宋朝輝, 李鵬舉, 張藝瀠

(1.華北水利水電大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院, 鄭州 450046; 2.河南省巖土工程與水工結(jié)構(gòu)研究院, 鄭州 450046)

目前,中國高速公路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)能力已位居世界前列,高速公路選線不可避免地需要穿過丘陵地段,邊坡失穩(wěn)問題時(shí)有發(fā)生[1]。由于公路等建設(shè)的需要,將自然邊坡進(jìn)行開挖,由此易形成牽引式滑坡[2]。但牽引式滑坡易被忽略,如果沒有采取合適有效的支護(hù)等工程措施,邊坡在開挖及其他原因失穩(wěn)后將可能形成破壞性的滑坡體,導(dǎo)致施工后期治理難度增大,施工的成本也將增加。故對其的防治方案研究對減少此類災(zāi)害的發(fā)生意義重大[3]。

近年來,大量專家與學(xué)者圍繞滑坡的失穩(wěn)機(jī)制及其加固措施開展了廣泛的研究,并獲得了不少重要成果[4-7]。牽引式滑坡即斜坡前緣因開挖或者侵蝕等出現(xiàn)局部失穩(wěn),邊坡下部土體首先發(fā)生滑動,坡腳支撐減弱,邊坡失穩(wěn)范圍不斷往上延伸的一種坡體失穩(wěn)滑動現(xiàn)象[8]。牽引式滑坡通常不是一次造成的,其破壞具有分級失穩(wěn)、逐漸貫通的特點(diǎn)。坡體被貫通的拉裂縫分成數(shù)級滑體,最后幾個小的滑面貫通成為主滑面,形成大規(guī)模的滑動變形。牽引型滑坡大多發(fā)生在由斷裂帶、風(fēng)化帶、沉積層和軟弱巖土夾層組成的斜坡地帶,其主要滑動體為松散層、軟弱夾層或古滑坡、蠕變體等[9-10]。公路建設(shè)過程中,坡面的下切常導(dǎo)致滑坡發(fā)生,其破壞范圍的確定對邊坡的控制具有重要意義[11]。

劉漢東和趙亞文[12]提出了巖體結(jié)構(gòu)控制論評價(jià)邊坡穩(wěn)定性的方法,其認(rèn)為在進(jìn)行數(shù)值模型分析時(shí),需要明確邊坡的介質(zhì)類型(連續(xù)介質(zhì)、非連續(xù)介質(zhì)),結(jié)合巖體的結(jié)構(gòu)類型和結(jié)構(gòu)面的組合特征選取最為恰當(dāng)?shù)姆椒āＱ芯繀^(qū)內(nèi)的地層以粉質(zhì)黏土、極軟巖為主,其中的黏土礦物較多,黏聚力也相對較大,故選用有限差分的方法建立模型進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析?；诂F(xiàn)場工程地質(zhì)勘查資料,選取主滑方向代表性剖面,建立該邊坡的數(shù)值計(jì)算模型,結(jié)合計(jì)算結(jié)果對路塹開挖導(dǎo)致牽引式滑坡的機(jī)理進(jìn)行剖析,提出相應(yīng)的治理措施,可為同類基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供一定的理論依據(jù)。

1 邊坡概況及工程地質(zhì)條件

1.1 基本概況

邊坡位于湖南省郴州市臨武縣武水鎮(zhèn)唐家水村境內(nèi),向南約2 km為S324省道。坡腳前緣臨武水河,岸邊有一條水泥公路,交通便捷。由于高速公路的建設(shè),坡腳開挖導(dǎo)致坡體產(chǎn)生多處橫向拉裂縫,隨后進(jìn)行排樁及土石反壓等工程措施,滑坡暫時(shí)穩(wěn)定。由于公路建設(shè)需要,排樁養(yǎng)護(hù)期滿后,將反壓土體挖去,但滑坡再度急劇發(fā)展,部分抗滑樁也出現(xiàn)傾覆等現(xiàn)象,急需重新制定治理措施。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,坡面變形主要為剪切裂縫與拉張裂縫。新生滑坡邊界在路塹以上部分幾乎完全追蹤了古滑坡,東西兩側(cè)出現(xiàn)了明顯剪切裂縫。在設(shè)計(jì)路線中線南側(cè)約1.5 m處產(chǎn)生了地面隆起,隆起高度約5 cm左右。由于前緣牽引,邊坡逐級失穩(wěn),拉張裂縫呈多級展布,寬度最大達(dá)40 cm。滑坡持續(xù)發(fā)展過程中,截水溝發(fā)生了嚴(yán)重的錯斷,錯距在豎直方向約1.3 m,水平方向達(dá)2 m。滑坡形成后,后緣滑坡壁及滑坡界限明顯,滑坡壁錯臺高度達(dá)1 m左右。

