熊祖志

（廣東省公路勘察規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司 廣東廣州 510000）

復(fù)雜地質(zhì)條件下運(yùn)營公路邊坡支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計及驗證

熊祖志

（廣東省公路勘察規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司 廣東廣州 510000）

高速公路路塹邊坡在運(yùn)營通車5～10年期間，由于路塹的邊坡巖性、巖體結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)面位置特征、地下水等諸多因素影響導(dǎo)致邊坡出現(xiàn)不利于邊坡的穩(wěn)定的變形及應(yīng)力，邊坡的安全系數(shù)大為降低，對高速公路的運(yùn)營存在一定的安全隱患。本文結(jié)合某運(yùn)營高速公路的路塹邊坡支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計方案綜合比較及處治結(jié)束后設(shè)計方案的可行性進(jìn)行了監(jiān)測驗證，本文的設(shè)計及驗證方法可為同類工程提供借鑒。

路塹邊坡；設(shè)計方案；方案驗證

引言

近年來，廣東省交通系統(tǒng)逐步加強(qiáng)了對山區(qū)高速公路安全營運(yùn)的管理力度，而山區(qū)高速公路路塹邊坡的安全與穩(wěn)定是影響高速公路運(yùn)營效益的重要因素。在2008～2011年期間，由于降雨影響，廣東省內(nèi)各路段邊坡曾發(fā)生了多次淺層滑塌與崩塌。本文結(jié)合某運(yùn)營高速公路邊坡為例，根據(jù)極限平衡法原理，結(jié)合深層位移監(jiān)測結(jié)果確定的滑移面、滑移面深度以及試驗所得的巖土參數(shù)，對病害體區(qū)域的滑坡推力以及穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行了計算分析，結(jié)合邊坡的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)情況，對邊坡的三種設(shè)計方案進(jìn)行了對比分析及優(yōu)缺點(diǎn)分析，然后對處治后優(yōu)選的設(shè)計方案的可行性進(jìn)行了深層位移監(jiān)測，以便驗證該優(yōu)選的設(shè)計方案在實(shí)際應(yīng)用中的效果。

1 概況

1.1 邊坡原設(shè)計情況的介紹

該邊坡原設(shè)計共分為四級，坡高36.1m，坡向75°，邊坡裂隙水深度平均為6～7m，邊坡設(shè)計坡角45°，一級坡坡高10m，設(shè)計坡率1：0.5、二級坡坡高8m，設(shè)計坡率1：1，三級坡坡高10m，設(shè)計坡率1：1，四級坡坡高8.1m，設(shè)計坡率1：1，平臺寬分別為2.6m、9m和3m，一級平臺設(shè)抗滑樁，長20～22m，樁徑2×2.5m，樁上設(shè)兩排錨索，樁間為擋土墻，設(shè)3排錨索；二級坡設(shè)滲溝，滲溝間設(shè)2排錨墩；三級坡設(shè)滲溝；三級平臺設(shè)錨索抗滑樁，樁上設(shè)2排錨索，四級坡設(shè)1排錨索，錨索水平間距為4.8m。

1.2 復(fù)雜地質(zhì)情況的介紹

1.2.1 邊坡巖性

工點(diǎn)范圍多被第四系殘積層覆蓋，測繪中只在右側(cè)已開挖的天溝處局部可見基巖出露，為石炭系下統(tǒng)梓門橋組（C1dz）白云質(zhì)灰?guī)r，在右側(cè)已開挖的路塹邊坡可見石炭系下統(tǒng)測水組（C1dc）頁巖夾砂巖。此外根據(jù)地質(zhì)鉆探得知，二，三級坡均有煤系地層出露，煤系等復(fù)雜地層厚度在5～8m范圍之內(nèi)，該種類型的土層地質(zhì)很差，遇水后強(qiáng)度迅速下降，非常不利于邊坡的穩(wěn)定性。

1.2.2 地質(zhì)構(gòu)造

工點(diǎn)內(nèi)發(fā)育一斷層，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及鉆孔資料綜合分析，該斷層為一逆斷層（F2），斷層產(chǎn)狀280～300°∠50～55°，由于斷層作用，致使C1dc地層部分缺失，且逆沖于C1ds地層之上，巖體結(jié)構(gòu)類型為順坡層狀巖體結(jié)構(gòu)，破壞模式為沿斷層破碎帶和基巖頂面的順層滑坡。受斷層影響，巖層節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯較破碎。因工點(diǎn)內(nèi)地表多被第四系地層覆蓋，地表未見斷層形跡。地質(zhì)鉆孔得知，該邊坡巖溶發(fā)育，測繪中在已剝皮的邊坡外測得（C1dc）頁巖夾砂巖層理產(chǎn)狀95°∠60°，在K46+650右側(cè)天溝測得（C1dz）白云質(zhì)灰?guī)r層面產(chǎn)狀145°∠60°、節(jié)理323°∠58°、15°∠68°。

