黃土-紅黏土二元結構深路塹邊坡失穩(wěn)分析研究

苗貴華

（山西省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

山西西部地區(qū)屬西北黃土高原地帶黃土丘陵溝壑區(qū)，區(qū)域內(nèi)以黃土峁、梁、塬、溝谷的形式發(fā)育。地層主要由第四系坡積物、風積物、第三系紅黏土組成，整體上從上至下依次分布有黃土狀粉土和紅黏土。本文研究的黃土狀粉土主要指晚更新世Q3馬蘭黃土和中更新世Q2離石黃土，都具有大孔隙、垂直節(jié)理發(fā)育、濕陷性等特性。紅黏土屬第三系上新統(tǒng)靜樂組（N2）地層，其巖性主要表現(xiàn)為深褐紅色、棕紅色砂質(zhì)黏土，結構較密實，土層中發(fā)育大量不規(guī)則裂隙。紅黏土的礦物成分主要為高嶺石，并含一定量的蒙脫石和石英顆粒等。N2紅黏土在天然狀態(tài)下抗剪強度較高，部分含水量較大層面土體抗剪強度明顯降低。從膨脹性指標試驗看紅黏土的自由膨脹率一般在40%～58%之間，屬弱膨脹性土，N2紅黏土滲透系數(shù)為1×10-6cm/s，滲透性弱，為相對隔水層，因本層的隔水作用在其上形成上層滯水[1]。

依托某高速公路研究黃土-紅黏土組合型地層深路塹邊坡失穩(wěn)變形機制，其結果可為類似工程的設計及治理提供依據(jù)，同時對防止和減少路塹高邊坡公路沿線地質(zhì)災害的發(fā)生具有重大的經(jīng)濟環(huán)境效益。

1 項目概況

1.1 工程概況

某高速公路采用四車道高速公路標準建設，設計速度采用80 km/h，路基寬度24.5 m。興縣南互通式立體交叉位于康寧鎮(zhèn)油房溝村，主線中心樁號為K82+627.950，其中互通A匝道左側邊坡、C匝道右側邊坡原設計均為深路塹邊坡，A匝道邊坡最高為73.4 m，C匝道邊坡最高為54 m。原施工圖設計自下而上第1級邊坡設置片石混凝土路塹擋土墻，第2、3級設置漿砌片石護面墻，以上各級邊坡植草防護。如圖1所示。

圖1 邊坡失穩(wěn)前狀況

1.2 地質(zhì)概況

項目區(qū)地處黃河中游東岸，呂梁山中北段西側，屬西北黃土高原地帶，黃土丘陵溝壑區(qū)。由于流水切割，溝壑縱橫，黃土丘陵地形破碎，大部分為地表起伏崎嶇的梁峁溝壑地形。揭露地層主要由第四系粉土及第三系粉質(zhì)黏土、細中砂地層組成，由上至下分別為：a）第四系上更新統(tǒng)馬蘭組（Q3al+pl）粉土，褐黃色，稍濕，稍密-中密，土質(zhì)均勻，無搖振反應，含云母碎片，夾有卵石，有少許黏性；上部含植物根系。b）第三系上統(tǒng)靜樂組（N2j）粉質(zhì)黏土，褐紅色，可塑-硬塑，以硬塑為主，局部為軟塑，層理狀分布，含鈣質(zhì)結核層，局部已形成鈣質(zhì)結核板，韌性中，黏性強。如圖2所示。

1.3 區(qū)域自然地理條件

項目區(qū)屬暖溫帶半干旱氣候，年平均氣溫7℃～10℃，由于呂梁山的阻隔，本區(qū)降水偏少。年降水量一般為450～500 mm左右，降水集中且年際變化大，多雨年往往為少雨年的3～4倍；降水主要集中在6—9月，夏季3個月的降水量約占全年降水量的60%，且以暴雨和陣雨居多，具有歷時短、強度大、降雨集中等特點。項目區(qū)未見地下水。土體中水的類型主要為季節(jié)性降雨滲水，受大氣降雨補給，或直接從地表排走。

