周英博，張 軍，任偉中

(1.中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室，武漢 430071； 2.中交第二公路勘察設計研究院有限公司，武漢 430056)

汝郴高速公路高陡斜坡穩(wěn)定性分析及治理措施

周英博1，張 軍2，任偉中1

(1.中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室，武漢 430071； 2.中交第二公路勘察設計研究院有限公司，武漢 430056)

汝郴高速公路高陡斜坡位于公路K65+410—K65+680段。2011年3月以來，該高陡斜坡深部發(fā)生位移，并且這些變形在不斷發(fā)展，需要進行人工治理。通過對斜坡地質環(huán)境條件和變形機理初步分析，建立了該高陡斜坡典型剖面的多種潛在滑面的穩(wěn)定性計算模型，并對該高陡斜坡進行了多滑面多工況極限平衡穩(wěn)定性分析。在此基礎上提出了坡頂削坡卸載、坡腳堆載反壓和錨桿加固斜坡淺表的治理方案，可為高陡斜坡治理工程設計提供依據(jù)。該邊坡在經過治理后至今4 a內，沒有再發(fā)生過大規(guī)模變形，證明了該治理方案的合理性.

汝郴高速公路；高陡斜坡；多滑面；穩(wěn)定性分析；治理措施

1 工程背景

滑坡是各種地質災害中分布最廣、發(fā)生最為頻繁、危害損失最大的災害之一[1]。

湖南省汝城(湘贛界)至郴州高速公路第13合同段吊坎壟高陡斜坡， 經施工圖設計階段的地質勘察， 發(fā)現(xiàn)斜坡巖體破碎， 穩(wěn)定性較差。 針對該段斜坡的實際地質條件， 湖南省交通規(guī)劃勘察設計院在施工圖設計階段對該斜坡進行了預加固防護設計。 施工過程中， 根據(jù)五一村高架橋3號橋墩和吊坎壟隧道開挖揭露的地質情況， 設計院對斜坡防護方案進行了設計變更， 提出了溝底反壓及斜坡錨固等加固防護方案。 設計變更方案經過了多次評審， 2009年12月份的評審確定采用“鋼筋砼抗滑支擋樁+灌漿+錨桿”結合監(jiān)測的治理工程方案。 2011年3月份以來， 陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了隧道襯砌開裂， 后經監(jiān)測發(fā)現(xiàn)高陡斜坡深部發(fā)生位移， 并且這些變形有不斷發(fā)展之勢。

綜合分析現(xiàn)有資料，初步分析該段斜坡變形機理，建立了該高陡斜坡穩(wěn)定性計算模型，通過極限平衡法對該高陡斜坡穩(wěn)定性進行了量化分析，在此基礎上提出相應加固設計方案，為吊坎壟高陡斜坡治理工程設計提供依據(jù)。

2 高陡斜坡工程地質概況

2.1 地理位置與地形地貌

該高陡斜坡位于汝郴高速第13合同段中K65+410—K65+680段，地形陡峻，屬于構造剝蝕地貌，總體上呈單面坡，坡面傾向130°，坡角35°～55°。坡下為山間峽谷，谷底高程510 m。坡頂高程690 m左右，相對高差約180 m。

2.2 地層巖性

該段高陡斜坡的地層巖性按新至老分述如下。

(1) 第四系坡洪積層(Qdl+pl)：主要有黏土、碎石，局部分布少量塊石，層厚0.40～8.00 m。

(2) 泥盆系中統(tǒng)跳馬澗組(D2t)：主要有石英砂巖，其間夾薄層泥質砂巖，底部為礫巖。

(3) 震旦系變質砂巖：紫紅色、灰綠色，中粗粒-細粒結構，巖質堅硬，巖石較完整，巖芯呈柱狀、長柱狀。層厚>38.10 m。

2.3 地質構造

該高陡斜坡處于走向近南北的龍溪—二都復合向斜東翼，巖層傾向坡內，為反傾高陡斜坡。該處地質條件復雜，斷層、節(jié)理、小背斜、小向斜發(fā)育。

2.4 水文地質條件

該高陡斜坡的殘坡積土層很薄，由于斜坡很陡，大氣降雨大部分從地表徑流排走；地下水主要為基巖裂隙水，地下水位較深。

2.5 潛在滑動面特征

從目前資料來看，構成最危險潛在滑動面的是F13斷層破碎帶，還有就是兩組順坡向節(jié)理、順向陡傾卸荷裂隙。除F13斷層破碎帶以外，斜坡體中最可能的潛在滑動面是追蹤兩組順傾向節(jié)理、部分切斷巖橋而滑動，滑坡后緣主要沿著陡傾的卸荷張開裂隙。