1.2.3 水文地質(zhì)條件

工點(diǎn)內(nèi)第四季地層中含少量孔隙潛水，由于基巖節(jié)理裂隙發(fā)育，風(fēng)化層厚，地下水主要為基巖風(fēng)化裂隙水，受大氣降水補(bǔ)給，水位及水量受季節(jié)控制。根據(jù)鉆孔揭示地下水位標(biāo)高高于路基設(shè)計標(biāo)高0～7m。

1.3 邊坡防護(hù)病害情況

該邊坡二、三級坡已發(fā)生明顯的滑動變形。上排錨索抗滑樁頂部平臺出現(xiàn)多處下沉開裂，沉陷面積為5～10m2，下沉1cm（見圖1），其中第二道后緣裂縫位于三級平臺上排樁河側(cè)，裂縫（長40m）后又裂開78m，裂縫最大寬度7mm（見圖2）。第三級平臺累計下沉10～12cm，平臺下沉長度為30m，二級平臺也出現(xiàn)下沉，下沉約9cm?？v觀邊坡防護(hù)病害情況：第一道后緣裂縫位于二級平臺附近，裂縫長約20m，寬15mm，前緣剪出口位于一級平臺水溝河側(cè)，滲溝鼓脹開裂，外鼓15mm，已形成一個連貫的滑坡體。

圖1 上排錨索抗滑樁頂部平臺開裂，沉陷面積為5～10m2，下沉1cm

圖2 后緣裂縫長40m，裂縫最大寬度7mm

1.4 耐久性主要影響因素

根據(jù)邊坡工程地質(zhì)、水位地質(zhì)及病害情況得知，影響該邊坡耐久性的主要影響因素如下：

（1）根據(jù)地質(zhì)鉆探得知，該邊坡最厚的覆蓋層達(dá)7～8m，二、三級坡均有煤系等復(fù)雜地層出露，該邊坡上層巖性為灰?guī)r，厚度約10m左右，下層為砂巖，為透水層，通過病害及原設(shè)計資料調(diào)研得知，上下層不同巖性之間的交界面易產(chǎn)生滑動面，這是影響該邊坡的主要地質(zhì)因素。

（2）邊坡富水豐富，普遍存在錨索錨頭滲漏水及坡腳滲水，以及地梁錨索銹蝕等病害較為嚴(yán)重，從現(xiàn)場病害調(diào)查得知，邊坡超過50%的仰斜排水孔已失效，邊坡內(nèi)部的水排不出去，是影響耐久性的直接因素。

2 邊坡穩(wěn)定性評估及計算分析

該邊坡建設(shè)期曾出現(xiàn)淺層滑坡，其破壞形式為接近圓弧面，因此邊坡穩(wěn)定系數(shù)計算采用圓弧滑動面進(jìn)行計算。根據(jù)極限平衡原理并運(yùn)用工程通用的理正軟件對其進(jìn)行穩(wěn)定性計算分析。

根據(jù)處治前深層位移監(jiān)測經(jīng)計算（圖3），得出病害體區(qū)域滑移面的深度為18m。由地質(zhì)及設(shè)計資料得知邊坡裂隙水深度平均為6～7m，邊坡坡角45°，每一級坡高8～10m，坡率1：0.5～1：1。本次穩(wěn)定性分析計算參數(shù)是經(jīng)過現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查和測繪、鉆探、原位測試以及室內(nèi)試驗，結(jié)合場地邊坡工程地質(zhì)條件及地方經(jīng)驗，綜合考慮確定出了巖土體的物理力學(xué)參數(shù)，根據(jù)極限平衡原理計算出該邊坡病害體區(qū)域的安全系數(shù)為K0=0.998，通過反算得知如果計算提高病害體區(qū)域安全系數(shù)至設(shè)計值K=1.2，設(shè)計所需支擋錨固荷載為F=2435kN/m。其中，除去一級錨索抗滑樁支擋錨固荷載，坡面還需設(shè)計錨固荷載為F=2600kN/m。

