某公路橋梁堆積體滑坡穩定性分析及處治方案研究

陳云生,趙子鵬,李 林

(廣西交通設計集團有限公司,廣西 南寧 530029)

0 引言

在地形陡峭的山區,受地震、降雨、風化、人工開挖等因素影響往往會產生崩塌,崩塌后堆積于坡腳形成崩坡堆積體。崩坡堆積體因其結構松散、物質成分復雜、性質不均等特征,導致穩定性較差,工程建設碰到崩坡堆積體時易產生局部甚至整體失穩形成人工滑坡,會對工程建設造成較大的威脅。

對于堆積體滑坡的成因、穩定性及處治方案,國內已有部分研究:馮玉濤等[1]以國內某山區高速公路典型路段為研究對象,認為斜坡地貌、堆載、坡腳臨空是堆積體滑坡的成因,提出了上部卸載、中部封水、下部固腳的綜合處治措施;郭鵬輝等[2]以貴州某堆積體滑坡為案例,認為降雨是滑坡產生的主要原因,提出排水是堆積體滑坡處治的優選手段;魏剛等[3]以青藏高原康楊滑坡為實例,研究了堆積體滑坡的地質、地形成因及滑坡變形特征;王豐等[4]以京昆高速公路某堆積體滑坡為案例,認為巖土體內部連續黏土富集帶、修建高速公路挖坡腳、降雨及地震作用是該滑坡產生復活的原因,經穩定性分析后采用抗滑樁對滑坡進行處治,處治后邊坡處于穩定狀態;陳云生等[5]以陽鹿高速公路K52滑坡為案例,認為堆積體、人工堆載、降雨、不利地形等是滑坡產生的主要原因,最終采用“卸載+反壓+鋼管群樁+防排水”的綜合處治方案進行處治。

本文以某公路橋梁堆積體滑坡為研究對象,分析了該滑坡的地質、變形特征及成因機理,對其進行了穩定性分析,并提出了有針對性的處治方案。

1 工程概況

如圖1所示,某預應力混凝土T梁高架大橋的左幅20#墩、右幅22#墩已完成樁基施工,墩柱已封頂,但承臺突然出現開裂,墩柱出現傾斜變形,同時,地表也出現大量拉張、剪切及鼓脹裂縫。經勘察,該變形區分布有崩坡堆積體,橋梁建設過程中堆積體局部發生蠕動變形,形成滑坡,危及橋梁及施工安全,需及時處治。

圖1 項目區地形圖

2 滑坡特征

2.1 地形地貌特征

橋位區屬構造剝蝕低山地貌與構造溶蝕峰叢洼地地貌的過渡地帶,地形起伏變化大,相對高差近百米。橋位區自然坡度呈上陡下緩狀,后緣灰巖裸露,坡度近垂直呈陡峭懸崖狀,中部及前緣坡度相對平緩,后部高筍陡立的灰巖在構造、風化、水及重力的作用下沿不利結構面向臨空面產生墜落式崩塌,在坡腳堆積形成扇形地貌。本文所述的滑坡發生在該扇形堆積體的中部,屬堆積體滑坡。

2.2 地層特征

根據地調、鉆探、物探可知,該區域地層主要由第四系崩坡堆積體、三疊系砂巖夾頁巖及二疊系灰巖組成(圖2)。崩坡堆積體呈深灰及雜色,成分以中風化灰巖孤石為主,孤石間夾有少量黏土或炭質泥巖,最大揭露厚度為39.90 m;三疊系砂巖夾頁巖分布在山體中下部,強-中風化,青灰色,薄層狀構造,節理裂隙較發育,巖體較破碎,局部充填石英巖脈,最大揭示厚度為37.30 m;二疊系灰巖分布在山體中上部,青灰、深灰色,隱晶質結構,中厚層狀構造,節理裂隙較發育,充填方解石巖脈,巖質硬,巖溶發育。