1.2 邊坡工程地質(zhì)條件

原地貌處于南嶺東段山脈的剝蝕丘陵麓坡地帶,下臨武水河河床(侵蝕岸)。邊坡處在兩丘峰夾持的山麓斜坡北坡間,此段丘陵山脈近東西向,丘峰呈近橢圓形,兩丘陵峰頂高程分別為348.5 m(西)與337 m(東),丘陵坡腳高程約255 m,整體形態(tài)略呈舌狀突出,由山頂至山腳距離約250 m。丘陵山坡總體呈前緩后陡趨勢,丘頂段約35～50°,其下突變至20°左右,再下為寬闊的緩坡地帶,坡度僅有10°左右,坡上植被稀少,雜草相對茂盛。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及工程地質(zhì)勘查資料,研究區(qū)內(nèi)存在古滑坡痕跡,大致范圍為丘陵陡坡以下至武水河岸邊的舌狀突出丘坡區(qū)域。推測該古滑坡年代較久遠(yuǎn),淺表形態(tài)自然埋沒,前緣因靠近武水河畔及人類活動區(qū)域,微地貌特征不明顯,但宏觀形態(tài)仍可推斷。

該區(qū)域巖層主要為二疊系龍?zhí)督M煤系地層,下伏不整合石炭系石磴子組碳酸鹽巖,如圖1所示。主要為強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)頁巖、炭泥質(zhì)頁巖含薄層硅鈣質(zhì)巖夾層與煤線夾層、灰?guī)r,巖層表面經(jīng)風(fēng)化剝蝕及坡面水流搬運(yùn),形成第四系坡殘積含礫粉質(zhì)黏土層。古滑坡的發(fā)生,滑移搬運(yùn)了前述部分原位巖土,并再次堆積,該部分巖土體的時(shí)代成因轉(zhuǎn)變?yōu)榈谒南等率阑露逊e物。

圖1 邊坡工程地質(zhì)剖面

邊坡地表水僅有降雨時(shí)的暫時(shí)性坡面水流。地下水主要為基巖裂隙水,貯存在炭泥質(zhì)頁巖層中,由于該層內(nèi)生裂隙發(fā)育,滲透性較好,地下水在其中滲透較快。

2 滑坡成因分析

邊坡具有非常明顯的滑坡地貌形態(tài)特征以及由滑坡造成的抗滑結(jié)構(gòu)顯著破壞現(xiàn)象,屬于高速公路路塹邊坡開挖導(dǎo)致的牽引式滑坡。通過對整個邊坡區(qū)域進(jìn)行工程地質(zhì)勘探,以及對物探、鉆探等勘探結(jié)果進(jìn)行更加深入的分析,表明該區(qū)域具有存在古滑坡與新生滑坡兩期次滑坡的特點(diǎn)。由路塹挖方形成的新滑坡主要位于K175+380～515范圍段,其西側(cè)側(cè)向牽引變形裂縫區(qū)已延伸至K175+365區(qū)段,其在路塹邊坡以上的部分基本完全追蹤了古滑坡。

2.1 不良地質(zhì)條件

新生滑坡處在丘坡的凹坡地帶,大氣降水形成的坡面流易向凹底匯聚。中部斜坡坡度較緩,流速較低,地表水更易滲入坡體,增大坡體巖土體重度,相應(yīng)增大下滑分力。同時(shí)降雨入滲將軟化巖土體,相應(yīng)降低其抗剪強(qiáng)度,入滲的降雨也將軟化滑面,相應(yīng)減損部分抗滑力。