圖3 處治前深層水平位移隨時間變化圖

3 滑坡異常變形原因分析

目前，該邊坡局部已發(fā)生變形，變形量相對較大，約25.2～27.4mm，變形深度約11～20m，產(chǎn)生滑動變形原因如下：

（1）結(jié)合前期地勘及施工期間資料，主坡二、三級坡的巖性較差，均有煤系地層出露，地表降雨及豐富地下水，在煤系地層區(qū)域及其附近形成惡劣的腐蝕環(huán)境。錨固結(jié)構(gòu)經(jīng)過10余年的運(yùn)營，出現(xiàn)大量銹蝕情況，并導(dǎo)致部分錨索斷裂失效，尤其是抗滑樁上錨索銹蝕、斷裂失效最為嚴(yán)重。

（2）對于坡體二、三級，煤系地層出露地段，夾雜大量呈透鏡體狀不均勻分布的煤層，煤層富含大量伊利石，具有吸水性強(qiáng)及遇水膨脹軟化強(qiáng)度指標(biāo)顯著降低的特性。建設(shè)期該區(qū)域坡體錨索結(jié)構(gòu)均采用了二次劈裂注漿工藝提高地層錨固力。經(jīng)過10余年的作用，尤其是坡體的開挖，改變了原有的水文環(huán)境和徑流條件，使坡體內(nèi)煤層受到地表降水和地下水的侵蝕，不斷富水，導(dǎo)致地質(zhì)條件不斷惡化，處于煤層的錨索錨固段粘結(jié)強(qiáng)度逐年降低，預(yù)應(yīng)力逐漸損失，個別部位強(qiáng)度及應(yīng)力甚至完全喪失而失效。

（3）該段為F2逆斷層，斷層走向與線路呈30°斜交，其產(chǎn)狀傾向小里程段，為小里程段邊坡補(bǔ)給地下水，由于該斷層具有阻水性，斷層水的下滲軟化了斷層破碎帶巖土體強(qiáng)度。根據(jù)原設(shè)計資料及現(xiàn)場調(diào)查得知，上下層不同巖性之間的交界面易產(chǎn)生滑動面，這是影響該邊坡的主要地質(zhì)因素。

4 邊坡方案設(shè)計

4.1 設(shè)計方案Ⅰ（分級刷坡后使用漿砌片石或拱形骨架）

該路塹邊坡位于山腳，路基通過形式為左填右挖。右側(cè)天然邊坡雖不是十分陡峻，但山體巨大，山峰最高位置比邊坡面高出50～80m，若路塹邊坡采用分級刷坡后使用漿砌片石或拱形骨架的方案，雖然施工操作簡便快捷，且經(jīng)濟(jì)性較好，但從綠化環(huán)保的角度考慮，由于山體較高，挖方量較大，導(dǎo)致大部分邊坡坡面出現(xiàn)“剝山皮”的現(xiàn)象，坡面原有植被破壞較大，不利于環(huán)境保護(hù)。

4.2 設(shè)計方案Ⅱ（預(yù)應(yīng)力錨索重力式擋土墻且不刷坡）

如在靠近邊坡病害體的二級坡角（滑坡前緣）位置僅布置一排預(yù)應(yīng)力錨索重力式擋土墻，且為最大限度保護(hù)植被，墻頂不刷坡。根據(jù)前述處治前深層位移監(jiān)測結(jié)果，得出病害體區(qū)域滑移面的深度為18m，該邊坡病害體區(qū)域?qū)儆谏顚踊?，考慮到滑坡深度較大，對于煤系土這種復(fù)雜地質(zhì)的邊坡，如設(shè)計的支擋結(jié)構(gòu)物型式為預(yù)應(yīng)力錨索重力式擋土墻，其基礎(chǔ)埋置深度常常偏淺，易位于潛在的滑面之上或其附近，當(dāng)外部條件出現(xiàn)不利因素后，擋墻因埋深不夠、支擋能力不足而發(fā)生變形失穩(wěn)，從而產(chǎn)生“做船式”二次滑坡現(xiàn)象，考慮到預(yù)應(yīng)力錨索重力式擋土墻基礎(chǔ)埋深的局限性等影響因素影響，需要增大擋土墻的基礎(chǔ)埋深，從而導(dǎo)致施工難度增加且不經(jīng)濟(jì)。

