紅層地區(qū)高速公路滑坡破壞機制及處治

陶連金，　王騎虎, 2

(1. 北京工業(yè)大學(xué)　城市與工程安全減災(zāi)省部共建教育部重點實驗室, 北京　100124;

2.甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限責(zé)任公司, 甘肅　蘭州　730030)

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紅層地區(qū)高速公路滑坡破壞機制及處治

陶連金1，王騎虎1, 2

(1. 北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)省部共建教育部重點實驗室, 北京100124;

2.甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限責(zé)任公司, 甘肅蘭州730030)

摘要：本文介紹了十堰至天水國家高速公路甘肅段某滑坡的治理過程。該滑坡下伏基巖為第三系泥質(zhì)砂巖等軟弱巖，中間的軟塑帶構(gòu)成坡體的軟弱帶。原設(shè)計為多級放坡的方式，但按該方案施工后坡體后緣產(chǎn)生拉張裂縫、局部滑塌，坡腳處開始滑動。后來變更設(shè)計在坡腳增加一樁板墻，按照變更設(shè)計樁板墻施工完成后，部分樁體發(fā)生較大傾斜，樁頂與土體脫離，擋土板下與巖土交接面處發(fā)生較大剪切裂縫。故再次變更設(shè)計，在已施工完畢的樁體上增設(shè)兩排預(yù)應(yīng)力錨桿，并采取格構(gòu)加預(yù)應(yīng)力錨索的方式加固樁頂?shù)谝患壏牌拢罱K該滑坡的穩(wěn)定性滿足要求。基于有限元法對各設(shè)計方案的變形與穩(wěn)定性進行了分析，為類似工程提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：紅層;公路滑坡;穩(wěn)定性;有限元;變更設(shè)計

1工程概況

圖1　滑坡工程地質(zhì)橫斷面

該滑坡位于十堰至天水國家高速公路甘肅段徽縣(大石碑)至天水某處?；碌靥幥貛X地槽褶皺帶，位于受北東向斷裂控制的徽成斷陷盆地，其構(gòu)造線方向則為北東—南西向。滑坡處山坡高差約15 m，滑體自然坡度約5°～8°，主滑方向323°，由南東向北西滑動?；麦w長約160 m、寬60 m，厚一般為6～8 m，滑坡面積約9600，體積約6.72×104m3。本滑坡屬于中型覆蓋層牽扯引式滑坡，如圖1所示?；潞蟊?、剪出口較明顯，滑坡體自然坡度較緩，該段在雨季坡體表層及前緣常有蠕滑現(xiàn)象?；麦w主要為粉質(zhì)粘土，土體多呈軟塑～可塑，地下水位高，局部出露泉水。滑面為上覆粉質(zhì)粘土層中軟塑夾層，局部深入到粉質(zhì)粘土與碎石土交界面，滑床為碎石土及風(fēng)化的泥質(zhì)砂巖。根據(jù)調(diào)查地表裂縫分布情況，判定本滑坡整體現(xiàn)處于擠壓變形階段，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

滑坡段邊坡原設(shè)計采用“緩坡率、寬平臺、固坡腳” 的設(shè)計原則，碎落臺寬2.0 m，各級邊坡高度均為5 m，平臺寬2.5 m，邊坡采用1∶1～1∶1.25。第一級邊坡采用現(xiàn)澆C20片石混凝土內(nèi)護墻，內(nèi)護墻墻背設(shè)置50 cm厚天然砂礫層。在內(nèi)護墻中下部設(shè)置交錯排列的泄水孔，間距2～3 m，泄水孔高出碎落臺30 cm。在第三級邊坡巖土交界面與邊坡交線向上1 m處設(shè)置仰斜排水孔，縱向間距5 m。

按照原設(shè)計，邊坡采用分層開挖，分層穩(wěn)定加固和坡腳預(yù)加固的設(shè)計原則，根據(jù)不同的地質(zhì)條件和邊坡高度采用了兩種設(shè)計模式：(1)自上而下分級開挖，分級防護，穩(wěn)定邊坡；(2)自上而下分級開挖，分級穩(wěn)定邊坡，坡腳設(shè)置支擋工程穩(wěn)固坡腳。內(nèi)護墻開挖采用跳槽法開挖。

