膨脹土填方路基邊坡滑坡成因分析及治理方案研究

作者簡介：江二中（1982—），碩士，高級工程師，研究方向：公路工程。

摘要：文章依托南寧壇洛至百色高速公路K711+430～K711+480段膨脹土填方路基滑坡處治項目，開展膨脹土路基邊坡滑坡的成因分析及治理方案研究。通過現場踏勘、理論分析、模擬計算，結合現場地質情況與交通安全因素，提出了抗滑樁治理方案，并進行施工關鍵技術總結。結果表明：干濕循環作用會造成膨脹土面開裂，水的浸入會造成深部膨脹土的膨脹，誘發滑坡；滑坡前緣抗滑樁對土體形成直接支擋，限制滑動體向前滑出，膨脹力向坡面釋放；設計抗滑樁支擋方案后，正常工況與非正常工況下最不利滑動面穩定性系數均能滿足要求。研究成果可為今后填方路堤病害處治工程提供參考。

關鍵詞：抗滑樁；膨脹土填方路堤；滑坡；鋼管樁

中圖分類號：U418.5+5A250824

0 引言

廣西膨脹土地層分布廣泛，早期修建的廣西丘陵地區高速公路，由于設計不合理、施工技術落后或者是后期人為工程活動等因素，膨脹土地區的路基防水保濕措施欠缺，在后期反復干濕循環作用下，坡面出現裂縫，雨水沿著裂縫下滲誘發深層膨脹土膨脹，導致高邊坡路堤發生滑坡災害^［1］，危及人民群眾生命與財產安全。

本文針對南寧壇洛至百色高速公路K711+430～K711+480段填方路基滑坡病害問題，對路基滑坡的成因及治理方案進行針對性的分析，為類似工程設計和施工提供借鑒。

1 項目概況

南寧（壇洛）至百色高速公路通車已有12年，該高速公路K711+430～K711+480段填方路基發生滑坡病害。該段路基填方平均高度約為7.0 m，沿高速公路走向南寧側低、百色側高；按臺階式開挖，分層碾壓回填于黏土層上，填料主要為碎石土和黏性土；填方坡比為1∶1.5，一級邊坡，拱形骨架護面，坡面植草防護，現狀植被茂密，土路肩寬約0.5 m，坡腳設置排水邊溝^［2］。

根據滑坡現場地質調查與滑坡體鉆探揭示，同時綜合室內土工試驗結果進行地層巖性分析，結果表明滑坡場地內地層主要由四種地層組成。

1.1 第四系人工堆積層（Q^ml）

素填土：褐灰、褐黃色，稍密狀為主，主要由黏性土及卵礫石組成，含量為20%～50%，粒徑為2～50 mm，為壇百高速公路路基填土，經分層壓實，回填年限約12年，已完成自重固結。該層主要分布在高速公路路基范圍內，ZK4鉆孔有揭示，厚度為7.00 m；ZK1鉆孔揭示的為溝槽新近開挖填土，呈松散狀，以黏性土為主，未完成自重固結，揭示厚度為1.10 m。

1.2 滑坡堆積體（Q^del）

滑坡堆積體主要由填土和黏土組成：（1）滑坡堆積第二層（Q^del-2），褐、褐黃色，松散為主，主要為壇百高速公路路基填土，經分層壓實，成分以黏性土為主，含風化泥巖碎塊，厚度為0.90～3.00 m，經滑動破壞后呈松散堆積體；（2）滑坡堆積第一層（Q^del-1），成分為黏土，褐黃、褐灰色，可～硬塑狀，土質均勻，干強度及韌性高，厚度為2.20～3.70 m，經滑動破壞后，土體呈不均勻開裂堆積體，土質松軟，易坍塌，壓縮系數平均值為0.28，屬中等壓縮性土。

1.3 第四系覆蓋層（Q^al+pl）

第四系沖洪積層（Q^al+pl）黏土：褐黃、褐灰色，硬塑狀，土質均勻，干強度及韌性高，厚度為2.60～4.00 m，壓縮系數平均值為0.25，屬中等壓縮性土。

1.4 古近系那讀組（E_2-3n）

中風化泥質粉砂巖：灰色，巖體結構呈現為泥質粉砂狀，巖層構造呈中厚層狀，單軸抗壓強度測試表明巖質軟，巖芯多呈短柱狀，巖體較為完整，局部相變為泥巖，具風干易開裂，遇水易軟化、崩解的特性，巖體基本質量等級為Ⅴ級。各鉆孔均有揭示，于鉆孔深度內尚未揭穿該層，最大揭露厚度為21.10 m。

對取樣進行試驗，巖土層各力學參數取值分別見表1和表2。

2 滑坡成因分析

綜合地質調繪和鉆探勘察成果，結合滑坡變形破壞特征，其發生、發展過程與地形地貌、地質構造、地層巖性及不良地質因素等地質條件密切相關，而滑坡的形成與發展主要因素為降雨、人類工程活動等外動力條件^［3］。