1.4 邊坡變形破壞過程及其特征

該段路塹邊坡最大挖深73.4 m，所處山體坡面大部分為耕地，且地表沖溝發(fā)育，溝谷縱橫，山上植被稀少，水土流失嚴重。山體多為雞爪溝地形，坡面上沖溝發(fā)育，分布大量陷穴、凹槽、落水洞等，受地形及農(nóng)田改造影響，坡體剝蝕、雨水下滲等現(xiàn)象明顯。該段邊坡地層結構：上部為第四系Q3eol風積黃土、下伏第三系N2紅黏土，2015年7—8月恰逢雨季，興縣康寧鎮(zhèn)遭遇連續(xù)多日強降雨。由于黃土垂直節(jié)理發(fā)育、大孔隙和濕陷性等特點，在大氣降雨的作用下，雨水多沿著節(jié)理裂隙下滲，雨水滲入坡體后，土體浸水軟化，抗剪強度大幅降低，土體內(nèi)孔隙水壓力增大，導致C匝道右側邊坡發(fā)生滑坡?；麦w呈馬蹄狀，其后緣有清晰的弧形，沿垂直張裂隙其后緣形成高約2～10 m的陡壁。滑坡體長75 m，寬50 m，滑坡體體積約5萬m3。如圖3所示。

圖3 邊坡失穩(wěn)后全貌

2 邊坡失穩(wěn)機制分析

2.1 計算工況

結合現(xiàn)場調(diào)查、詳勘資料，采用經(jīng)驗法、工程地質(zhì)類比法、簡化BISHOP法和傳遞系數(shù)法等方法相結合進行分析計算。正常工況下的安全系數(shù)取值為1.2～1.3；非正常工況Ⅰ（連續(xù)降雨）安全系數(shù)取值為1.1～1.2；外部荷載主要為地震荷載，非正常工況Ⅱ（地震）按照《公路工程抗震規(guī)范》（JTG B02—2013）要求執(zhí)行[2]。

2.2 參數(shù)取值

穩(wěn)定性計算參數(shù)的選擇，特別是抗剪強度參數(shù)的取值對穩(wěn)定性計算結果有重要影響。室內(nèi)試驗結果離散性較大，經(jīng)過多次試算，結果與現(xiàn)實狀態(tài)差異較大。本次計算參數(shù)取值是結合地勘報告、反算參數(shù)以及該地區(qū)其他工程經(jīng)驗綜合確定的。主要地層巖土體參數(shù)如表1。

表1 主要地層巖土體抗剪強度參數(shù)

計算結果如表2。

表2 穩(wěn)定性系數(shù)計算結果統(tǒng)計表

2.3 計算分析

為保證設計參數(shù)選取的合理，選取典型斷面CK0+296.578進行反算，結合現(xiàn)場實際已經(jīng)產(chǎn)生滑面和巖土分界面形狀，模擬該滑面為折線形。根據(jù)現(xiàn)場取樣土工試驗報告，極限平衡反算值及工程地質(zhì)類比經(jīng)驗數(shù)據(jù)，并結合滑坡可能出現(xiàn)的最不利工況進行分析。工況以安全系數(shù)進行區(qū)分，天然狀態(tài)下的工況安全系數(shù)Fs=1.25、暴雨或連續(xù)降雨狀態(tài)下的工況Fs=1.15，分別計算剩余下滑力，采用傳遞系數(shù)法計算，取以上各工況最不利值作為設計的剩余下滑力。其中，在暴雨或連續(xù)降雨工況下，軟弱面范圍內(nèi)抗剪系數(shù)按自然狀況下抗剪強度參數(shù)的80%折減來模擬，內(nèi)摩擦角按5°進行折減；非軟弱面范圍內(nèi)黏聚力不進行折減。對于降雨工況，結合算例分析，由表2可知，邊坡處于降雨工況下較正常工況的穩(wěn)定安全系數(shù)，降低幅度30%左右，由此得到降雨對黃土邊坡穩(wěn)定系數(shù)的影響顯著，設計時應重視排水設計，加強地表和地下綜合排水系統(tǒng)的設計，保證工程的安全穩(wěn)定。