3 穩(wěn)定性計算分析

3.1 物理力學參數(shù)選取

根據(jù)現(xiàn)有的地質勘查資料，不能唯一確定某一潛在滑動面，故選取了多個可能性比較大的潛在滑動面[2-3]。在這里，有可能發(fā)生滑動破壞的潛在滑動面主要有12個，沿F13斷層破碎帶深層滑動的潛在滑動面主要是滑面①—③，中層的潛在滑動面主要是滑面④—⑧，淺層潛在滑動面主要有滑面⑨—○11 以及⑨號潛在滑面以上的沿淺表卸荷帶內的強風化松散碎裂塊石層內呈近似圓弧形滑裂的潛在滑動面，潛在滑動面編號及計算模型見圖1。

圖1 潛在多滑動面邊坡模型Fig.1 Schematic diagram of slope model with multiple potential slip surfaces

中層潛在滑動面的認定，主要是根據(jù)鉆孔資料中揭示的碎裂巖和破碎帶，既要通過碎裂、破碎巖帶，而且潛在滑動面的主體部分主要沿著兩組順傾向節(jié)理的方向連接而成的，可能部分切斷巖橋，潛在滑動面的后緣主要沿著那組順傾向陡傾節(jié)理[4]；淺表卸荷帶內的強風化松散碎裂塊石層的物理力學特性相對較為均質，故可假設滑動模式為發(fā)生在該層內部的圓弧面滑動[5]。計算時取石英砂巖的天然重度為24.0 kN/m3，飽和重度為24.5 kN/m3。

在確定潛在滑面抗剪強度參數(shù)上，我們采用反算法[6]，具體過程如下：

(1) 根據(jù)野外實測和勘察成果，繪制出典型工程地質剖面圖。

(2) 在采用反分析方法檢驗滑動面抗剪強度指標時，對正在滑動的滑坡，其穩(wěn)定性系數(shù)可取0.95～1.00；對處于暫時穩(wěn)定的滑坡，其穩(wěn)定性系數(shù)可取1.00～1.05[7]。對于深層潛在滑動面①—③，天然狀態(tài)時取1.04,飽水狀態(tài)時取0.99；對于中層潛在滑動面④—⑧，天然狀態(tài)時取1.08,飽水狀態(tài)時取1.02；對于淺層潛在滑動面⑨—○11以及⑨號滑面以上的淺表強風化松散碎裂塊石層，考慮到該高陡斜坡體淺表巖層的卸荷作用、風化作用強烈，巖體破碎，把抗剪強度參數(shù)適當調低，天然狀態(tài)時穩(wěn)定系數(shù)取1.07,飽水工況下取1.01。

(3) 對c，φ在最可能的取值區(qū)間內進行參數(shù)敏感性分析，得出當穩(wěn)定系數(shù)為所取值的c-φ曲線。

(4) 最后，根據(jù)試驗結果和經驗調查綜合選取滑動面的c,φ值。

按照上述過程，我們對主要由斷層破碎帶及主要節(jié)理追蹤而成的潛在滑動面和淺表卸荷帶內強風化松散碎裂塊石層的力學指標進行反算，并按照反算結果和室內試驗結果綜合確定該高陡斜坡穩(wěn)定性的巖土物理力學參數(shù)建議值，結果如表1所示。

3.2 計算方法

對該高陡斜坡的典型工程地質剖面進行基于剛體極限平衡方法的多剖面多工況的穩(wěn)定性計算分析[8]。計算程序采用slide5.0版本程序，采用Janbu法和傳遞系數(shù)法進行自定義滑面穩(wěn)定性分析。計算公式為K=∑[cilicosθi+(Wi+Δhi)tanφi][sec2θi/