2014 年4 月，該段路塹邊坡施工開挖后，坡體后緣產(chǎn)生拉張裂縫、局部滑塌，坡腳處開始滑動，如圖2所示。由于路線從該滑坡中間以挖方路基形式通過?；吕^續(xù)滑塌對坡頂民房和水塘存在潛在威脅。

圖2　坡腳滑動裂縫

根據(jù)動態(tài)設(shè)計、動態(tài)施工原則，對滑坡采取如下變更設(shè)計(如圖3所示)：

(1)坡體支檔，于碎落臺處設(shè)置一樁板墻，截面尺寸為2 m×1.5 m，共計55根。樁長11～14 m，樁底嵌入新鮮基巖深度不小于5 m，樁中心間距為5 m，相鄰樁之間設(shè)置擋土板?？够瑯杜c冠梁采用C30水泥混凝土澆筑，擋土板采用C30水泥混凝土預(yù)制。

(2)防排水系統(tǒng)，在最上級邊坡以外5 m 處設(shè)置截水溝，截水溝底部均設(shè)置滲溝，以排除淺層地下水。在挖方邊坡坡腳以上30 cm 處，分別設(shè)置一排仰斜式排水平孔，長度10 m； 排水孔縱向間距5 m，以排除坡體深層地下水。

(3)刷坡卸載，減緩?fù)诜竭吰缕侣?、加寬平臺，將原設(shè)計挖方邊坡放緩，樁板墻頂部以上邊坡坡率均調(diào)整為1:1.5，樁頂處施工平臺寬度為6 m，樁頂標(biāo)高以上每級路塹平臺由原來的2.5 m 調(diào)整為4.0 m。開挖邊坡須由上往下逐級開挖。

圖3　變更設(shè)計橫斷面

(4)坡面防護，樁頂開挖邊坡采用草灌綜合防護。按照變更設(shè)計施工后的樁板墻如圖4所示。樁板墻施工完成后，坡體發(fā)生滑動。受樁后土體的擠壓，部分樁體傾斜嚴(yán)重，樁頂與土體脫離，如圖5所示。隨著邊坡蠕滑加劇，擋土板與巖土交接面處發(fā)生較大剪切裂縫，說明坡體內(nèi)發(fā)生剪切破壞，如圖6所示。

圖4　樁板墻施工完成后

圖5　樁頂與坡體脫空面貫通

圖6　樁間土產(chǎn)生的剪切裂縫

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，1#～23#抗滑樁發(fā)生位移小于0.1 cm，24#～52#抗滑樁發(fā)生位移均大于10 cm，其中35#抗滑樁位移最大，達65 cm。

根據(jù)該情況進行應(yīng)急處治措施，基于樁頂脫空、樁體傾斜后，進行了樁前反壓、樁后卸載應(yīng)急措施。該段滑坡上部有一水塘，滑坡繼續(xù)滑動可能會引起水塘底部潰裂。樁前反壓如圖7所示。

圖7　樁前反壓土體

2地質(zhì)概況

該滑坡處自然坡度較緩，地層巖性上覆粉質(zhì)粘土，中部夾碎石層，下伏基巖為第三系泥質(zhì)砂巖等軟弱巖，地下水位較高，補給充足，致使上覆粉質(zhì)粘土多處于飽和狀態(tài)，土體重度大，抗剪強度低，中間軟塑帶構(gòu)成坡體軟弱帶。其地形及特有的巖土結(jié)構(gòu)和性質(zhì)是產(chǎn)生滑坡的基礎(chǔ)。另一方面，施工坡腳開挖形成一定臨空面致使斜坡土體失去支撐，導(dǎo)致上覆土體沿軟塑帶滑動變形是誘發(fā)本次滑坡的直接原因。

勘察區(qū)屬于構(gòu)造侵蝕剝蝕低山丘陵地貌，海拔一般在950～1200 m，相對高差大體小于200 m，地形相對較為平緩，多為梯田。邊坡底部為第三系砂質(zhì)泥巖，上部為粉質(zhì)粘土、塊石土。

