某黃土路塹高邊坡變形分析及應(yīng)急工程設(shè)計(jì)

張 軍

（山西省公路局 臨汾分局，山西 臨汾 041000）

0 引言

公路高邊坡具有數(shù)量多、地質(zhì)條件復(fù)雜及施工速度快、施工期和運(yùn)營(yíng)期變形破壞事例頻發(fā)等特點(diǎn)[1]。而在我國(guó)的北方地區(qū)，越來(lái)越多的工程項(xiàng)目存在高邊坡開(kāi)挖，遇到的一個(gè)重要問(wèn)題就是黃土邊坡的穩(wěn)定問(wèn)題。這一問(wèn)題不僅嚴(yán)重影響公路建設(shè)的施工進(jìn)度甚至施工安全，而且在公路竣工后還可能對(duì)公路的安全運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生嚴(yán)重的危害[2]。

何紅前[3]通過(guò)分析黃土高邊坡研究中存在的不足之處以及諸多問(wèn)題以后，從邊坡穩(wěn)定性及其防護(hù)方案兩方面入手展開(kāi)研究。研究表明黃土中的古土壤和鈣質(zhì)結(jié)核由于內(nèi)聚力較大，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性有積極意義。劉海松[4]將公路黃土高邊坡劃分為八大類(lèi)，總結(jié)了各地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的分布規(guī)律和特征，并對(duì)不同坡型黃土高邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)，同時(shí)結(jié)合邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，提出了公路黃土高邊坡的合理坡型設(shè)計(jì)方案，這對(duì)公路黃土高邊坡穩(wěn)定性分析以及防護(hù)工程設(shè)計(jì)（包括植物防護(hù)設(shè)計(jì)）都具有非常重要的實(shí)際意義。

為了進(jìn)一步研究黃土地區(qū)路塹高邊坡的變形機(jī)理和防治設(shè)計(jì)，很有必要進(jìn)行黃土路塹高邊坡的勘察設(shè)計(jì)施工的研究和總結(jié)，以進(jìn)一步完善相關(guān)設(shè)計(jì)和施工技術(shù)的應(yīng)用，為以后避免類(lèi)似問(wèn)題、節(jié)約工程造價(jià)以及應(yīng)急設(shè)計(jì)提供高價(jià)值的技術(shù)支持。

1 工程概況

某高邊坡公路里程為K630+478—+545，最高開(kāi)挖達(dá)75 m，于2005年完成施工。在2007年雨季曾在三、四級(jí)邊坡平臺(tái)上產(chǎn)生變形，三級(jí)邊坡出現(xiàn)沿路線長(zhǎng)度約11 m寬的滑塌，三級(jí)邊坡坡面下陷，滑塌土體堆積于二級(jí)邊坡平臺(tái)上，并在滑塌后緣的三級(jí)邊坡平臺(tái)上，已形成包含滑塌體的弧形裂縫，裂縫寬約5～15 cm，長(zhǎng)度約36 m，裂縫兩側(cè)形成了最大約20 cm的錯(cuò)臺(tái)，裂縫延伸穿過(guò)三級(jí)邊坡坡面至二級(jí)邊坡平臺(tái)上，坡面鼓裂，其影響范圍為K630+503—K630+544。

2011年10月，一二級(jí)邊坡又一次發(fā)生坍塌，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，除三、四級(jí)邊坡平臺(tái)原有變形裂縫有較大發(fā)展外，三級(jí)邊坡出現(xiàn)坡面坍塌，在六級(jí)邊坡上出現(xiàn)圈椅狀拉裂縫，縫寬約5～10 cm，裂縫內(nèi)側(cè)下陷約15～20 cm；五級(jí)邊坡平臺(tái)北部出現(xiàn)多條沉陷裂縫，縫寬約20 cm，下陷約20～60 cm，上述新的裂縫在向一級(jí)邊坡延伸并與邊溝拐角處2007年出現(xiàn)的裂縫相接。

