城市復雜條件下邊坡穩(wěn)定性分析

夏 雨

(中國十九冶集團有限公司, 四川成都 610000)

0 引言

城市復雜環(huán)境下混合邊坡是指,在已有人工改造的情況下,因城市建設需要,對原有基巖的邊坡支護進行調(diào)整形成的新邊坡,該類邊坡因周邊建設情況復雜,存在道路,小區(qū),學校,停車場等多種公共設施,原邊坡支護資料不全,回填情況不清楚等情況,新邊坡穩(wěn)定性分析需考慮情況較多,本文研究對象主要為此類邊坡,屬于基礎(chǔ)設施建設過程中挖填方工程形成的產(chǎn)物。填土部分一般由孤石、塊石、碎石和粘性土組成較松散,容易滲水,黏土有弱膨脹性,基巖為全風化-中風化花崗巖。它是一種受人工改造及其存在環(huán)境、組成成分、結(jié)構(gòu)及氣候所影響的人工改造邊坡,具有不連續(xù)性,非均質(zhì)性和各向異性的具有復雜特性的力學介質(zhì),因為具備這些以上特性,讓該類邊坡穩(wěn)定性的研究具有復雜性。

在類似攀枝花市區(qū)這種具有大量基礎(chǔ)設施建設項目的區(qū)域,因其地質(zhì)條件的特殊性,在基礎(chǔ)設施建設過程中形成大量此類邊坡,遇到強降雨天氣仍然發(fā)生開裂沉降滑坡等地質(zhì)災害,給市區(qū)人員生活安全、市政道路、市政建筑等生產(chǎn)生活設施造成巨大的威脅,這些情況都需要對該區(qū)域的堆積體邊坡進行治理,以滿足人民安全生產(chǎn)生活需要。

1 工程概況

1.1 地形地貌

場地原始地形屬于典型的經(jīng)過長期剝蝕切割的山地溝谷陡坡地形,局部為陡坎。現(xiàn)經(jīng)過幾次人工改造場地形成了一標段西側(cè)邊坡、佳聯(lián)路及行人梯步,地形呈西高東低,高差最大約 53 m。該場地大范圍上屬于剝蝕切割型的中低山地貌,微地貌上屬于陡坡及臺地地貌。

1.2 氣象條件

攀枝花市東區(qū)氣候?qū)倌蟻啛釒榛{(diào)的干熱河谷氣候,具有夏季長、溫度日變化大、四季不分明、氣候干燥、降雨集中、日照多、太陽輻射強、氣候垂直差異顯著,以及高溫、干旱等特點。

1.3 地層巖性

攀枝花市東區(qū)出露地層較全,遠古界、前古生界、中生界及第四系較發(fā)育,新生界分布較零星。研究區(qū)主要分布為第四系現(xiàn)代堆積物及遠古界花崗巖。

1.4 地質(zhì)構(gòu)造

1.4.1 新構(gòu)造運動與地震

1.4.1.1 新構(gòu)造運動

區(qū)內(nèi)挽近構(gòu)造主要表現(xiàn)為普遍的強烈抬升和第三紀的水平運動,于河流沿岸可見高出河谷數(shù)十米的基座階地分布,另還可見第三系地層中褶皺和斷裂發(fā)育,局部有老斷裂復活的現(xiàn)象,且地震活動頻繁。

1.4.1.2 地震

研究區(qū)位于我國南北地震帶中南段, 晚第四紀時斷裂有明顯的活動顯示,特別是離場地最近的拉鲊—新九段為全新世活動段。區(qū)內(nèi)主要遭受外圍地區(qū)歷史強震和場地附近中強地震的影響,影響較大的共有10次,主要沿鮮水河—小江地震帶和滇西(騰沖—瀾滄斷裂)地震帶分布(圖1)。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造

