潛在不穩(wěn)定邊坡復合式主動加固方法研究*

李培鋒，李斯?jié)?，?春，袁從華，廖明進

(1.云南玉臨高速公路建設有限責任公司，云南 臨滄 677000； 2.云南交投集團投資有限公司，云南 昆明 650228; 3.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，湖北 武漢 430071；4.武漢科技大學，湖北 武漢 430065)

0 引言

滑坡地質(zhì)災害是公路工程建設中的常見問題。工程建設中尤其是軟巖和松散體類邊坡，極易受工程擾動導致滑坡等災害事故，分析其原因之一是建設和施工單位嚴重缺乏有工程經(jīng)驗的巖土工程師，二是建設過程中作業(yè)不規(guī)范，又或是對于盲目建設和作業(yè)可能產(chǎn)生的后果認識不足[1]。復雜地質(zhì)條件加之經(jīng)驗的缺乏，在工程建設中不斷出現(xiàn)局部或整體滑坡事故，導致建設者們面對這一類滑坡問題顯得十分被動，同時也為公路后期的運行管理帶來潛在風險。

從軟巖及松散體邊坡類的滑坡來看，當邊坡前緣有變形裂縫產(chǎn)生時，邊坡后緣坡體也將逐步變形并導致坡體強度下降，使得一個開始范圍較小的局部滑坡變成一個范圍擴大數(shù)倍甚至數(shù)十倍的滑坡，這便是牽引滑動的典型特征[2]。公路邊坡常采用分級分段切坡后再進行處治的常規(guī)方法。這種現(xiàn)有的公路邊坡處治方法，既浪費已施工完畢的工程加固措施，又不能及時阻止邊坡潛在滑動面的弱化，以致邊坡滑動范圍不斷擴大，同時也延緩了工程進度。

因此，從現(xiàn)有方法手段來看，針對軟巖和松散體類邊坡的滑坡防治采取先切坡后處治的方式，這一方式是在邊坡開挖后的被動加固，由于巖土本身的初始強度沒有得到充分調(diào)動，失去了邊坡加固的最佳時機，之后隨著坡體開挖卸荷，導致變形持續(xù)發(fā)展，進而引起巖土強度下降，極大增加了被動加固的工程量，且有引發(fā)邊坡失穩(wěn)的風險，既不合理也不經(jīng)濟。從巖土問題處治時間的選擇來看，切坡在前處治在后不適合這類邊坡體。自然界軟巖和松散體類邊坡有其自身的穩(wěn)定性，此類滑坡的發(fā)生是由于工程切坡施工擾動了自然物質(zhì)本身的平衡造成的[3]。這些邊坡滑坡問題需要引入新方法即主動加固設計理念加以解決[4]。下面結合某工程案例，就主動加固方法的實施和運用要點展開論述。

1 工程概況

1.1 工程背景

某高速公路邊坡由強風化砂礫巖與強風化泥質(zhì)粉砂巖組成，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，遇水易軟化?；虏课凰谶吰挛挥诰€路右側，深挖方長約115m，形成邊坡最大高度約48.6m。該深挖方開挖到一級邊坡時，右側山體發(fā)生大面積滑坡，開挖坡口線邊距51.5m，坡口線內(nèi)移約7m，滑塌裂縫線寬1.5～3m，滑塌裂縫邊距約81.2m，裂縫錯臺高 2～10m， 坡體后緣裂縫如圖1所示。

圖1 滑體后緣裂縫情況

1.2 滑坡原因分析

1)滑坡區(qū)強風化砂礫巖、泥質(zhì)粉砂巖風化嚴重，節(jié)理裂隙發(fā)育，強風化砂礫巖不整合覆蓋在泥質(zhì)粉砂巖上部，為坡體發(fā)生滑動提供了有利的地質(zhì)條件。

2)路基邊坡開挖是滑坡發(fā)生的誘發(fā)因素之一。路基開挖使坡腳失去支撐，邊坡穩(wěn)定性條件被破壞，導致工程滑坡[5]。

3)水是誘導滑坡發(fā)生的重要因素[6]。從現(xiàn)場來看，滑動面多位于強風化砂礫巖與強風化泥質(zhì)粉砂巖的不整合接合面處。強風化砂礫巖孔隙發(fā)育，富水性強；強風化泥質(zhì)粉砂巖孔隙性較差，具有相對隔水性。上部強風化砂礫巖中的地下水在強風化泥質(zhì)粉砂巖頂部富集，導致強風化泥質(zhì)粉砂巖遇水后強度急劇變低，造成坡體滑動。

滑動面主要為強風化～中風化泥質(zhì)粉砂巖(K1m)，泥質(zhì)粉砂巖為灰褐色、紫紅色，粉細粒結構，中薄層狀構造，原巖結構構造部分被風化侵蝕，巖體上分布白色條狀石膏，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，完整性差，巖芯呈塊狀、碎塊狀、短柱狀、長柱狀。巖質(zhì)較軟，該層相對隔水，巖層產(chǎn)狀180°∠37°。