2.1 地質條件

根據滑坡現場勘察以及地質勘察成果綜合分析表明，場地內第四系沖洪積黏土（Qal+pl）具中等膨脹性，上部路基填土含膨脹土成分，亦具有膨脹潛勢。在降雨等不利條件作用下，地表面流沿填土空隙快速入滲至其下黏土層，黏土層為相對隔水層，故向填土界面側向低洼區域排泄和向下入滲補給，使得黏土層長期處于飽水→失水→飽水的干濕循環交替狀態：（1）該黏土在干濕循環交替狀態下，呈現吸水膨脹→失水收縮→再吸水膨脹→再失水收縮的脹縮變形可逆性，在多次重復脹縮累積荷載的作用下將導致土體內部出現較多裂縫；（2）該黏土在多次脹縮變形后還存在勢能累積特性，在脹縮累積荷載與勢能累積的共同作用下，邊坡土體內部裂縫增加，形成雨水下滲通道，雨水沿著通道造成深部土層膨脹，土體的內部強度減小，最終導致路基邊坡失穩發生滑坡破壞。滑坡體在平面上呈圈椅狀地形特征明顯，后緣已形成拉張裂縫和錯落平臺，前緣位移擠出，滑坡舌特征明顯；滑坡周界后緣拉張裂縫，側向剪切裂縫已形成，滑坡后壁為3～4 m的臨空面，整個滑坡周界較為清晰；滑坡剪出口明顯，前緣鼓脹、隆起，扇形裂縫發育，已形成明顯的滑坡舌和滑動鼓丘特征。

2.2 人類活動

2020-08-04至2020-08-09，開展BQ12+430～BQ12+500段管溝溝槽開挖施工，該段管溝位于壇百高速公路K711+430～K711+480段上行線填方路基邊坡坡腳外側約30 m處，按1∶0.75坡比放坡開挖，開挖深度為3～5 m，底部寬度為2.5～3.0 m，頂部開挖寬度為8～10 m，部分段落已開挖至下伏基巖位置，形成了臨空面，膨脹土面在失去上覆土層壓重限制情況下，雨水浸透后的膨脹力釋放更顯著，促進了滑動趨勢形成。

2.3 氣象因素

氣象因素對邊坡穩定性的影響主要由大氣降水引發，影響作用表現為兩個方面：（1）脹縮累積荷載導致土體內部出現裂縫，大氣降水滲入孔隙，坡體自重增加，邊坡下滑力上升，土體力學強度下降，從而導致坡體穩定性下降；（2）場地屬膨脹土地區，地表黏土具中等膨脹性，在大氣降水的干濕循環交替作用下，大氣影響深度范圍（約7.0 m）內，膨脹土吸水膨脹使得坡面向外側擴展，同時土體強度迅速下降、軟化，易產生失穩破壞。2020-08-01至2020-08-07連續降雨，特別是2020-08-11更是出現較大降雨，2020-08-12在K711+430～K711+480段上行線填方路基發生滑坡破壞。由此可見，大氣降水等氣象因素是產生滑坡的外部動力以及主要誘因之一，加劇了邊坡滑動變形。

綜上所述，K711+430～K711+480段膨脹土填方路基滑坡的形成條件主要是地質因素、人類活動、氣候條件等共同作用，其中大氣降水是誘發滑坡的主要原因之一，是滑坡變形發展的動力源泉。

3 滑坡現狀穩定性分析

3.1 滑動面參數反算

病害路段挖探試驗成果表明，場地膨脹性黏土層在開挖形成臨空面后，其自穩能力較差，較易出現坍塌現象，特別是在大氣降水作用影響下，易產生沿巖層界面的滑動，且場地下伏基巖為順層坡，更易出現以黏土層為滑動介質的位移變形。根據挖探試驗和黏土厚度判定，滑動面滑帶厚度為2～3 m，底部滑面位于土巖交界面處。結合勘察、挖探試驗成果資料，利用GEO5 2020軟件中土質邊坡穩定性分析模塊，復原滑坡變形前地形地貌，根據滑坡變形破壞特征，以滑動面剪切參數粘聚力c、內摩擦角φ值為目標，根據已知滑動面及穩定性安全系數進行反算。反算模型見圖1，所取計算參數按表1選取，滑面反算結果見表3。

3.2 現狀邊坡穩定性計算

根據《公路滑坡防治設計規范》（JTG/T 3334-2018）中表5.2.3的規定，及結合道路滑坡防治等級為Ⅰ級確定，在正常工況下，安全系數應≥1.25，非正常工況Ⅰ（自重+暴雨）條件下安全系數應≥1.20。利用GEO5 2020軟件中土質邊坡穩定性分析模塊，以正常工況以及非正常工況Ⅰ下的邊坡穩定性安全系數為計算目標，對現狀邊坡穩定性進行計算；同時搜索邊坡最危險滑動面，對現狀邊坡滑坡穩定性進行預測。滑動帶為黏土層，滑動帶參數按表1選取，模型見圖2，各工況下的計算結果見表4。

