陳紫云

(1.四川省交通運輸廳交通勘察設計研究院，成都 610017；2.成都理工大學，成都 610059)

工程結構物地基的裂縫雖然不一定必然影響其結構安全，但是工程技術人員需要引起警覺，應高度重視建設場地的穩(wěn)定性。孫耀庭等[1](2014)認為，裂縫是巖石失去結合力的一種地質界面，是破裂作用的結果。裂縫按其形成條件可劃分為原生裂縫和次生裂縫。沉積巖原生裂縫主要為埋藏過程中受各種成巖作用影響形成成巖裂縫、構造應力變化引起巖石破裂而形成的構造裂縫和受熱接觸變質作用產生的變質收縮裂縫。次生裂縫，即后期的淺表生改造作用(李天斌等[2]，2002)會引起原生裂縫的發(fā)展演化或新的宏觀裂縫的形成。原生裂縫對建構筑物地基的影響主要是破壞其完整性，次生裂縫則往往對場地穩(wěn)定性具有一定的控制作用。一般來講，紅層丘陵地區(qū)處于斜坡地帶的宏觀裂縫多是次生裂縫，并不一定完全就是病害本身的全部，它往往僅是病害發(fā)生發(fā)展過程中所產生的現(xiàn)象。本文即以紅層丘陵區(qū)某橋梁墩臺地基深大裂縫病害為例開展調查研究，得出該病害為平推式滑坡的結論，并且其主滑方向并不是臨空方向，而是與臨空面走向小角度相交，且具有運動矢量合成的特征。

平推式滑坡屬于滑坡災害中較為特殊的一類，它的概念(張倬元等[3]，1985)提出以來，諸多學者從不同視角對平推式滑坡的形成條件、主要特征、致災機理、啟動判據(jù)進行了不同程度的研究，取得了較為豐富的成果[4-7]，特別是致災機理研究獲得了大家的共識，那就是平推式滑坡是由主要動力源——充填裂隙水壓力，及高承壓水形成的揚壓力等綜合作用所引發(fā)，并且在啟動判據(jù)[8]、底滑面承壓水滲流場[7]方面獲得了較為可喜的進展。但仍然存在不足的是，關于平推式滑坡的破壞模式及演化過程研究成果還較少[6]，并且尚無臨空方向與滑坡主滑方向不一致的案例。

1 工程概況及場地工程地質環(huán)境背景

1.1 工程概況

工程項目為四川紅層地區(qū)某重點高速公路，涉事段路面寬度26 m，設計速度100 km/h。涉事工點為一座跨溝谷大橋，全長413 m，位于縱坡-3%、半徑R=1 500 m、曲線長度L=725 m的圓曲線上，兩端接挖方路基。橋梁上部構造為10 m×40 m預應力混凝土簡支T梁(圖1)。涉事位置為第7跨大樁號的7號墩地基、基礎，其下部結構為雙柱式空心薄壁墩，墩高43 m，墩底尺寸650 cm×300 cm，基礎設計為6根長24 m、直徑Ф1.8 m的圓形挖孔灌注群樁，樁間距450 cm，樁基承臺尺寸：1 220 cm×770 cm×350 cm。相近橋跨的墩高分別為5號67+m、6號65+m、8號31+m、9號27+m。

圖1 橋梁布置示意圖

1.2 自然地理條件

區(qū)域上屬于亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，四季分明、氣候溫暖、光熱充足、雨量充沛、無霜期長，云霧較多、日照偏少，具有春早、夏長、秋涼、冬暖特征，夜雨多、風速小、濕度大，夏季雨、熱集中，多旱澇，降雨多集中在5～9月，約占全年降雨量的70%，秋季綿雨頻率高。多年平均氣溫17.6 ℃，極端高溫40.2 ℃(最熱月8月)；極端低溫-3.70 ℃(最冷月1月)。多年氣象平均值：日照數(shù)1 285.7 h，降水量1 025.8 mm，蒸發(fā)量1 168.3 mm，相對濕度82%，霧日47.4 d，無霜期314 d。主導風向為東北風及西北風，平均風速1.4 m/s，最大風速17 m/s，靜風頻率36%。