4.3 設(shè)計方案Ⅲ（預(yù)應(yīng)力錨索框架梁結(jié)構(gòu)+平臺鋼花管注漿）

為了防止該邊坡進(jìn)一步變形而造成更大規(guī)模的滑坡危害，對高速公路運(yùn)營安全造成危害，采用以下設(shè)計方案Ⅲ：

（1）滑坡區(qū)域三級坡設(shè)三排4φ15.2預(yù)應(yīng)力錨索，預(yù)應(yīng)力錨索長度分別為36.0m、38.0m、40.0m，框架梁水平方向間距6.0m；框架梁尺寸為0.5m（寬）×0.4m（厚）；二級坡設(shè)二排4φ15.2預(yù)應(yīng)力錨索，錨索長度分別為30.0m、34.0m，框架梁水平方向間距6.0m；框架梁尺寸為0.5m（寬）×0.4m（厚）；共設(shè)錨索75根，設(shè)計總長度2670.0m，預(yù)應(yīng)力錨索框架梁具體設(shè)計立面、斷面及配筋設(shè)計分別見圖4～6。采用設(shè)計方案Ⅲ，可對邊坡病害體區(qū)域進(jìn)行整體式加固，框架梁起坡表面的整體式防護(hù)，預(yù)應(yīng)力錨索阻滑深層變形，完全起到了坡面及坡體全方位的處治，達(dá)到了一次性根治病根的目的。

圖4 滑坡區(qū)域預(yù)應(yīng)力錨索框架梁設(shè)計立面布置圖

圖5 三級坡預(yù)應(yīng)力錨索框架梁設(shè)計斷面設(shè)計圖

圖6 預(yù)應(yīng)力錨索框架梁配筋設(shè)計圖

（2）對存在變形的滑坡實(shí)施預(yù)應(yīng)力混凝土錨索框架梁支擋結(jié)構(gòu)措施過程中，同時對相應(yīng)位置的平臺位置布置鋼花管注漿設(shè)計。

根據(jù)上述三個設(shè)計方案綜合分析比較，方案Ⅰ路塹邊坡山體過大，一次性根治滑坡難以保證，破壞天然植被嚴(yán)重，不利于綠色環(huán)境保護(hù)；方案Ⅱ雖不破壞坡面植被，但重力式擋土墻因埋深受限，易發(fā)生擋墻基礎(chǔ)埋深不足以及支擋能力不足而產(chǎn)生“做船式”二次滑坡現(xiàn)象，若變更增大擋土墻的基礎(chǔ)埋深，直接導(dǎo)致施工難度增加且不經(jīng)濟(jì)；方案Ⅲ雖較方案Ⅰ與方案Ⅱ造價偏高，但從環(huán)境保護(hù)，整體美觀及一次性根治病根效果等方面具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，該措施合理，方案穩(wěn)定，故本次研究推薦方案Ⅲ，即預(yù)應(yīng)力錨索框架梁設(shè)計方案。

5 設(shè)計方案驗證

該邊坡在錨索框架梁及鋼花管施工過程以及施工后持續(xù)進(jìn)行了深層位移監(jiān)測，見圖7，坡體變形增量逐漸趨于變形穩(wěn)定，累計位移變化量較小，均不超過5mm，距離邊坡平臺表面0～15m深度范圍的位移速率平均值小于0.1mm/月。經(jīng)過后續(xù)深層位移監(jiān)測結(jié)果驗證了該邊坡已趨于穩(wěn)定，深層位移隨時間變化趨于收斂，從而驗證了設(shè)計方案Ⅲ的可行性，以及相應(yīng)支擋防護(hù)措施的合理性與適宜性。

圖7 深層水平位移隨時間變化圖

6 結(jié)論

（1）本文根據(jù)邊坡病害體區(qū)域穩(wěn)定性計算分析，以及三種設(shè)計方案綜合分析比較，提出了煤系土等復(fù)雜地質(zhì)條件下，適合于砂巖與灰?guī)r交界面順層滑坡的設(shè)計方案。

（2）預(yù)應(yīng)力錨索框架梁結(jié)構(gòu)施工過程中，開挖前應(yīng)按設(shè)計坡比整平坡面，地梁施工要保證地梁頂面的平順和美觀，鋼筋間距要滿足設(shè)計要求，坡面不平順處應(yīng)先清理，梁底凹處應(yīng)采用同標(biāo)號混凝土找平后，再綁扎鋼筋。

（3）根據(jù)處治后深層位移監(jiān)測結(jié)果得知，該邊坡深層位移隨時間變化已經(jīng)趨于收斂，驗證了該邊坡設(shè)計方案的可行性，以及相應(yīng)支擋結(jié)構(gòu)措施的合理性與適宜性，該支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計及處治效果驗證方法，可為今后同類工程提供借鑒。

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U416.1+4

A

1673-0038（2015）35-0292-03

2015-8-13