邊坡主要地層為炭泥質(zhì)頁巖、含礫粉質(zhì)黏土,上述各地層的總體厚度大。其中的炭泥質(zhì)頁巖風(fēng)化程度不高,但該巖層本身屬極軟巖,其原狀強(qiáng)度與堅(jiān)硬土相仿,但結(jié)構(gòu)的抗擾動性,甚至不如均質(zhì)堅(jiān)硬土層。該地層呈脆性易折的鱗片狀、針條狀炭質(zhì)與黏土礦物混合或間夾的極薄片狀層狀構(gòu)造,富含有機(jī)成分與親水礦物,內(nèi)生的微裂隙密集,具較好的滲透性,吸水后易軟化和崩解。

該地層成巖后,受構(gòu)造擠壓強(qiáng)烈,巖層中褶曲揉皺變形普遍發(fā)育,并形成眾多的擠壓破碎軟弱面或帶(圖2),該滑坡的滑面即沿地層中鱗片狀破碎軟弱面發(fā)展貫通形成。

圖2 邊坡中的炭泥質(zhì)頁巖

2.2 古滑坡的存在

邊坡中有諸多古滑坡痕跡(圖3)。古滑坡發(fā)生后,滑坡的各邊界要素形成,在斜坡中形成了貫通的滑坡破碎面。古滑坡滑移時(shí),因其內(nèi)部滑移程度與速度不可能完全一致,形成了諸多的坡面、坡內(nèi)裂縫與裂隙,雖然古滑坡后期其穩(wěn)定性逐漸達(dá)到新的平衡,但上述裂隙、軟弱面等仍然殘留在坡體內(nèi),不會很快自然修復(fù),這些裂隙、軟弱面的殘留是產(chǎn)生新滑坡的敏感因素,若外部應(yīng)力條件改變,很容易導(dǎo)致古滑坡在新的邊界條件格局下的復(fù)活。

圖3 古滑坡擦痕

由工程地質(zhì)勘查場地古滑坡的邊界特征顯示,巖性界面成為其最主要的,也是最終的后緣拉張界線,滑動面則主要由炭泥質(zhì)頁巖中切層產(chǎn)生,現(xiàn)實(shí)的存在是對前述分析的反向印證。

2.3 路塹邊坡開挖

K175+300～600段高速公路路線位于山體的古滑坡中前緣,右側(cè)路塹邊坡開挖將古滑坡截切,邊坡坡腳已接近滑帶深度,造成臨空面上古滑坡的主滑段部分前緣臨空,誘發(fā)了其在路塹邊坡以上部分的復(fù)活,從而形成新生滑坡。

新生滑坡從發(fā)生到發(fā)展的過程急劇快速,正因?yàn)檫吰碌拈_挖,導(dǎo)致已存在的古滑坡邊界條件惡化,對路塹邊坡的穩(wěn)定相當(dāng)不利。新生滑坡除小里程端后緣未達(dá)到古滑坡對應(yīng)頂緣、前緣反翹未追蹤古滑坡的滑面外,在路塹邊坡以上部分基本完全追蹤和復(fù)活了其全部的空間邊界,其滑帶由高速公路路基中軸線附近反翹剪出。

邊坡的不良工程地質(zhì)條件與坡體中形成的貫穿性潛在滑動面、巖體軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育、不良水文地質(zhì)條件、地形的不利,尤其是古滑坡的存在共同構(gòu)成了新生滑坡產(chǎn)生的內(nèi)因;路塹邊坡在古滑坡體不適當(dāng)?shù)奈恢眯纬膳R空面,斜坡的下滑力與抗滑能力平衡被打破,是新生滑坡產(chǎn)生的最主要外因。內(nèi)因外因共同作用,導(dǎo)致該滑坡的發(fā)生,從最主要誘因進(jìn)行定義,該新生滑坡屬于工程滑坡。