(1+tanφi·tanθi/FS)]/Σ[(Wi+Δhi)tanθi]。

(1)

式中：K為穩(wěn)定系數(shù)；ci為第i條塊滑動面上的黏聚力；li為第i條塊滑動面的長度；φi為第i條塊滑動體滑動面上的摩擦角；Wi為第i條塊的自重；θi為第i條塊滑動面的傾角；Δhi為第i條塊兩側的剪力增量;FS為安全系數(shù)。

表1 物理力學參數(shù)建議值

表2 穩(wěn)定系數(shù)計算結果

3.3 計算工況

考慮到高陡斜坡的實際情況，高陡斜坡的穩(wěn)定性計算分析按3種不同工況進行計算，分別為天然狀態(tài)、飽水狀態(tài)和飽水+地震狀態(tài)。

3.4 計算結果及分析

用前述所得的巖土物理力學參數(shù)建議值對所有潛在滑面在不同工況下多種不同治理方案進行穩(wěn)定性計算分析，穩(wěn)定系數(shù)計算全部結果如表2所示，以潛在滑面①為例，其在不同反壓高度下的計算簡圖如圖2所示。

圖2 潛在滑面①在不同反壓高度下的計算簡圖Fig.2 Diagrams for the calculation of potential slip surface ① with different surcharge heights

當K≥1.15為穩(wěn)定；1.05≤K<1.15為基本穩(wěn)定；1.00≤K<1.05為欠穩(wěn)定；K<1.00為不穩(wěn)定[9]。同時，吊坎壟高陡斜坡的安全等級為Ⅰ級，安全系數(shù)設計值按照以下方式確定：自重(天然狀態(tài))為1.3；自重+暴雨(飽水狀態(tài))為1.2；自重+暴雨(飽水狀態(tài))+地震荷載為1.1(地震作用的效應折減系數(shù)取0.25)。

由穩(wěn)定性計算結果可知：①反壓前各潛在滑面在天然狀態(tài)下為基本穩(wěn)定狀態(tài)，飽水狀況下為欠穩(wěn)定狀態(tài)，個別為不穩(wěn)定狀態(tài)；②隨著反壓高度的增加，各潛在滑面的穩(wěn)定系數(shù)逐漸增大；③當在坡腳反壓堆載30 m，再在該平臺上高陡斜坡側堆載24 m時，深層潛在滑動面已經達到設計要求的穩(wěn)定系數(shù)，只有個別中層滑動面沒有達到設計要求的穩(wěn)定系數(shù)；④當坡腳反壓堆載30 m，再在該平臺上高陡斜坡側堆載30 m時，深、中層滑動面均達到設計所要求穩(wěn)定系數(shù)。

表3 淺層潛在滑動面加固力計算結果

4 高陡斜坡的治理工程設計

4.1 方案擬定

通過分析穩(wěn)定性計算結果，可知為了防止該高陡斜坡的下滑變形，防止滑動災害的發(fā)生，需要對其進行應急加固治理。最終確定治理方案如下[10]：①首先利用坡腳堆載反壓的方法保證高陡斜坡深、中層滑動面的穩(wěn)定;②通過坡頂部分卸載來提高該高陡斜坡的穩(wěn)定性;③在保證深、中層潛在滑動面穩(wěn)定之后，再用錨桿支護的方法加固淺層滑動面和危巖。

4.2 反壓加固設計

反壓支護高度的確定是通過不斷的試算完成的。在計算過程中，首先試取一個反壓高度，然后建立相應的計算模型，并用前面確定的參數(shù)計算各潛在滑面在各工況下的穩(wěn)定性系數(shù)；之后，判斷穩(wěn)定性計算結果是否滿足設計要求，如果滿足要求，則結束計算，并且按此反壓高度進行設計，如果穩(wěn)定性計算結果不滿足設計要求，則試取另一反壓高度繼續(xù)上述計算，直至得到滿足設計要求所需的高度。

經過大量不同工況下不同反壓高度不同潛在滑動面的穩(wěn)定性計算分析(見表2)，最終計算確定坡頂部分卸載，并在坡腳需要反壓堆載30 m至550.5 m高程，再在該平臺上需加固斜坡側堆載30 m。