1.5 水文地質(zhì)特征

1.5.1 地表水

研究區(qū)內(nèi)以中山河谷地貌為主,徑流值相對較低,多年平均徑流深在70～300 mm之間。

1.5.2 地下水

研究區(qū)主要地下水類型分為2種,松散堆積層孔隙水及基巖裂隙水。

2 已破壞邊坡破壞機理分析

2.1 巖土體分布特征

根據(jù)對破壞段段邊坡的鉆孔揭露,邊坡的巖土體從上到下的分布與力學特征:瀝青混凝土面層(Q4ml):該面層強度高; 素填土(Q4ml):由原路基填筑而成,本為中密—密實狀態(tài),但由于填料不均勻,有大塊石,碎石和漂塊石層,由于雨水滲漏及污水管裂縫影響,細顆粒部分被帶走,呈松散—稍密狀態(tài),力學性能差,主要分布在西側(cè)、衡重式擋墻內(nèi)側(cè),厚度不一; 毛石混凝土(Q4ml):修建衡重式擋墻時回填而成,低壓縮性,力學性能好; 漂塊石土(Q4ml):主要分布在填土底部,呈稍密—中密狀態(tài)。 全風化花崗巖:該層力學強度中等,力學性能較好,厚度較大,局部分布,是較好的邊坡地層。 強風化花崗巖:壓縮性較低,該層力學強度較高,厚度較大,整場分布,可以作為支護結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)持力層,也是較好的邊坡地層; 中風化花崗巖:根據(jù)鉆探揭露和室內(nèi)試驗,低壓縮性土,該層力學強度較高。

2.2 巖體結(jié)構(gòu)面特征

場地巖層為花崗巖,通過地面地質(zhì)調(diào)查和鉆探揭露可知,場地內(nèi)巖體構(gòu)造節(jié)理(裂隙)較發(fā)育,據(jù)野外調(diào)查分析場地基巖中主要發(fā)育為3組裂隙(6-3):J1:產(chǎn)狀 330°～340°∠68°～75°,裂 面較平整,延伸可達 10 m,張開度 1～3 mm, 無膠結(jié),結(jié)合一般, 結(jié)構(gòu)面起伏粗糙,巖屑充填,裂隙間距 0.2～1 m,為硬性結(jié)構(gòu)面,優(yōu)勢節(jié)理為 330°∠68°。 J2:產(chǎn)狀18°～25°∠30°～35°,裂面呈 舒緩波狀,延伸長 2～4 m , 張開度 1～3 mm、少量巖屑充填,結(jié)合一般,裂隙間距 0.2～1 m,為硬性結(jié)構(gòu)面。優(yōu)勢節(jié)理為 20°∠30°。J3:產(chǎn)狀 111°～115°∠66°～68°,裂面較平整,延伸可達 10 m,張開度 1～3 mm,無膠結(jié),結(jié)合一般,結(jié)構(gòu)面起伏粗糙,巖屑充填,裂隙間距 0.2～1 m,為硬性結(jié)構(gòu)面。優(yōu)勢節(jié)理為 111°∠66°(圖2)。

圖2 邊坡巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征

3 邊坡破壞、擋土墻變形特征及分析

通過對邊坡、擋土墻的變形破壞特征及發(fā)展演化史進行分析,總結(jié)出邊坡、 擋土墻變形破壞機制,從而針對性地提出邊坡的加固措施。

3.1 擋土墻變形特征

邊坡頂佳聯(lián)路道路出現(xiàn)2條較長裂縫,分別位于加筋擋土墻區(qū)域和既有重力式擋墻區(qū)域,如圖3所示。根據(jù)現(xiàn)場實測,邊坡加筋擋土墻區(qū)域的道路裂縫距坡頂邊的水平距離約 19.33 m,距坡腳紅線的水平距離約 39.56 m;既有重力式擋墻位置道路裂縫距擋墻頂邊緣約 17.25 m。已破壞段邊坡?lián)跬翂Τ霈F(xiàn)了開裂,根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn),擋土墻發(fā)生整體傾斜(向外側(cè)),最大水平錯距約 10 cm,但是墻身較為完整,未出現(xiàn)明顯的變形破裂特征,僅在伸縮縫處出現(xiàn)水泥掉塊。已破壞段邊坡?lián)跬翂δ_處的梯步出現(xiàn)了明顯的變形錯動跡象,同時,部分梯步扶手出現(xiàn)了拉裂現(xiàn)象,從變形跡象上來看,擋土墻整體發(fā)生了變形,但是擋土墻本身未出現(xiàn)明顯的開裂變形,同時,擋土墻外側(cè)的梯步發(fā)生豎向變形及向外側(cè)的水平變形;擋土墻上方的路基的變形裂縫主要集中在路基內(nèi)側(cè)靠近佳聯(lián)夢苑小區(qū)部位,因此初步判斷,路基內(nèi)側(cè)的裂縫和擋土墻墻腳處的變形裂縫是同一個破裂體系。