3 邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析

在邊坡穩(wěn)定性評價(jià)中,數(shù)值模擬是常用的分析方法之一[13]。FLAC3D軟件能夠較好地模擬巖土體的三維力學(xué)行為,組成模型的單元網(wǎng)格可產(chǎn)生變形,其能夠準(zhǔn)確反映材料的屈服狀態(tài),適合模擬邊坡失穩(wěn)問題,故采用FLAC3D軟件來分析該邊坡的整體穩(wěn)定性。該軟件采用了三維連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日差分法,將顯式的拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術(shù)相結(jié)合,其是一款能夠?qū)ν?、巖石等材料的受力特性及塑性流動進(jìn)行詳細(xì)分析的三維數(shù)值仿真軟件[14]。

3.1 邊坡模型建立

結(jié)合現(xiàn)場勘查的地形、工程地質(zhì)和鉆孔等數(shù)據(jù),選取邊坡主剖面為計(jì)算剖面,利用Rhino軟件建立該邊坡的計(jì)算剖面模型,并導(dǎo)入FLAC3D軟件。根據(jù)物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)將該邊坡地層分為7個部分。在數(shù)值模型中,對各地層賦予對應(yīng)的物理力學(xué)參數(shù)。

設(shè)定該邊坡模型沿高程增大的方向?yàn)閦軸正方向,x軸方向?yàn)槠矫鎯?nèi)垂直z軸方向,沿邊坡外方向?yàn)閥軸負(fù)向,根據(jù)邊坡實(shí)際大小,數(shù)值模型沿x、y、z方向的長度分別為216.2 m、5 m、103.4 m。模型x=0 m與x=216.2 m邊界固定x方向位移進(jìn)行約束,y=0 m與y=5 m邊界固定y方向位移進(jìn)行約束,底部邊界固定水平與垂直位移進(jìn)行約束,坡面為自由邊界。模型重力荷載大小設(shè)置為g=10 m/s2,施加方向豎直向下。邊坡采用Mohr Coulomb本構(gòu)模型求解,各層巖土體物理力學(xué)參數(shù)賦值如表1所示。

表1 計(jì)算模型各地層物理力學(xué)參數(shù)

3.2 各施工階段模擬

根據(jù)現(xiàn)場勘察及鉆孔、物探資料,邊坡在開挖前即存在古滑坡帶,故建模時(shí)單獨(dú)建立該層,并單獨(dú)賦值。為了更好地模擬邊坡開挖失穩(wěn)的過程,建立數(shù)值模型后,分別進(jìn)行①邊坡開挖前、②邊坡開挖后、③成樁三個施工階段的數(shù)值計(jì)算,并分別求其解安全系數(shù),以表示不同階段邊坡的穩(wěn)定性。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

數(shù)值計(jì)算三個施工階段下的最大剪應(yīng)變增量,并給出其計(jì)算結(jié)果云圖(圖4)。分析結(jié)果如下。

在工況①下,邊坡上半部分受潛在的古滑坡面影響而產(chǎn)生了一定的位移,滑帶自滑坡后緣開始沿著古滑帶向前緣延伸,至滑體最低處,由于前緣阻滑段的作用,并未貫通。此時(shí)邊坡的安全系數(shù)為1.027,邊坡相對穩(wěn)定,但接近臨滑狀態(tài)。

在工況②下,由于高速公路建設(shè)坡腳開挖,部分阻滑體消失,滑面貫通,新滑坡形成,整個滑體沿滑面向下滑動,產(chǎn)生較大位移,最大剪應(yīng)變增量顯示滑帶基本沿著古滑坡帶在坡體前緣剪出。此時(shí)邊坡的安全系數(shù)為0.896<1,邊坡失穩(wěn)。