2.4 邊坡失穩(wěn)分析

該段邊坡地貌上屬黃土丘陵區(qū)，地表沖溝發(fā)育，多為雞爪溝地形，坡面上分布大量沖溝、凹槽、落水洞等?？傮w地勢東高西低，山坡自然坡角45°左右，線路走向230°，地面標高最大值1 264.9 m，最小值1 129.6 m，地表最大相對高差為135.3 m。該類型邊坡為典型粉土、粉質(zhì)黏土二元結構，上覆粉土較松散，結構疏松、垂直節(jié)理發(fā)育，降水后雨水易沿垂直向滲透，雨水下滲到下伏第三系N2j紅黏土的相對隔水層，并在下伏粉質(zhì)黏土層積聚，在接近隔水層時土體含水量易達到飽和，土體多呈濕軟或軟-可塑狀，其抗剪強度下降迅速，逐漸形成塑性變形區(qū)域，沿粉土與粉質(zhì)黏土交界處形成滑動帶，最終使得邊坡失穩(wěn)破壞。失穩(wěn)破壞基本上是由降雨下滲引起地下水狀態(tài)坡體及滑帶介質(zhì)的物理力學性質(zhì)發(fā)生改變而誘發(fā)產(chǎn)生的。所以這種二元結構黃土邊坡的變形破壞與降雨存在密切聯(lián)系，將黃土-紅黏土組合型地層路塹高邊坡的失穩(wěn)過程總結如下:邊坡總體上經(jīng)歷了降雨入滲→抗剪強度降低→蠕動變形→紅黏土受擠壓→滑面形成貫通→黃土邊坡滑移→整體失穩(wěn)滑動7個階段。

3 邊坡治理措施

考慮到黃土滑塌的危險性及治理的重要性，為了避免類似的黃土-紅黏土二元結構路塹高邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞，考慮到黃土的濕陷性特性以及紅黏土的不透水特性等因素，提出采用卸載+支擋+截排水組合方案。

先對滑塌坡面進行削坡減載處理，削坡由上而下進行，邊坡分級高度均為8 m。分別在第2級、4級、8級、12級設置寬大平臺，緩解邊坡坡腳應力集中，改變了邊坡的剪應力及剪應變的分布，有利于提高邊坡整體穩(wěn)定性，方便施工，對于排水及植物防護均較為有利。完善排水系統(tǒng)設計，每級邊坡平臺根據(jù)平臺寬度設置不同尺寸的截水溝，坡面設置相應尺寸的急流槽，平臺截水溝外側采用30 cm厚2∶8灰土進行封閉，以防止雨水下滲。第2、5級、9級、13級邊坡坡面采用3.5 m高的護面墻進行防護，第3、4級邊坡坡面采用拱形骨架+植草防護，其余各級坡面采用噴播草、灌籽防護[3]。如圖4所示。

圖4 治理后邊坡

4 結語

本文結合實體工程探討了黃土-紅黏土二元結構深路塹邊坡失穩(wěn)孕育的過程和特征，分析了其失穩(wěn)破壞機制，具體得到了以下成果：

a）黃土-紅黏土組合地層屬二元結構邊坡，開挖卸載會影響土體內(nèi)應力場及位移場的變化，在降雨下滲條件影響下，會逐漸改變路塹邊坡的穩(wěn)態(tài)情況。其失穩(wěn)破壞總體上會經(jīng)歷降雨入滲→抗剪強度降低→蠕動變形→紅黏土受擠壓→滑面形成貫通→黃土邊坡滑移→整體失穩(wěn)滑動，共7個階段[4-5]。

b）黃土-紅黏土組合型地層深路塹邊坡的結構特點、地層巖性決定了其失穩(wěn)變形機制，無論發(fā)生沿黃土界面剪出的圓弧形滑動，還是發(fā)生沿結合面剪出的牽引式滑坡，都是由于水體的作用。隨著降雨入滲和土體含水量增加，在黃土與紅黏土交界面形成一層滑動帶，從而引發(fā)邊坡失穩(wěn)的發(fā)生，所以該類型的邊坡做好綜合排水系統(tǒng)是保證邊坡穩(wěn)定的關鍵。