1.3 工程地質條件

項目區(qū)地處四川盆地中部，屬構造侵蝕剝蝕型丘陵區(qū)。橋址區(qū)微地貌受巖性和外營力綜合控制，為橢圓形“U”型槽谷，乃砂泥巖差異風化和地表徑流影響所致。公路軸線地面高程339～421 m，相對高差82 m。兩岸斜坡坡度25°～35°，局部達45°～50°，為多級陡坎臺階，高度一般2～7 m，個別大于15 m，臺階階面平緩，寬5～20 m不等。谷底寬35～45 m，地形開闊平緩，原多為稻田。丘頂及陡坡處基巖大面積出露，臺階平臺多為旱地，散居農舍，陡坡多為林地，有少量灌木、柏樹。橋梁跨越2.0±m(xù)的常年流水小沖溝，勘測時水位高程為339.15 m，水深0.5～1.0 m，最高洪水位340.50 m(訪問)。

橋址區(qū)主要地層為全新統(tǒng)殘坡積層(Q4el+dl)、坡洪積層(Q4dl+pl)和侏羅系遂寧組(J3s)基巖。殘坡積層主要為粉質黏土，紫紅色、黃褐色等，稍濕-濕，可塑-硬塑，含少量碎石、角礫，厚度約0.4～1.5 m。坡洪積層粉質黏土為紅褐色，濕，可塑，鉆孔揭露厚度約8.1 m，主要分布于丘間谷地。基巖為粉砂質泥巖、砂巖，產狀70°∠4°。泥巖為褐紅色、紫紅色，局部夾灰綠色砂質團塊，薄-中厚層狀構造。砂巖為灰白色、灰褐色等，礦物成分主要為長石、石英巖屑，厚層-巨厚層狀構造，粉細粒結構，巖體較完整，巖芯多呈長柱狀，少量短柱狀、碎塊狀?；鶐r中少量陡傾角裂隙發(fā)育，裂面起伏，偶見鐵錳質浸染。泥巖中偶見石膏，發(fā)育個別5～35 mm溶蝕孔洞。鉆孔揭露基巖強風化層厚度約1.1～6.9 m不等。單軸飽和抗壓強度：中風化砂巖為13.7～23.6 MPa，標準值為19.08 MPa，為較軟巖；中風化粉砂質泥巖2組，一組為5.12～11.48 MPa，標準值為6.70 MPa；另一組單軸飽和抗壓強度為1.35～3.45 MPa，標準值為2.09 MPa，屬極軟巖。不同層次、不同部位砂巖、粉砂質泥巖由于結構面發(fā)育程度、膠結物類型和風化卸荷的差異而有所不同，不同埋藏條件的完整性和力學性質差異較大(圖2)。

圖2 橋梁及址區(qū)工程地質平面示意圖

區(qū)域上無大的斷裂，褶皺寬闊平緩，表現(xiàn)為彼此排列有序的寬緩鼻狀背斜和箕狀向斜。橋址區(qū)處于川內某向斜北翼，巖層產狀平緩，巖層傾角一般1°～5°。地震動峰值加速度為0.05 g，地震動反應譜特征周期為0.35s，對應的地震基本烈度為Ⅵ度。小樁號左岸砂巖體中發(fā)育3組裂隙：L1產狀62°∠86°，可見延伸大于3 m，間距3～4 m；L2產狀118°∠87°，可見延伸大于5 m，間距4～5 m；L3產狀151°∠87°，可見延伸大于3 m，間距2～3 m。裂面均較平直、光滑，閉合。大樁號右岸砂巖體中主要發(fā)育3組裂隙：L1產狀285°∠83° ，可見延伸2.0～3.5 m，間距1.0～1.5 m，裂面粗糙，平直，鐵質浸染，無充填；L2產狀170°∠83°，可見延伸長度3.5～5.0 m，間距0.5～1.0 m，裂面粗糙，平直，閉合；L3產狀45°∠85°，可見延伸長度0.3～0.5 m，間距1.0～1.5 m，裂面粗糙，平直，閉合。對應赤平投影圖如圖3、4(P為坡面)。兩岸的裂隙產狀具有一定特征：均為陡傾裂隙，L1均與坡面大致平行，左岸L3與右岸L2產狀大致一致、左岸L2與右岸L1大致一致，左岸L1與右岸L3大致一致，結合裂隙特征和區(qū)域構造看，在NW-SE向主壓應力作用下，形成了NW走向的剪切裂隙和NE走向、SE向偏NE向X型剪張節(jié)理。