4.3 錨桿支護設計

錨桿支護的任務是保證淺層潛在滑動面的穩(wěn)定，淺層潛在滑動面加固力計算結果如表3所示。結合單個錨桿軸向拉力設計值計算參數(shù)和錨桿鋼筋直徑計算參數(shù)，確定加固方案：針對潛在滑面⑨設置Ф36的錨桿，共設置25排，間排距為2 m×2 m。坡面設置橫縱向地梁，地梁采用C25鋼筋混凝土現(xiàn)場澆筑，截面尺寸30 cm×30 cm。

4.4 削坡減載設計

削坡卸載工程分為2個部分:第1部分為隧道上方坡體，該坡體削坡后形成2級坡，第1級坡高為10 m，第2級坡高為9 m，坡比均為1∶1.5，削坡的第1級平臺的右端高程為671.5 m，左端高程為664 m，從右至左設計成5%的縱向坡;第2部分為隧道左邊的另一山坡體，該部分主要是為反壓堆填體提供石材原料,第2部分設置4級坡，第1級坡高為12 m，第2、第3級坡高均為10 m，1—3級坡比均為1∶1.5，第4級坡高為12 m，坡比為1∶2.8，削坡的第1平臺的左端高程為638 m，右端高程為634 m，從左至右設計成5%的縱向坡。

5 結 論

(1) 該高陡斜坡巖性較為復雜。綜合現(xiàn)場調查與鉆孔揭示的層面、斷層、節(jié)理、破碎帶和巖性特征等地質因素的發(fā)育及分布情況，建立了多種潛在滑面的計算模型。

(2) 通過反算，確定了深層、中層、卸荷帶內淺層和強風化松散碎裂塊石層潛在滑動面的物理力學參數(shù)，并計算了11個潛在滑面在天然狀態(tài)、飽水狀態(tài)和飽水+地震狀態(tài)3種工況下不同治理方案的穩(wěn)定系數(shù)。

(3) 綜合考慮滑坡地區(qū)的地質地形條件，提出了坡頂削坡卸載、坡腳堆載反壓和錨桿加固斜坡淺表的治理方案。經校核，治理后斜坡的11個潛在滑面均達到設計要求，滿足工程需要。同時，該邊坡在經過治理后至今4 a內，沒有再發(fā)生過大規(guī)模變形，證明了該治理方案的合理性。

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(編輯：王 慰)

Stability Analysis and Treatment Measures for High andSteep Slope of Rucheng-Chenzhou Expressway

ZHOU Ying-bo1，ZHANG Jun2，REN Wei-zhong1

(1.State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Institute of Rock and Soil Mechanics， Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071，China；2.CCCC Second Highway Consultants Co., Ltd., Wuhan 430056, China)

The high and steep slope of Rucheng-Chenzhou expressway is located between segment K65+410 and K65+680. Since March 2011, deep displacement had occurred in the slope in need of treatment measures. In this article, a slope model with multiple potential slip surfaces is built on the thorough understanding of the site’s geological conditions and the deformation mechanisms. The slope stability under different conditions is calculated with the limit equilibrium method. On this basis, treatment measures are put forward, including cutting slope, surcharge reaction and anchor bolts. The results offer basis for the design of high-steep slope treatment.Within 4 years after the treatment, no large-scale deformation occurred, which indicates that the high-steep slope treatment is successful.

Rucheng-Chenzhou expressway；high-steep slope；multiple slip surfaces；stability analysis；treatment

2016-05-06；

2016-05-27

國家自然科學青年基金項目(51008298)

周英博(1988-)，男，湖北黃石人，博士研究生，研究方向為邊坡的變形破壞機理與加固技術，(電話)18062773656(電子信箱)yingbozhou@126.com。

任偉中(1967-)，男，浙江金華人，研究員，博士，研究方向為巖土工程，(電話)18971075006(電子信箱)wzren@whrsm.ac.cn。

10.11988/ckyyb.20160442

2017,34(8):79-83

P642.22

A

1001-5485(2017)08-0079-05