該段高邊坡的變形破壞嚴(yán)重，已危及該段公路的安全運(yùn)營(yíng)，急需進(jìn)行應(yīng)急治理工程設(shè)計(jì)。

2 高邊坡的工程地質(zhì)特征

2.1 地形地貌

該高邊坡地貌總體特征為中黃土梁峁地貌，受沖蝕作用，邊坡南北兩側(cè)，各發(fā)育一條沖溝，地形高差較大，最大高差達(dá)75 m左右?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查未發(fā)現(xiàn)由6級(jí)邊坡延伸的裂縫構(gòu)成的變形體在其他分級(jí)邊坡上有剪出的跡象，由此分析該變形體屬較深層的變形，其滑面已產(chǎn)生并基本貫通，已形成滑坡，目前處于擠壓變形階段。由變形裂縫構(gòu)成的滑體范圍，后緣至六級(jí)邊坡中上部，前緣至一級(jí)邊坡坡腳，平面上縱向長(zhǎng)度約75 m，前后高差約 56 m，滑體寬40～60 m，平均厚度 22 m，體積約 8×105m3。

2.2 地層結(jié)構(gòu)

據(jù)勘探揭示，滑體土主要由上部黃土（Q3馬蘭黃土、Q2離石黃土）、弱膨脹土及坡腳附近卵石組成，除前部坡口處因坍塌松散外，土體整體結(jié)構(gòu)基本保留。詳述如下：

第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積馬蘭黃土（Q3eol）為灰黃色，垂直節(jié)理發(fā)育、具大孔隙，具中強(qiáng)濕陷性，在邊坡上形成三處落水洞。第四系中更新統(tǒng)風(fēng)積離石黃土（Q2eol）與馬蘭黃土以紅褐色古土壤層分界，具有大孔隙，土質(zhì)較硬，發(fā)育多層紅褐色古土壤層，受剝蝕作用影響，古土壤層多以密集鈣質(zhì)結(jié)核層形式存在。第四系中更新統(tǒng)沖洪積膨脹土（Q2al+pl）以紅褐色為主，巖性主要為亞黏土，土質(zhì)較均勻、致密，裂隙較發(fā)育，裂隙面光滑，其上可見(jiàn)擦痕，擦痕指向不規(guī)則，具弱膨脹性?？梢?jiàn)鈣質(zhì)結(jié)核和鐵錳質(zhì)結(jié)核，局部密集成層，但具有明顯的再次搬運(yùn)特征，為非原生。第四系中更新統(tǒng)沖洪積卵石層（Q2al+pl）在小樁號(hào)側(cè)坍塌段的一級(jí)邊坡坍塌面中部見(jiàn)到，夾于弱膨脹土層中，呈透鏡體狀，與紅褐色膨脹土呈相變關(guān)系。卵石成分以灰?guī)r、變質(zhì)巖為主，亞圓形，最大粒徑約20 cm，最小粒徑約4 cm，一般粒徑8～15 cm，含漂石，充填砂礫約25%，密實(shí)。

滑帶位于上述土層中，滑帶厚度5～10 cm，含水量高，土質(zhì)疏松，黏性土滑帶呈軟塑狀態(tài)，鉆孔揭示有滲水現(xiàn)象。

3 滑坡的成因和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

3.1 滑坡的成因分析

滑體所在地段邊坡高度大，臨空面高，坡體應(yīng)力調(diào)整出現(xiàn)裂縫，在降雨作用下，坡面、平臺(tái)排水不暢，雨水沿孔隙及裂縫滲入，在滑帶附近聚集，局部達(dá)到飽和狀態(tài)，形成軟弱帶，使土體抗剪強(qiáng)度降低，產(chǎn)生坡體變形；在2011年較長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)降雨作用下，大量雨水滲入坡體，引起軟弱帶擴(kuò)展、抗剪強(qiáng)度進(jìn)一步降低、坡體重量增加，導(dǎo)致坡體發(fā)生滑動(dòng)變形，并牽引后部坡體出現(xiàn)多條拉張裂縫。但由于一級(jí)邊坡高度范圍內(nèi)局部存在卵石層，起到一定的抗滑作用，故未能導(dǎo)致坡體產(chǎn)生較大滑動(dòng)。