圖2 施工改變地形后實測滑坡地質橫斷面圖

2.3 水文地質特征

橋位區匯水面積大,主要接受大氣降水,在大到暴雨時可形成地表徑流,從橋位區負地形集中沖刷排泄。地下水主要有第四系孔隙水、基巖裂隙水和巖溶水,受地表水補給,向低洼處以泉水或暗河形式排泄。勘察期間地下水貧乏,各鉆孔均未見地下水。崩坡堆積體結構松散,為中-強透水層,黏土夾層為弱透水層;砂巖夾頁巖為弱透水層;灰巖巖溶強發育,屬強透水性。

2.4 構造特征

橋位區發育兩條區域性斷層。斷層F1與橋梁大角度相交,切割二疊系地層(P);斷層F2切割三疊系(T)與二疊系(P)地層,走向與橋梁近平行。受斷層影響,橋位區巖體破碎,巖溶發育。橋位區巖層產狀為212°∠58°,自然坡屬切層順層坡。

2.5 滑坡變形特征

橋墩變形區地表裂縫主要分布在滑坡后緣、中部及前緣的生活板房內。后緣拉張裂縫呈弧形,裂縫寬0.2～0.4 m,延伸長度為15～30 m,裂縫兩側下錯臺階高度為0.1～0.5 m,裂縫面粗糙;滑坡中部可見拉裂縫,出現時間最早,呈弧形,裂縫寬0.2～0.5 m,延伸長度為20～50 m,為滑坡中裂縫最密集區域;鼓脹裂縫發育于滑坡前緣生活板房內,出現時間在中部裂縫之后,裂縫走向與滑坡滑動方向垂直,縫寬0.4～0.8 m,延伸長度為10～20 m,隆起最大高度約為0.5 m。

2.6 滑坡形態、規模及結構特征

滑坡位于山體斜坡地帶,主滑動方向約200°～220°,與橋梁斜交。滑坡平面呈長條形,長約420 m,寬約150 m。根據鉆探,該滑坡從橫剖面上可分為A區和B區,對應存在兩個滑面,滑面1及滑面2均呈上陡下緩狀。滑帶土主要為堆積體中的黏土,滑體為崩坡堆積體,后緣、中部滑床為中風化灰巖、強風化砂巖夾頁巖,前緣滑床為堆積體。滑面平均埋深為16.6 m,滑體體積為95.0×104m3,屬于中層大型堆積體滑坡。

2.7 滑坡成因及機理分析

(1)地質因素:該處存在不良地質崩坡堆積體,結構松散,不利于工程建設;項目區處于兩斷層交匯處,構造發育,且位于巖性交界帶影響范圍內,巖體破碎,巖溶發育;堆積體內部含軟弱夾層黏土,為滑帶的形成創造了有利的物質基礎。

(2)人工因素:橋梁施工便道開挖及填筑改變了原始應力狀態,使斜坡部分地段臨空或堆載,改變了原地表水徑流路徑,大量地表水沿便道滲入堆積體內部,不利于斜坡穩定;滑坡中部堆載了橋梁建設的大量鋼材、機械設備,增大了滑體A的下滑力。

(3)降雨因素:崩坡堆積體為中-強透水層,有利于地表水的下滲,堆積體中的軟弱夾層黏土屬弱透水層,水易在黏土中集中,軟化黏土層,降低了黏土的力學參數,故降雨是滑坡產生的催化劑。

(4)機理分析:從裂縫出現的先后順序可知,滑坡中部在不良地質、堆載、降雨、便道開挖的綜合作用下出現拉張裂縫,裂縫逐步向坡腳貫通,使前緣生活板房出現鼓脹裂縫,故滑體A為推移式滑坡;滑體A變形后使滑體B臨空,進一步牽引滑體B,最后出現最后緣的拉張裂縫,滑體B為牽引式滑坡。綜上所述,該滑坡屬前段推移后段牽引式綜合滑坡。

3 穩定性分析

項目區地震基本烈度為Ⅵ度,依據《公路滑坡防治設計規范》(JTG/T 3334-2018),該工程無須考慮地震工況下的穩定性,故僅計算天然及暴雨工況下的穩定性,計算剖面采用施工擾動后的剖面(圖1),采用的計算公式如下:

(1)

Ψi=cos(θi-θi+1)-sin(θi-θi+1)tgφi+1

(2)

Ri=Nitgφi+cili

(3)

式中:Ks——穩定系數;