2 工程擾動和降雨條件下的滑動面巖體力學特性演化規(guī)律

基于邊坡現(xiàn)狀，為合理設計加固結構，對邊坡滑動面巖體現(xiàn)場取樣，進行室內(nèi)密實度、含水量及其抗剪強度相關性試驗，試驗結果如圖2,3所示。由圖2可以看出，隨著密實程度增加，黏聚力和內(nèi)摩擦角逐漸增加，其中，黏聚力增加近似線性變化，內(nèi)摩擦角增加可擬合為二次曲線。由圖3可以看出，隨著重塑樣含水量增加，黏聚力和內(nèi)摩擦角逐漸降低，其中，黏聚力的降低近似線性變化，而內(nèi)摩擦角降低近似冪函數(shù)曲線。

圖2 不同密實度條件下巖樣抗剪強度變化

圖3 不同含水量條件下巖樣抗剪強度變化

試驗結果表明，巖體受擾動及降雨影響后的黏聚力較巖土初始狀態(tài)強度下降幅度超過20%，內(nèi)摩擦角變化較小，如表1所示。

表1 邊坡巖土物理力學參數(shù)

工程擾動后導致滑動面發(fā)生變形，巖體顆粒間接觸變得松散(即重度下降)，導致巖體抗剪強度下降，滑帶巖體重度從20kN/m3降低到18kN/m3，黏聚力降低8kPa，內(nèi)摩擦角降低2°；降雨入滲后易在滑動面層位附近聚集，也將弱化巖體抗剪強度，巖體含水率從6%增加到23%過程中，黏聚力下降超11kPa，內(nèi)摩擦角降低8° 。工程擾動和降雨對巖體力學性質(zhì)的弱化非常顯著，對開挖后邊坡穩(wěn)定不利。

3 抗滑樁聯(lián)合錨索框架的復合式主動加固方法

為避免開挖后受工程擾動導致的巖體性質(zhì)弱化，針對此邊坡擬采用抗滑樁聯(lián)合錨索的復合式方法進行主動加固。加固方案的主要步驟為：①通過極限平衡法等方法[7]，計算分析邊坡地質(zhì)概化模型，得到開挖后邊坡安全系數(shù)F1，并判斷是否需要進行主動加固，若需主動加固，則進行加固方案設計；②再次進行計算得到安全系數(shù)F2，并判斷是否滿足預先設定的工程穩(wěn)定性要求。依據(jù)上述分析，形成基于主動加固思想的設計流程：巖性強度定量判斷→建立地質(zhì)概化模型和邊界條件→將軟化參數(shù)帶入模型計算并判斷穩(wěn)定性(F1)→設計錨索框架實施參數(shù)和布置形式→根據(jù)實施參數(shù)計算安全參數(shù)并判斷安全性(F2)。

采用主動處治技術加固本案例中開挖擾動后巖體性質(zhì)發(fā)生顯著弱化的邊坡。首先在第1級邊坡平臺上設置抗滑樁[8]，然后進行邊坡開挖，并及時在第2～5級邊坡采用預應力錨索框架梁進行加固。其次，每級邊坡平臺及坡頂外側設置截水溝截排坡面雨水，第1級邊坡坡面處設置仰斜式排水孔引排滑坡體內(nèi)部地下水[9]。其中抗滑樁和錨索框架的具體設計方案如下。

1)抗滑樁預先加固 軟弱層(強風化砂礫巖和泥質(zhì)粉砂巖)埋深5～20m，前緣第1級平臺位置設置1排抗滑樁進行支擋，抗滑樁截面為1.8m×2.4m，樁長20m，樁間距5m，共設置15根抗滑樁。

2)錨索框架及時加固 為防止巖體從邊坡中部二次剪出，在邊坡第2～5級布置錨索框架進行加固。錨索框架加固方案具體設計參數(shù)包括框架梁截面尺寸、框架梁間距、錨索長度、錨索嵌入穩(wěn)定地層的長度、布置形式。經(jīng)試算后確定框架梁截面尺寸為預定值500cm×500cm，框架梁間距為3m；每級設3排錨索，水平間距3.4m，錨索長25～30m (錨固段10m)，下傾20°，設計拉力600kN。

依據(jù)上述設計方案，采用通用巖土工程分析Slide軟件，結合邊坡原始地形地貌，建立邊坡模型，如圖4所示。通過極限平衡法對主動加固后的邊坡進行計算，工程邊坡在正常工況和非正常工況I下的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.453，1.275，滿足正常工況下安全系數(shù)大于1.2～1.3和非正常工況I下安全系數(shù)大于1.1～1.2的穩(wěn)定性要求。