圖3 小樁號左岸裂隙赤平投影分析圖

圖4 大樁號右岸裂隙赤平投影分析圖

地表水主要為槽谷的溝谷水，為涪江二級支流的支流，接受大氣降水補給，順河流排泄于下游。地下水為松散堆積層孔隙水、基巖裂隙水?？紫端邮艽髿饨邓难a給，并與溝(河)水互為補排關系，具有含水層厚，分布較窄，補給源近，富水性、透水性差的特征。裂隙水賦存基巖裂隙中，接受大氣降水、地表水和上覆松散層地下水補給，順地形就近向坡下及溪溝中排泄，總體貧乏。根據(jù)水質簡分析成果，地表水、地下水均屬弱堿性、低礦化度的HCO3-Ca·Mg型水，對鋼筋、混凝土存在微腐蝕性。

2 墩臺地基裂縫病害基本情況及分析

2.1 裂縫調查情況及分析

樁基及裂縫位置投影的平面示意圖、裂縫發(fā)展趨勢擬合分析結果見圖5。

1.據(jù)開挖樁基孔裂隙推測裂縫的平面投影;2.據(jù)樁孔中裂縫產狀推測裂縫宏觀走向；3.已澆筑樁基；4.未開挖樁基；5.已開挖樁基圖5 樁基、裂縫平面投影擬合示意圖

大橋左幅7-3#樁孔約13.2～15.2 m處孔壁兩側發(fā)育近垂直于層面的裂縫(圖6)，可見長約2 m，最大寬度達15 cm，裂面光滑，有少量砂巖角礫填充，產狀268°∠81°，走向基本平行坡面，陡傾坡外； 右幅7-2#樁孔約13.25～18.5 m處孔壁兩側發(fā)育近垂直于層面的裂縫(圖7)，可見長約5.2 m，最大寬度達20 cm，裂面光滑，無填充，產狀275°∠88°，走向基本平行坡面，陡傾坡外。孔內所觀測到的裂縫均僅發(fā)育于砂巖體中，并僅在砂巖層貫通，未切穿泥巖層。孔內測量穩(wěn)定地下水位-8.5 m(詳勘測量水位-9.0 m)。

圖6 左幅7-3#樁基孔內裂隙

圖7 右幅7-2#樁基孔內裂隙

左幅7-1#、7-4#和右幅7-3#已完成樁基澆筑，孔內未發(fā)現(xiàn)宏觀裂隙發(fā)育。左幅7-2#和右幅7-1#樁基孔尚未開挖。

由圖6、7可見，右幅裂縫中有水泥漿充填，左幅存在較為明顯的剪切裂縫特征，裂面平直光滑，無任何充填，且兩側發(fā)育剪切節(jié)理。

若按照左幅7-3#孔內裂縫產狀及發(fā)展趨勢擬合，則必然與左幅7-1#相交，而孔內無充填，在具有貫通滲漏的條件下，說明趨勢擬合推測不合理，裂隙應該遠離左幅7-1#(見圖5)。

若按右幅7-2#裂縫產狀及發(fā)展趨勢擬合，則裂縫將從右幅7-3#邊緣通過，具有滲透條件。右幅7-3#于5月27日澆筑，右幅7-2#于5月31日開始開挖，具有滲透時間差。從圖7所見的水泥漿充填情況分析，趨勢擬合是合理的。