3.2 滑坡的穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)

按照《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（JTG C20－2011）定性評(píng)價(jià)，該高邊坡已產(chǎn)生了明顯的變形，其滑面已產(chǎn)生并基本貫通，已形成滑坡。從裂縫后緣帶變形較大，前緣變形相對(duì)較小的特點(diǎn)分析，變形方式表現(xiàn)為以推移為主的擠壓滑動(dòng),目前處于擠壓變形階段。

根據(jù)勘察成果，并結(jié)合類(lèi)似滑坡治理工程經(jīng)驗(yàn)及滑坡反算成果，選取如下參數(shù)對(duì)該滑體主滑斷面的穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算：土的重度取γ=20 kN/m3、γ飽和=21 kN/m3，按綜合分析所推測(cè)的滑面，取穩(wěn)定系數(shù)K=0.99，滑面內(nèi)黏聚力c=25 kPa（反算時(shí)，卵石層的指標(biāo)取c=0 kPa、φ=35°），反算結(jié)果滑面摩擦角φ=15.2°。主體斷面上該滑體的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

采用不平衡推力法進(jìn)行計(jì)算，滑坡計(jì)算條分圖見(jiàn)圖1，滑坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 滑坡穩(wěn)定性計(jì)算一覽表

圖1 滑坡主斷面條分圖

經(jīng)綜合分析，判定該段高邊坡在天然狀態(tài)下、暴雨或持續(xù)降雨?duì)顟B(tài)下以及地震狀態(tài)均處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

4 滑坡的治理設(shè)計(jì)

4.1 滑坡治理工程設(shè)計(jì)

該段高邊坡的變形已嚴(yán)重影響到該段公路的安全運(yùn)營(yíng)，為了保證該段坡體的穩(wěn)定，對(duì)其主要采用減載+擋土墻+滲溝+截排水等工程措施進(jìn)行綜合治理，在弱膨脹土滲水層設(shè)置支撐滲溝進(jìn)行地下水的排導(dǎo)，并對(duì)整個(gè)坡面的截排水系統(tǒng)進(jìn)行完善，保證地表匯水的順利排出。斷面工程布置圖見(jiàn)圖2。

圖2 工程布置斷面圖（單位：m）

4.1.1 臨時(shí)安全工程

為防止施工開(kāi)挖時(shí)土石塊滾落路面，對(duì)行車(chē)安全造成損害，必須進(jìn)行臨時(shí)安全工程設(shè)計(jì)。在K630+478—+545區(qū)間，設(shè)置長(zhǎng) 70 m、高 1.0 m、厚0.6 m的混凝土路面防擋墻，攔截坡面滾落的土石塊。防擋墻采用1.80 m×1.0 m×0.6 m的C25混凝土預(yù)制件組裝，預(yù)制塊采用構(gòu)造配筋，其頂設(shè)置吊環(huán)，以便吊運(yùn)。

開(kāi)挖邊坡時(shí)，在下級(jí)邊坡平臺(tái)上設(shè)置護(hù)攔板對(duì)坡口處土石塊進(jìn)行攔擋。護(hù)攔板制作如下：采用架管搭設(shè)三角形骨架，寬、高分別為2 m，縱向間距2 m，彩鋼板固定于三角形骨架立面。單道攔擋板總長(zhǎng)度160 m，重復(fù)使用。

4.1.2 削方減載工程

由于該段邊坡后部為反向坡，有較好的削坡減載條件，故由一級(jí)邊坡平臺(tái)向后分級(jí)減載，加寬一級(jí)邊坡平臺(tái)至8 m，二級(jí)邊坡坡率為1∶0.75，坡高10 m、平臺(tái)寬度14 m；三級(jí)邊坡坡高10 m、坡率1∶1.5，三級(jí)平臺(tái)寬8 m；四級(jí)邊坡高度10 m、坡率1∶1.25、平臺(tái)寬度8 m；五級(jí)邊坡坡高9 m、坡率1∶1.25與高程為871 m的寬減載平臺(tái)相接。