根據(jù)紅層礦物測試成果看出，紅層礦物成分包括為石英、長石、方解石和云母等碎屑礦物及粘土礦物。對比不同礦物所占比重，可知紅層巖石的主要成分為石英碎屑，約占礦物組成的50%左右，含有一定量的長石、方解石，以及少量含鐵礦物、高嶺石、綠泥石和石膏，粘土礦物因泥質(zhì)含量而有較大幅度變化，其中膠結(jié)物類型及含量對紅層工程性質(zhì)有較大影響[1, 2]。

粘土礦物在紅層中一般充當(dāng)膠結(jié)成分，其成分和含量對紅層物理力學(xué)性質(zhì)和工程地質(zhì)性質(zhì)的影響很大，使紅層具有流變性、膨脹性和崩解性等特殊性質(zhì)。一般情況，粘土礦物含量越高，巖體越軟，親水性越強，抗風(fēng)化能力越弱，反之則巖體越堅硬、強度越高，抗風(fēng)化能力越強。除此之外，不同粘土礦物組成對巖體工程性質(zhì)也有較大影響，例如紅層粘土礦物種類對巖石的吸水率及軟化系數(shù)有很大影響[3]。

項目處于南北地震帶的和政—武山—天水地震亞帶和舟曲—武都地震亞帶。工程區(qū)及鄰區(qū)地震活動頻繁，有歷史記載以來發(fā)生過多次地震，1900年以后地震活動頻率低，2008年5月12日，汶川發(fā)生8.0級地震，工程區(qū)域影響較大。部分房屋出現(xiàn)輕微裂縫，發(fā)生一系列小型崩塌、滑坡。地震動峰加速度為0.20g，相當(dāng)于地震基本烈度Ⅷ度區(qū)。

3滑坡變形機理

該滑坡按照原設(shè)計進行開挖后，坡體發(fā)生較大滑移，變更設(shè)計采用樁板墻支檔體系。但樁板墻施工后，也發(fā)生了較大的剪切變形，部分樁體前傾嚴(yán)重，樁與填土發(fā)生分離?？梢娫摶螺^為復(fù)雜，在采用常規(guī)方法進行穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)上，還采用有限元方法進行了數(shù)值模擬。下面介紹強度折減有限元法計算的部分成果。

與極限平衡法相比，強度折減有限元法無需事先對滑坡潛在破壞面進行任何人為的假定，便能自動求得任意形狀的臨界滑動面及相對應(yīng)的最小安全系數(shù)，同時還可以反映坡體失穩(wěn)及塑性區(qū)開展的漸進發(fā)展過程，因而在滑坡穩(wěn)定性分析的應(yīng)用中得到重視[4～6]。

根據(jù)滑坡地層分布及滑體影響范圍，建立有限元分析模型，如圖8所示。根據(jù)地勘資料，本滑坡體粉質(zhì)粘土天然狀態(tài)下重度取值γ=20.0 kN/m3，滑面處黏聚力c=7 kPa，內(nèi)摩擦角φ=10°。

圖8　有限元網(wǎng)格劃分

原設(shè)計方案在路基標(biāo)高以上0～1.5 m坡率1∶0.4；1.5～6.5 m坡率1∶1.0；6.5～11.5 m坡率1∶1.0；11.5 m以上坡率1∶1.25一坡到頂，各級之間平臺寬度2.5 m，綜合坡率1∶1.30～1∶1.52。通過有限元計算，得到了滑坡開挖后的總位移與位移增量分布圖，分別見圖9與圖10。坡腳處的剪切位移最大值已達到0.56 m，說明坡體已經(jīng)開始蠕動破壞，與圖2所示的現(xiàn)場情況是一致的。

圖9　原設(shè)計方案的總位移分布

圖10　原設(shè)計方案的位移增量分布

特別地，原設(shè)計方案計算過程中，有限元計算不收斂(即計算中止)，說明原設(shè)計方案的滑坡不穩(wěn)定，其安全系數(shù)小于1.0。這與開挖過程中坡體產(chǎn)生裂縫、坡腳產(chǎn)生滑移的現(xiàn)象是相符的，說明原設(shè)計方案不合理。

按照原設(shè)計方案進行施工而出現(xiàn)坡體滑裂情況，便緊急進行變更設(shè)計，在碎落臺處設(shè)置了一樁板墻，截面尺寸為2 m×1.5 m，共計55根。有限元模擬中把樁視為彈性體，其重度γ=25.0 kN/m3，彈性模量E=300 MPa，泊松比v=0.20。變更設(shè)計后的坡體變形情況如圖11～ 13所示。