根據《公路滑坡防治設計規范》（JTG/T 3334-2018）表5.1.5及上表計算成果分析，在正常工況下，滑坡處于欠穩定狀態；在非正常工況Ⅰ（自重+暴雨）下，滑坡處于不穩定狀態。故滑坡需及時進行支擋防護。

4 滑坡處治方案與驗算

4.1 滑坡處治方案簡介

根據病害路段場地工程地質條件和滑坡變形發展特點，結合場地條件，治坡先治水，本病害路段治理需解決路肩支擋和排水問題^［4-5］。路基支擋結構：（1）采用路肩抗滑樁對路面結構進行支擋，已塌空錯臺形成臨空面區域設置抗滑樁擋土板；（2）擋土板前設置鋼管樁對下部填土及黏土進行支擋防護，兩側邊坡臨空面區域采用混凝土錨噴封閉。排水工程：后緣坡體平臺區域和坡腳位置設置截排水邊溝，完善場地排水系統。

具體設計方案如下：（1）抗滑樁直徑為1.8 m，滑塌臨空面區域樁長為27 m，兩側非滑塌區樁長為24 m，滑動面以下嵌固段≥14 m，樁中心距為4.5 m，樁身強度為C30混凝土；（2）樁頂設置1.0 m×1.8 m的冠梁，將抗滑樁連成樁群，通常情況下每四根抗滑樁連成一榀，每榀冠梁之間設置伸縮縫，采用瀝青麻絮填塞；（3）滑塌臨空面區域抗滑樁設置擋土板，擋土板高度為3.5 m，板厚為0.5 m，其他出土段可根據實際情況設置擋土板；（4）滑塌臨空面區域抗滑樁擋土板前設置3排鋼管樁對擋板區域填土以及其下黏土進行支擋，鋼管樁采用?146 mm×6 mm的無縫鋼管加工制作，樁長為12.0 m，間距為0.8 m×1.0 m，樁頂設1.5 m×2.1 m系梁連接；（5）滑塌區兩側臨空坡面噴射混凝土封閉，坡面錨釘為長2.0 m的C22鋼筋加工制作而成，錨釘間距為2 m×2 m的方格網布置，垂直坡面擊入，與面層?6@20 cm×20 cm的鋼筋網相連，噴射厚15 cm的C25混凝土護面；（6）沿高速公路抗滑樁內側樁背回填無砂大孔混凝土，面層鋪設厚20 cm的C30混凝土護面；（7）根據坡面具體情況修復坡體排水溝，完善排水系統。抗滑樁支擋方案立面與斷面如圖3與圖4所示。

4.2 抗滑樁方案設計驗算

4.2.1 整體穩定性驗算

根據邊坡典型斷面，利用GEO5 2020軟件中土質邊坡穩定性分析模塊，計算邊坡滑面以及正常工況與非正常工況Ⅰ下的整體穩定性。滑動帶參數按表1選取，膨脹荷載按20 kN/m考慮，作用深度按大氣影響深度≥7 m考慮，并同時考慮對Ⅱ級脹縮地基的防護。計算結果見表5，計算模型見圖5。

由邊坡穩定性安全系數計算結果可知，采取抗滑樁作為支擋結構方案后，在正常工況下，邊坡最不利滑動面穩定性安全系數為1.50，gt;1.25；在非正常工況Ⅰ下，邊坡最不利滑動面穩定性安全系數為1.35，gt;1.20，均能滿足《公路滑坡防治設計規范》（JTG/T 3334-2018）表5.2.2的安全系數要求。

4.2.2 支擋結構內力配筋驗算

根據內力計算結果，抗滑樁設計方案無須施加額外錨固力即可滿足需求，懸臂段≤10 m，配筋計算結果見表6。由表6可知，實際配筋滿足構造等方面要求。

5 結語

（1）本文以壇洛至百色高速公路K711+430～K711+480段膨脹土填方路堤病害處治工程為例，結合現場地形地貌與勘察成果進行滑坡成因分析。結果表明，滑坡的形成條件主要是地質因素、人類活動、氣候條件等共同作用，其中干濕循環作用是滑坡主要誘因。

（2）利用GEO5 2020軟件的土質邊坡穩定性分析模塊對正常工況與非正常工況Ⅰ（自重+暴雨）條件下滑坡穩定性進行計算與分析，結果表明滑坡處于不穩定狀態，需及時進行支擋防護。

（3）根據病害路段場地工程地質條件和滑坡變形發展特點，采用路肩抗滑樁對路基坍塌臨空面進行支擋，限制向前變形趨勢，膨脹力向臨空面釋放，保護路基安全。計算結果顯示，設計抗滑樁支擋方案后，正常工況與非正常工況Ⅰ下最不利滑動面穩定性安全系數均能滿足規范要求。

參考文獻

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