軟化極易降低巖體抗剪強度;開挖臨空后,坡體可能存在局部滲水現象,須加強邊坡區的防排水措施,同時增加邊坡監控監測,確保坡體安全。

(2)對右側邊坡采取清方卸載處理,完善排水設施,同時增加邊坡監控監測,采用動態設計,確保坡體安全。