圖11　變更設(shè)計后的網(wǎng)格變形示意

圖12　變更設(shè)計后的總位移分布

圖13　變更設(shè)計后的位移增量分布

可見，變更設(shè)計后的樁體受到較大的推擠荷載，樁體位移達到60 cm，與實際情況中35#抗滑樁實測位移65 cm基本吻合。樁體被樁后土體推擠向前傾斜，導(dǎo)致其上部與樁后土體發(fā)生脫離產(chǎn)生裂縫，發(fā)生如圖5所示的實際情況。

特別地，變更設(shè)計后的坡體最大變形不發(fā)生在樁體處，而在樁上方的多級放坡土體處。即樁上方的放坡土體有可能發(fā)生局部滑移的趨勢。根據(jù)強度折減有限元法計算得到整個坡體的安全系數(shù)為1.05，即滑坡處于瀕臨破壞狀態(tài)，這與現(xiàn)場觀測到的各類裂縫、剪切面所反映的情況是一致的。因此，變更設(shè)計后的坡體也不安全，雖然起到了阻止滑坡體裂縫繼續(xù)擴大的趨勢，但對滑坡體穩(wěn)定性的提高仍達不到規(guī)范要求。

鑒于部分樁體位移過大的情況，采取緊急措施，在樁體前回填土體進行反壓，如圖7所示。同時，需對滑坡體的治理進行第二次變更設(shè)計，以便使其安全系數(shù)在一般工況下達到1.20[7～9]。

第二次變更設(shè)計如下：在已施工完畢的樁體上增設(shè)兩排預(yù)應(yīng)力錨桿，錨桿長度20 m，間距5 m，施加預(yù)應(yīng)力180 kN；樁頂?shù)牡谝患壏牌缕旅嫔希O(shè)置兩排預(yù)應(yīng)力錨索，錨索長度20 m，錨索沿線路方向間距3 m，豎向間距2.5 m，錨索傾斜角度15°，施加預(yù)應(yīng)力 150 kN。在錨索端部設(shè)置格構(gòu)以提供反力，格構(gòu)截面尺寸均為0.4 m×0.5 m，采用C25現(xiàn)澆鋼筋混凝土。

第二次變更后的滑坡位移增量分布情況見圖14。對比圖13與圖14可知，增加預(yù)應(yīng)力錨桿后，樁頂?shù)奈灰圃隽看蟠鬁p小，潛在滑動坡體的位移增量也大大減小，說明滑坡的穩(wěn)定性得到了加強。

圖14　第二次變更設(shè)計后的位移增量分布

第二次變更設(shè)計后的滑裂面位置如圖15所示?？梢?，潛在滑裂面為通過樁頂附近的深厚坡體，說明淺層的局部滑裂已得到治理。有限元計算得到的滑坡安全系數(shù)為1.25，滿足規(guī)范要求，說明第二次變更設(shè)計增加錨桿的方案是可行的。該工程已順利竣工。

圖15　第二次變更設(shè)計后的滑裂面位置

從以上可以看出，該滑坡前后經(jīng)過三次設(shè)計與施工，才最終處于穩(wěn)定狀態(tài)，反映出滑坡工程的復(fù)雜性與不確定性。根據(jù)公路路基設(shè)計標(biāo)高，左側(cè)坡口最大挖深達12.74 m?？梢?，路基設(shè)計標(biāo)高相對于坡體位置過低，從而引起過大的挖深是導(dǎo)致該滑坡復(fù)雜的主要原因。因此，公路工程設(shè)計過程中，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場地形地貌，避免開挖深度過大，盡量減少過度開挖而導(dǎo)致大型滑坡的出現(xiàn)，才是確保公路安全、減少后期維護成本的根本。

4結(jié)語

本文所述的滑坡地層巖性復(fù)雜，地下水位較高，補給充足，致使上覆粉質(zhì)粘土多處于飽和狀態(tài)，中間的軟塑帶構(gòu)成坡體的軟弱帶。原設(shè)計采用三級放坡加平臺的分級防護方案，按照該方案施工期間坡體出現(xiàn)較大的裂縫與剪切面，故緊急變更設(shè)計增加樁板墻。