在工況③下,為了維持邊坡的穩(wěn)定,在坡腳處進(jìn)行了抗滑樁排樁的工程措施,為了邊坡的長期穩(wěn)定,樁體養(yǎng)護(hù)完成后,將樁間及樁后土體開挖準(zhǔn)備建立樁板墻,但此時(shí)坡腳失去支撐,在滑體下滑力的作用下,滑坡再度發(fā)展。最大剪應(yīng)變增量云圖顯示,由于坡腳樁體起到抗滑作用,滑帶并未貫通,但根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD30—2015)中的規(guī)定,正常工況下高速公路、一級公路邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)宜采用1.20～1.30[15],此時(shí)邊坡的安全系數(shù)為1.027,與工況②相比有所提高,達(dá)到了開挖之前的狀態(tài),但不符合規(guī)范要求,邊坡不穩(wěn)定。

3.4 改進(jìn)治理措施數(shù)值計(jì)算

根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD30—2015)的規(guī)定,針對部分抗滑樁出現(xiàn)明顯位移、傾覆的現(xiàn)狀,重新設(shè)計(jì)邊坡抗滑措施,保證高速公路的正常使用?，F(xiàn)設(shè)計(jì)方案如下。

(1)滑坡后緣部分卸載。由于新生滑坡后緣已基本完全追蹤古滑坡邊界,在滑坡周界以外,繼續(xù)擴(kuò)大發(fā)展的可能性比較低。且周界以外的巖土邊坡穩(wěn)定條件明顯較滑坡區(qū)域要好,因此基本上無繼續(xù)外擴(kuò)發(fā)展的可能。

(2)將路塹邊坡進(jìn)行削坡,并設(shè)為兩級坡,平臺寬度設(shè)為8 m,以增加邊坡的穩(wěn)定性。

(3)抗滑樁改為縱向雙排樁,樁頂采用冠粱剛性連接,抗滑樁仍然選用機(jī)械成樁的方式。該種結(jié)構(gòu)屬于“門架結(jié)構(gòu)”體系,其抗滑能力并非簡單的兩排樁抗滑疊加,而是一種具有更好的抗彎、抗剪、抗傾及發(fā)揮一定樁間土能力的復(fù)合結(jié)構(gòu)。樁長20 m,樁徑2 m,縱向樁間距為6 m,橫向樁間距為4 m,在滑坡后緣側(cè)抗滑樁樁頂設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索,角度為25°,根據(jù)建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范(GB 50330—2013)[16]以及剩余下滑力計(jì)算,設(shè)計(jì)錨固段為10 m,預(yù)應(yīng)力912.5 kN。

各抗滑結(jié)構(gòu)在數(shù)值模型中采用結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行計(jì)算,其布置位置如圖5所示,各部分參數(shù)如表2所示。

表2 各結(jié)構(gòu)單元參數(shù)

圖5 改進(jìn)后最大剪應(yīng)變增量云圖

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知,雙排樁加冠梁、錨索的結(jié)構(gòu)起到了明顯的抗滑作用,有效阻止了滑坡的進(jìn)一步發(fā)展。其邊坡安全系數(shù)達(dá)到了1.277,符合《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD30—2015)中的設(shè)計(jì)要求,邊坡穩(wěn)定。

4 結(jié)論

(1)高速公路路塹切坡誘發(fā)古滑坡的部分復(fù)活。新生滑坡的前緣淺于古滑坡滑面剪出形成反翹,主滑段在高速公路中線位置剪出。

(2)邊坡失穩(wěn)過程為臨界穩(wěn)定狀態(tài)—坡腳開挖—蠕滑變形—前緣失穩(wěn)—后緣張拉裂縫—滑帶貫通—邊坡失穩(wěn)。

(3)在設(shè)計(jì)抗滑結(jié)構(gòu)時(shí)沒有周全地考慮在該邊坡地層特點(diǎn)下的抗滑效果,嵌巖深度不夠,且開挖懸臂樁樁間、樁后土的施工方式不合理,導(dǎo)致滑坡再度快速發(fā)展?；潞缶夁M(jìn)行部分卸載,路塹邊坡設(shè)為兩級坡,采用縱向雙排樁,樁頂冠粱剛性連接,在后排抗滑樁樁頂設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明邊坡安全系數(shù)符合規(guī)范設(shè)計(jì)要求,邊坡趨于穩(wěn)定。