2.2 場地周邊調查情況及分析

裂縫外側順路線走向具有臨空條件，為右岸坡面(傾向WWN)，因砂泥巖差異風化形成了高約2～4 m、深約2.5～3.0 m的凹巖腔(圖8、9)，局部存在坍落、掉塊現(xiàn)象，凹巖腔前緣發(fā)現(xiàn)一處新近相對滑移跡象，局部滲水，無泉點出露，滑移矢量方向約205°±5°，相對位移約3～5cm(圖9、10)。

場地南側存在傾向SW的臨空面(參見圖15)，與右岸坡面(傾向WWN)的臨空面相交，在其拐角處偏SE發(fā)育宏觀的長大貫通裂隙(圖11)，上寬下窄，平均張開寬度大于20 cm，裂面粗糙、平直，基本無充填。裂縫傾向280°左右，傾角70°～80°。受另一組裂隙(L2)切割，前緣發(fā)育一長約3 m寬約4 m厚約2.5 m的危巖體，并且新近活動的痕跡明顯(圖12)。

圖8 右岸斜坡地貌

圖9 前緣差異風化形成的凹巖腔

圖10 相對滑移造成泥巖剝落

圖11 場地西南側臨空面裂縫

圖12 變形體(危巖體)

值得注意的是，本場地巖層的層面與砂泥巖界面存在交角(圖8)，與其成巖建造環(huán)境密切相關，但卻較大地影響了本病害的發(fā)生和發(fā)展。通過右岸邊坡測繪發(fā)現(xiàn)，砂泥巖界面傾向SSW，傾角約4°，在公路左側便道位置，凹巖腔頂部砂巖層距離河溝平臺高度約3.5～4.0 m(圖13)，向南55 m后在兩個臨空面交匯帶則與河溝平臺基本相交(圖14)。橋梁勘察鉆探揭露，場地東45 m鉆孔未發(fā)現(xiàn)砂巖，再西34 m偏南13 m發(fā)現(xiàn)相近高程1.5 m和1.0 m兩層砂巖(中夾3.5m粉砂質泥巖)，而在其西跨溝162 m鉆孔同高程發(fā)現(xiàn)8.9 m厚砂巖層，相應的邊坡也出露該地層。鉆探、地質測繪成果綜合說明其建造環(huán)境為河流-洪泛韻律式交錯沉積[9]，砂泥巖接觸面與層面斜交，成為了控制斜坡穩(wěn)定性的主要內因之一。

場地及周邊未發(fā)現(xiàn)其它變形跡象。

裂縫病害調查情況匯總及綜合分析參見圖15。

圖13 便道位置凹巖腔顯示砂泥巖接觸面

圖14 場地南側臨空面交匯帶砂泥巖接觸面

2.3 病害的潛在危害

裂縫貫穿7#橋臺，其下方緊鄰6#橋墩，無論發(fā)生何種破壞，將直接對7#橋臺的基礎產生破壞，若發(fā)生側向滑移(塌)，則直接對6#橋墩造成破壞，都會直接導致大橋損毀，高速斷道，直徑經(jīng)濟損失巨大，社會影響嚴重。

3 病害成因機制及發(fā)展趨勢

3.1 病害性質

7#橋臺外側存在兩個方向的臨空面，6#橋臺內側坡腳存在長近50 m的凹巖腔，凹巖腔砂泥巖界面發(fā)現(xiàn)明顯的相對位移痕跡(見圖10)，7#臺南側發(fā)現(xiàn)變形體并伴隨明顯的新近活動現(xiàn)象(見圖12)，因此該病害本質上為一巖質滑坡體，滑床為泥巖或粉砂質泥巖，滑動面為砂泥巖接觸面，后緣受L3裂隙、樁基孔發(fā)現(xiàn)的裂隙綜合控制，前緣為兩臨空面交匯帶，活動矢量方向非巖層傾向，受巖層產狀、凹巖腔、臨空面綜合控制，約205°左右，滑坡體規(guī)模約3.5×104m3。