當(dāng)樁板墻施工結(jié)束后，部分樁體傾斜嚴(yán)重，樁頂與土體脫離，擋土板與巖土交接面處產(chǎn)生較大剪切裂縫。故進行第二次變更設(shè)計，在已施工完畢的樁體上增設(shè)兩排預(yù)應(yīng)力錨桿，樁頂?shù)牡谝患壏牌缕旅嫔喜捎妙A(yù)應(yīng)力錨索與鋼筋混凝土格構(gòu)的加固方式。最終該滑坡的穩(wěn)定性滿足要求。

路基設(shè)計標(biāo)高相對于坡體位置過低，從而引起過大的挖深是導(dǎo)致該滑坡復(fù)雜的主要原因。因此，公路工程設(shè)計過程中，盡量減少過度開挖而形成大型滑坡的出現(xiàn)，才是確保公路安全、減少后期維護成本的根本。

參考文獻

[1]郭永春, 謝強, 文江泉. 我國紅層分布特征及主要工程地質(zhì)問題[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì), 2007, 34 (6): 67-71.

[2]耿興福, 苗天德. 近水平層狀紅層軟巖滑坡成因機制研究[J]. 地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護, 2014, 25(1): 9-12.

[3]晁剛, 王鴻. 青海高原大型紅層滑坡成因分析及治理[J]. 鐵道建筑, 2014, (6): 109-112.

[4]咸玉建, 陳學(xué)軍, 汪志剛, 等. 基于有限元強度折減系數(shù)法巖土邊坡穩(wěn)定性分析與抗滑樁設(shè)計[J]. 地質(zhì)科技情報, 2015, 34(4): 176-182.

[5]Dawson E M, Roth W H, Drescher A. Slope stability analysis by strength reduction[J]. Geotechnique, 1999, 49(6): 835-840.

[6]Manzari M T, Nour M A. Significance of soil dilatancy in slope stability analysis[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2000, 126(1): 75-80.

[7]交通部第二公路勘察設(shè)計院. 公路設(shè)計手冊——路基(第二版)[M]. 北京: 人民交通出版社, 1996.

[8]鄭穎人, 陳祖煜, 王恭先, 等. 邊坡與滑坡工程治理[M]. 北京: 人民交通出版社, 2007.

[9]李海光, 等. 新型支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計與工程實例[M]. 北京: 人民交通出版社, 2004.

Damage Mechanism and Control Measures of a Highway Slope in Red Bed Area

TAOLian-jin1,WANGQi-hu1,2

(1.Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering of Ministry of Education,

Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;

2.Gansu Province Transportation Planning, Survey and Design Institute Co Ltd, Lanzhou 730030, China)

Abstract:The process of a highway slope’s treatment in Gansu area of the national highway from Shiyan to Tianshui is introduced in this article. The underlying bedrock of the landslide is the third series of soft rocks, such as mudstone and sandstone, and the soft plastic zone in the middle is a weak zone of the slope body. The original design of this slope adopted the style of multi sloping. But local sliding collapse, tensile crack emerged at the rear of slope and shear plane emerged at the foot of slope during construction according to the original design. Then a row of sheet pile wall added at the foot of slope according to the altered design. However, large horizontal displacement happened at some piles, and separation occurred at the top of the piles between piles and soil, and the shear cracks occurred in the soil between piles after piles constructed according to the altered design. Thus, two rows of pre-stressed anchor bolts are additional arranged on the pile body, and lattice and the pre-stressed anchor cable had been used to reinforce the first step of slope above pile top, according to the second altered design. The stability of the slope eventually meets the requirements. The stability and deformation of the slope according each design scheme are comparatively analyzed with FEM, which aim to provide reference for similar projects.

Key words：red bed; highway slope; stability; finite element method; altered design

中圖分類號：U416.1+4

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-0985(2016)01-0012-06

基金項目：甘肅省交通運輸廳科技項目(甘交科技[2011]39號)

作者簡介：陶連金( 1964-), 男, 黑龍江雞西人, 教授, 博士, 研究方向為邊坡穩(wěn)定性評價與加固、地下工程與隧道設(shè)計施工、巖土與結(jié)構(gòu)相互作用、地下結(jié)構(gòu)抗震(Email: ljtao@bjut. edu.cn)

收稿日期：2015-08-14修回日期： 2015-10-08