圖3 擋土墻變形區(qū)的分布與開挖面的位置關(guān)系特征

3.2 邊坡開挖過程中的地下水變化特征

前期項目勘察期間在鉆孔內(nèi)未測得地下水位,坡體內(nèi)有少量地下水滲出以及西側(cè)地表水下滲變成地下水從中風化花巖里流出。佳聯(lián)路下面埋有市政排污管道,根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,該管道已發(fā)生泄漏,導致污水滲入到佳聯(lián)路路基及擋土墻下覆風化巖體。2017年7月進場地勘發(fā)現(xiàn)西北側(cè)毛石擋墻有滲水情況。附近居民告知該處擋墻常年滲水(圖)。2018年3月19日,開挖至1 215 m標高, 西側(cè)邊坡1 210 m～1 230 m平臺在開挖時已破壞段南側(cè)發(fā)生局部滑塌,至2018年3月25日停止(期間均為晴天)。滑塌后,當時開挖面底部有大量水流出,且有臭味。2018年4月13日,開挖至1 200 m 標高后,西側(cè)邊坡已破壞段中部發(fā)生局部滑塌。邊坡坡腳處在開挖過程中有水體匯集,無明顯徑流方向。2018年后6月4日開挖至1 194 m標高后,發(fā)生局部垮塌,垮塌處及坡腳開挖過程面,可見少部分水體匯集。6月11日有雨,6月12日坡腳匯集大量水體,重力式擋土墻中上部水呈線狀流出綜合邊坡開挖過程中的地下水變化特征,可以初步得出如下結(jié)論:

邊坡中無明顯的地下水位線,佳聯(lián)路市政排污管道發(fā)生滲漏,市政污水已經(jīng)滲入到邊坡,邊坡排水不暢;邊坡中的裂隙水力系統(tǒng)已經(jīng)有完整的補給途徑,可以接受降水的補給;地下水參與了邊坡及擋土墻的變形,在一定程度上促進了擋土墻的變形發(fā)生。

3.3 邊坡破壞模式分析

邊坡?lián)跬翂Φ幕?張裂變形的形成演化模式如下:初始階段,公路下方的市政管道存在污水泄漏,坡腳的風化巖體因荷載作用以及地下水的軟化作用而發(fā)生壓縮變形,但是坡腳臨空條件有限,未發(fā)生沿著坡腳風化巖體及緩傾坡外結(jié) 構(gòu)面發(fā)生明顯的剪切變形。這一階段,擋土墻處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。隨著邊坡開挖,滲入路基的水對擋土墻形成靜水壓力;同時,邊坡中下部巖體發(fā)生卸荷變形, 衡重式擋墻衡重擋墻衡重式擋墻沿著已有的結(jié)構(gòu)面發(fā)生垮塌,導致邊坡上部的風化巖體發(fā)生松動,從而發(fā)生變形, 變形沿著結(jié)構(gòu)面向上擴展;同時,擋土墻下部巖石較大的壓縮變形,進一步為擋土墻張裂提供了變形空間。 可以推斷,在邊坡繼續(xù)開挖或極端工況下,邊坡的變形破壞將繼續(xù)沿著 J2 結(jié)構(gòu)面(18°～25°∠30°～35°)向上發(fā)展,同時,邊坡上部分的擋土墻及路徑會繼續(xù)向下壓縮變形,最終會和結(jié)構(gòu)面貫通,形成貫通性破裂面。

由以上分析可知,已破壞段邊坡?lián)跬翂奥访骈_裂的主要誘發(fā)因素是邊坡開挖,誘發(fā)因素是路基地下水管網(wǎng)的破裂導致污水入滲。

4 已破壞段邊坡加固措施建議

通過現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查及室內(nèi)分析,邊坡的總體變形較為穩(wěn)定,邊坡的的變形及破壞主要受控于 J2 和 J3 這2組結(jié)構(gòu)面,該2組結(jié)構(gòu)面為一陡一緩,可以組合為不穩(wěn)定性塊體。邊坡開挖過程中的幾次局部垮塌均為這2組結(jié)構(gòu)面切割的塊體滑移導致,但是考慮到結(jié)構(gòu)面的延續(xù)性,這2組結(jié)構(gòu)面難以形成較大的塊體,因此,在已有的支護條件下,應加強對邊坡的坡面的清理,同時,宜采用噴射混凝土或主動網(wǎng)對坡面隨機塊體進行支護。

對誘發(fā)邊坡變形的因素是路基地下水破裂管網(wǎng)進行及時維修,接入城市排水系統(tǒng),防止污水再次大量進入。