3.2 病害形成機制

滑坡體的形成過程為：砂泥巖互層、構造裂隙發(fā)育，使得場地具有裂隙充水和層間承壓水發(fā)育條件，7#臺西側坡腳砂泥巖差異風化形成凹巖腔，導致坡腳支撐減弱，抗滑接觸面范圍減小，在后緣構造裂隙水壓力和承壓水揚壓力共同作用下發(fā)生急劇滑移變形，再對構造裂隙產生拉裂，裂隙充水高度降低，自動止滑，裂隙再充水后進一步加劇滑坡活動?；禄顒釉斐闪饲熬壍淖冃误w(危巖體)產生(參見圖15、圖17)，新近施工堆載作為傾覆力矩(參見圖16)，客觀上也惡化了滑坡的平衡條件，故滑坡前緣新近活動形跡明顯。此外，因為砂泥巖接觸面在場地南側與地面完全相交，客觀上起到了阻礙滑坡活動空間的作用，且滑坡活動的主要動力來源為后緣裂隙水，故滑坡活動具有滑動—止滑—滑動—止滑…陣發(fā)特征。

滑坡形成的力學機制為：動力來源為重力和裂隙水壓力(圖16、圖17)，活動機制為滑移-拉裂[3]，對此，前人進行了大量的研究[10-13]。簡要歸結起來，本病害的起動過程如下：

(1) 變形前，圖16(a)，平行于臨空面的陡傾裂隙為構造裂隙，充水時對巖體產生總靜水壓力γwh2/2(裂隙底部靜水壓力γwh，大致呈三角形分布)。理論上講，陡傾裂隙與水平裂隙交點的揚壓力值與靜水壓力值相等?；嬷胁恳蛄严敦炌āB透性差異等，揚壓力分布不均勻，故文中賦予了理論系數(shù)K。

(2) 坡腳應力集中及差異風化逐步形成凹巖腔，邊坡應力調整：坡腳應力值升高，支撐與摩阻均減弱，坡體發(fā)生小位移偏轉變形(砂巖體厚度僅30 m，剛度較大，產生板梁效應)，后緣拉張、底部剪切。

(3) 后緣拉張后構造裂隙間隙擴大、尖端裂紋擴展，靜水壓力增大，底部砂泥巖接觸面剪切作用增強，形成裂隙并充水，加之砂泥巖滲透性差異形成承壓水，產生揚壓力，惡化了斜坡穩(wěn)定條件。

(4) 因反傾層面約束、突發(fā)滑坡后水壓力的迅速消散自動止滑，斜坡不致迅速滑移、翻轉發(fā)生破壞，而是沿有利于其活動的砂泥巖接觸面向南蠕滑(間歇式滑動)變形(圖17)，此時，后緣裂隙的性質轉變?yōu)閺埣?參見圖5、6)?；顒拥氖噶糠较驗檫\動合成后的方向——S205°W，如圖16(b)。

(5) 起動判據(jù)：

(1)[3]

式中,hcr為滑坡啟動的臨界充水高度(m)；α為順滑真傾角(°)；L為底滑面長度(m)；tgφ為滑帶土綜合摩擦系數(shù)，這里取0.45；W為滑塊單寬重量(t/m)。

1.根據(jù)裂隙L3產狀推測的裂縫平面投影;2.根據(jù)開挖樁基孔裂隙推測的裂縫平面投影;3.實測裂縫;4.實測凹巖腔及分布范圍；5．實測場地南側變形體(危巖體)位置及范圍；6．樁孔開挖棄渣堆放范圍；7．卸載清方范圍；8.滑坡體活動矢量(合成)方向圖15 裂縫病害調查情況匯總及綜合分析圖