Ψi——第i計算條塊剩余下滑推力向第i+1計算條塊的傳遞系數;

Ri——第i計算條塊滑動面上的抗滑力(kN/m);

Ti——第i計算條塊滑體在滑動面上的滑動分力(kN/m);

Ni——第i計算條塊滑體在滑動面法線上的反力(kN/m);

θi——第i計算條塊滑體的滑面與水平線夾角(°);

φi——第i計算條塊滑動面上巖土體的內摩擦角標準值(°);

ci——第i計算條塊滑動面上巖土體的粘聚力標準值(kPa);

li——第i計算條塊滑動面長度(m)。

3.1 力學參數

綜合工程地質類比、室內試驗及反算成果,本滑坡計算所采用的參數如表1所示。

表1 巖土體物理力學參數表

3.2 計算結果

選取典型剖面(圖2)進行計算,計算結果如表2所示。

表2 防護前滑坡穩定性計算結果表

由表2計算結果可知,滑面1在天然工況下處于穩定狀態,在暴雨工況下處于欠穩定狀態,不滿足規范要求,需進行處治;滑面2在天然狀態下安全儲備不足,處于欠穩定狀態,在暴雨工況下處于不穩定狀態,需進行處治。

4 處治方案

根據滑坡的地質特征、變形特征、破壞機理及穩定性分析,推薦兩種治理方案,具體如下:

方案一:卸載+錨固+防排水方案。該方案卸載滑坡后緣部分堆積體直至滑坡穩定,卸載后對邊坡進行錨固確保邊坡穩定,同時對滑坡區域的裂縫、開挖面進行防排水設計,該方案工程造價約為1 080萬元。

方案二:抗滑樁+橋梁群樁+防排水方案。該方案在滑坡區的橋梁兩側分別設置兩排抗滑樁,在滑坡前緣設置一排抗滑樁,橋梁樁基改用群樁,同時對滑坡區的裂縫進行封閉,完善地表防排水措施,工程造價約為1 450萬元。

經比選,方案一相比方案二施工技術難度小,施工工期短,且造價相對方案二低,處治徹底,故采用方案一進行處治。處治設計典型橫斷面見圖3。具體處治方案如下:

圖3 滑坡處治典型橫斷面圖

(1)清除滑坡中部的鋼材、機械設備,減小下滑力。

(2)在高程為710 m處設置一外傾3%的寬平臺,對滑坡后緣部分堆積體進行卸載,卸載坡率為1∶1.25,從下到上每10 m一級,每級邊坡設置2 m寬的級間平臺,平臺內側設置截水溝。

(3)卸載后橋梁內側將形成56 m的高邊坡,頂部三級邊坡存在沿巖土分界面滑動的可能,采用錨索護面墻進行防護,錨索長度為25 m,預應力為450 kN;底部三級邊坡巖性為中風化灰巖,局部破碎,結構面被泥質充填,存在楔形體小型掉塊的可能,采用錨桿格梁進行防護,錨桿長度為12 m,錨固力為120 kN。

(4)全坡面采用掛網噴混凝土封閉,坡頂設置截水溝并往山腳引排,坡面設置急流槽。

(5)邊坡要求逐級卸載、逐級防護。

按照以上方案處理后,滑坡的穩定性計算結果見表3。

表3 防護后滑坡穩定性計算結果表

由表3計算結果可知,處治后的滑面1、滑面2在天然工況和暴雨工況下均處于穩定狀態,滿足規范要求。

5 結語

(1)依托工程橋位區滑坡發育于崩坡堆積體中,滑帶主要為堆積體中的黏土層,屬中層大型堆積體滑坡。

(2)滑坡從剖面上可分為兩個區及兩個滑帶,A區為推移式滑坡,B區為牽引式滑坡;A區先變形,B區后變形,屬前段推移后段牽引式綜合滑坡。

(3)滑面2在暴雨工況下處于失穩狀態,在天然狀態下處于欠穩定狀態,滑面1在暴雨工況下處于欠穩定狀態,需對滑坡進行處治。

(4)經采用“卸載+錨固+防排水”的方案進行綜合處治后,本滑坡穩定性系數滿足規范要求,處于穩定狀態。