圖4 抗滑樁聯(lián)合錨索框架加固邊坡方案模型

4 邊坡失穩(wěn)后的補救加固設計

由于實際邊坡沒有及時采取主動加固設計，開挖后的邊坡巖體和原始自然坡巖體性質(zhì)相比已發(fā)生了較大改變。巖體強度弱化導致邊坡開挖后失穩(wěn)，邊坡失穩(wěn)后巖體強度進一步弱化，黏聚力為10kPa，內(nèi)摩擦角為16°，黏聚力較巖體初始強度下降60%。基于邊坡失穩(wěn)后現(xiàn)狀，采取補救加固即被動加固措施，如圖5所示。

圖5 滑坡后的補救設計方案模型

首先對滑體部分削方減載，并在第1級邊坡平臺上進行抗滑樁施工。在邊坡第2～4級采用預應力錨索框架梁進行加固，邊坡坡比為1∶1。第5級邊坡采用8m寬平臺分解釋放應力，坡比為1∶1。為保證平臺上部邊坡穩(wěn)定，在第6，7級邊坡設置錨桿、錨索框架梁進行加固，邊坡坡比為1∶0.75。其次，每級邊坡平臺及坡頂外側設置截水溝截排坡面雨水。第1級邊坡坡面處設置仰斜式排水孔引排滑坡體內(nèi)部地下水[10]。在實施補救措施條件下，再次計算得到正常工況和非正常工況I下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.538，1.412。

5 主動加固與被動加固對比分析

計算結果表明，采取主動加固措施后邊坡穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。從具體技術參數(shù)對比來看，因加固時機的差異，兩個方案的巖土參數(shù)和邊坡設計有所不同，在同等加固工作量的前提下，邊坡失穩(wěn)后重新設計的被動加固方案較主動加固方案工程量增大較多，如表2所示。

表2 被動和主動工程處治技術對比

采取主動工程處治技術，邊坡巖體強度遠高于原設計的被動工程處治下的巖體強度。兩種加固方案的加固工程量雖然相差不大，但被動工程處治是在邊坡失穩(wěn)后實施的被動補救措施，不僅增加了土石開挖方量，破壞了自然坡植被，額外征用了土地，且延長了工期，導致工程費用顯著增加。因此，對于開挖后可能導致巖體變形軟化，強度大幅下降的全強風化巖質(zhì)邊坡，應采取主動工程處治技術。

此外，從加固措施的實施時間來看，主動加固時機也是這一方法有效性的關鍵。具體來說，邊坡開挖后應立即采用上述錨索框架加固方案進行主動加固施工，這是預先防范階段；如果邊坡已經(jīng)開挖，并發(fā)生小規(guī)模破壞，則采用錨索框架加固方案對邊坡重新進行主動加固，這是補救階段，此時巖土物理力學參數(shù)已經(jīng)下降，針對小規(guī)模破壞后的邊坡，應對邊坡進行補救加固；如果邊坡已經(jīng)開挖，并發(fā)生大規(guī)模破壞，原有加固措施失效，邊坡加固困難極大，加固工程費用也大大增加，應極力避免這種情況[11]。

這一分析結果表明，基于主動加固概念的錨索加固工程措施提高了邊坡穩(wěn)定性，因而避免了邊坡巖土體受工程擾動后強度下降等不利后果，降低了工程治理難度并減少工程量。與現(xiàn)有邊坡設計方法相比，主動加固方法具有以下優(yōu)點。

1)考慮了工程開挖前后的巖土物理力學參數(shù)變化，分級開挖后立即采用錨索框架對邊坡進行主動加固，充分利用巖土初始狀態(tài)的強度，避免開挖后坡體變形軟化導致的巖土強度大幅下降。

2)主動加固方法，從其力學原理來說，充分利用了邊坡原有抗滑力，降低了加固結構的承載，減少工程加固費用[11-13]。

3)相比被動加固而言，主動加固措施實施后可及時有效提高邊坡穩(wěn)定性，從而避免隨時間推移導致滑動范圍擴大的治理難題[14]。

4)在減少工程量的同時，可有效保護山區(qū)植被資源不受破壞。

6 結語

1)主動加固方法，其應用對象主要是具有潛在滑坡風險的不穩(wěn)定邊坡。由于此類坡體開挖后巖土體強度軟化明顯，為充分利用原坡體初始巖土強度，工程實施時應在開挖后立即采用錨索框架對邊坡進行主動加固，避免開挖后坡體變形軟化導致巖土強度大幅下降。

2)從原理而言，這一方法考慮了工程開挖前后的巖土力學特性演化過程，充分利用斜坡巖土原始抗剪強度形成的原有抗滑力，有效降低了加固結構的負載，可避免滑動范圍擴大，大大降低后期治理難度和工程治理費用。

3)這一方法的應用，其關鍵是主動加固時機的把握和錨索框架的科學設計。相比被動加固方法，其優(yōu)點十分明顯，很好地改善了目前此類邊坡問題設計方法單一、工程措施保守的現(xiàn)狀，切實提高了工程實踐中邊坡問題處治的水平。