h為裂隙充水高度;γw為充水的重度(一般9.8 kN/m3);K為與裂隙貫通性有關的折減系數(shù)，下同。圖16 臨空面方向的滑坡剖面圖

圖17 活動矢量方向的滑坡剖面圖

根據(jù)式(1)試算，圖16剖面的hcr為7.5 m，圖17剖面的hcr為11.5 m。公式基于力的極限平衡推導，趙權利等[3]對式(1)進行了修正，考慮了滑動帶裂隙延伸、滲透等對承壓水分布狀態(tài)的影響，增加了k(滲透系數(shù))、q(滲流量)、H(滑帶滲透層厚度)3個系數(shù)，但仍然不能周全地考慮上覆體的厚度與滑帶長度的相關關系，以及棄渣加載作用、位置對斜坡安全的影響，計算結果均可能較實際情況偏不安全。但無論采取上述哪種公式試算，都說明場地裂隙8.50～9.00 m的水頭高度能夠引起平推式滑坡活動，其臨界水頭高度hcr大于當前所測的裂隙水柱高度，雖然裂隙水造成滑坡突然速滑破壞的可能性小，但卻是滑坡活動的主要控制因素，應予以重視。

3.3 病害發(fā)展趨勢預測

控制病害發(fā)育發(fā)展的內因為斜坡結構，包括厚層砂巖及軟弱基座，裂隙及其不利組合，以及斜坡微地貌形態(tài)。外因主要為裂隙充水條件和差異風化作用。施工后的棄渣加載，增加了滑坡體的轉動力矩(圖16)，客觀上會促進后緣裂隙的進一步發(fā)展，并加速底滑面裂隙的連通性、增大張開度，導致后緣裂隙水壓力和滑面揚壓力的增高，加速滑坡活動，場地南側新近活動形成的變形體也證實了這一點。但是，因為裂隙水壓力所致平推式滑坡活動的特殊性，滑坡活動具有突發(fā)性，活動后水壓力消散降低自動止滑，所以目前滑坡新近活動所遭受的主要誘發(fā)外力還是為堆載。

滑坡活動矢量方向存在運動合成，對橋梁樁基將形成拉剪作用，但因滑坡的低位剪出口約束作用，滑坡最終的破壞型式為低速滑移——翻轉，導致7#橋臺發(fā)生偏轉、拉裂，樁基發(fā)生剪切破壞，6#橋臺被沖擊而發(fā)生變形甚至倒塌，危害波及相臨橋跨。

4 病害處治方案

對癥開方，因病施策。本病害控制因素多，成因機制較為復雜，其綜合處治方案如下：

(1) 圬工嵌補凹巖腔，參見圖16，必要時增設凸榫等抗滑結構，恢復斜坡結構。

(2) 仰孔排水，深入或貫穿后緣裂隙、貫穿滑動帶，削減、控制裂隙水壓力和揚壓力。

(3) 后緣裂縫高標號注漿，充填裂縫控制裂隙水頭，提高裂隙面抗剪強度。

(4) 滑坡體外設置環(huán)形截排水措施，切斷地表補給。

(5) 清運棄渣、削坡減載，剖面參見圖15，范圍參見圖16。

(6) 強化橋梁基礎和下部結構，例如樁基加深、加粗，設置鋼護筒，提高混凝土的標號，加強承臺強度等。

5 結論及建議

(1) 本裂縫病害實質為平推式滑坡，主滑方向與臨空面走向小角度相交，滑動矢量方向具有運動合成特征，使得其成因機制顯得更為復雜。病害的力學機制為滑移——拉裂，運動機制為滑移——翻轉。

(2) 厚層砂巖、軟弱基座和差異風化形成的凹巖腔，構造形成的剪切裂隙及組合共同構成了滑坡活動的控制性內因，裂隙水及其補給為控制性外因，施工棄土對滑坡活動具有積極推動作用。

(3) 處治方案需要因癥施策、綜合處治：凹巖腔嵌補、裂縫灌縫等結構修復為根本，仰孔排水、滑坡體外截排水等排水、控水為關鍵，清渣、削坡等減載為輔助，橋梁基礎加固為保障。