4.1.3 支擋防護(hù)工程

根據(jù)一、二級(jí)坡面變形破壞情況，對(duì)邊坡坡腳進(jìn)行加固，將一級(jí)護(hù)面墻調(diào)整為C20片石混凝土路塹墻，頂寬 1.5 m，面坡 1∶0.25。

根據(jù)弱膨脹土層滲水分布特點(diǎn)，在第二級(jí)平臺(tái)內(nèi)側(cè)設(shè)護(hù)腳墻，頂寬2.0 m，面坡1∶0.35，總高4 m，埋深1.5 m，并在其后設(shè)水平寬度為6 m的支撐滲溝，每道寬2 m，橫向間距8 m，共設(shè)9道，以排除地下滲水，增加坡體的穩(wěn)定性，以保證邊坡整體的安全。

4.1.4 坡面防護(hù)工程

對(duì)各級(jí)坡面采用拱形骨架+植草進(jìn)行坡面綜合防護(hù)。并完善原有邊坡截排水系統(tǒng)，對(duì)各級(jí)平臺(tái)采用30 cm厚C20鋼筋混凝土進(jìn)行防護(hù)。

4.2 設(shè)工程后滑坡穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2004）正常工況下滑坡的設(shè)計(jì)安全系數(shù)Fs取為1.3，非正常工況Ⅰ和Ⅲ下Fs均取1.20。經(jīng)計(jì)算，應(yīng)急減載后計(jì)算斷面的滑坡穩(wěn)定性結(jié)果如表2。

表2 設(shè)工程后滑坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果一覽表

綜上所述，減載后高邊坡滿(mǎn)足規(guī)范設(shè)防安全要求。

4.3 滑坡應(yīng)急工程設(shè)計(jì)的施工順序及注意事項(xiàng)

由于該滑坡地質(zhì)較為復(fù)雜，變形較快，為了保證施工安全及過(guò)往車(chē)輛的行車(chē)安全，必須嚴(yán)格按照一定的施工順序進(jìn)行施工。施工順序總體如下：臨時(shí)安全措施—削方減載—截排水—路塹墻—支撐滲溝—拱形骨架—植草綠化。

該高邊坡治理工程為一應(yīng)急搶險(xiǎn)工程，不具備公路斷通的條件，必須在公路運(yùn)營(yíng)期間完成施工，具有一定的特殊性，主體工程施工必須在安全工程完成后才可實(shí)施。

由于需要半幅施工，應(yīng)按相關(guān)安全規(guī)范設(shè)置安全標(biāo)志、警示標(biāo)志和限速標(biāo)志等，并由專(zhuān)人值守、負(fù)責(zé)提示路面行駛車(chē)輛注意。

對(duì)于高邊坡中的滲水點(diǎn)應(yīng)根據(jù)開(kāi)挖后具體位置對(duì)支撐滲溝進(jìn)行調(diào)整，以保證其發(fā)揮最大的作用。

該高邊坡工程已于2011年12月順利完工。根據(jù)竣工后的定期監(jiān)測(cè)資料，坡體已經(jīng)穩(wěn)定，治理工程取得了圓滿(mǎn)成功。

5 結(jié)語(yǔ)

本文在分析某黃土路塹高邊坡變形機(jī)理的基礎(chǔ)上，闡述了安全工程、削方減載、支撐滲溝和截排水等治理工程措施，并總結(jié)了應(yīng)急工程中的施工順序和重點(diǎn)注意事項(xiàng)，可為公路路塹高邊坡應(yīng)急搶險(xiǎn)的勘察、設(shè)計(jì)和施工技術(shù)的完善提供翔實(shí)的實(shí)踐資料和重要的技術(shù)支持。