在役軟巖邊坡變形機(jī)理分析及處治技術(shù)

陳 記 劉慶元

(1.廣東省南粵交通投資建設(shè)有限公司，廣東 廣州 510623；2.中鐵科學(xué)研究院有限公司 深圳分公司，廣東 深圳 518048)

0 引言

路塹邊坡工程在山區(qū)公路建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，尤其是采用加固措施的軟巖邊坡，隨著時(shí)間的推移，往往會(huì)出現(xiàn)加固結(jié)構(gòu)損傷開裂、坡體局部變形甚至發(fā)生坡體整體失穩(wěn)現(xiàn)象，對(duì)道路及行車造成極大威脅。國(guó)內(nèi)外對(duì)營(yíng)運(yùn)期服役邊坡的變形機(jī)理開展了一定的研究工作，蔣水華等提出錨固工程隨著服役時(shí)間的增加失效概率越大的時(shí)效特性[1]，熊德國(guó)、牛傳星、李育樞等提出軟巖吸水率更高、軟化系數(shù)更大、干濕循環(huán)對(duì)軟巖強(qiáng)度損傷不可逆[2-4]；田卿燕、王安懷等對(duì)煤系地層在役邊坡變形病害進(jìn)行了加固工程效果評(píng)估和坡體變形病害原因分析[5-6]?？偟膩砜?，目前研究成果對(duì)在役軟巖加固邊坡的變形破壞機(jī)理研究尚不系統(tǒng)，本研究綜合分析某營(yíng)運(yùn)高速公路變形邊坡的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件、坡體變形與深部位移特征、錨固工程應(yīng)力狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)在役軟巖邊坡具有滑動(dòng)面深切發(fā)展、加固工程分區(qū)漸進(jìn)破壞等特征，可為類似邊坡的變形機(jī)理研究和工程病害處治提供參考依據(jù)。

1 工程概況

1.1 地理環(huán)境

某高速公路K167+382～K167+770段路塹高邊坡在服役期間，受連續(xù)強(qiáng)降雨影響，于2019年5月發(fā)生大規(guī)模變形。該邊坡位于粵北地區(qū)，屬剝蝕丘陵地貌單元，整體呈北高南低，自然山坡呈下陡上緩狀，坡度約15°～35°，植被發(fā)育。邊坡場(chǎng)區(qū)為亞熱帶季風(fēng)型氣候，氣候溫暖潮濕，雨量豐沛，雨季長(zhǎng)，多有臺(tái)風(fēng)暴風(fēng)雨，年平均降雨量約1 700 mm?？拐鹪O(shè)防烈度為Ⅵ度，場(chǎng)地基本地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，基本地震動(dòng)峰值加速度反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。

1.2 工程地質(zhì)條件

邊坡場(chǎng)區(qū)位于贛閩隆起區(qū)和粵桂湘贛褶皺帶的接界處，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，褶皺與斷裂發(fā)育，多為北北東～北東向。坡體地層巖性自上至下為坡殘積粉質(zhì)黏土、礫質(zhì)粉質(zhì)黏土及碎石，下伏基巖為石炭系下統(tǒng)大塘階測(cè)水組(C1dc)泥質(zhì)粉砂巖、砂巖、灰?guī)r、頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖，其中全風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖分布較廣，地質(zhì)條件差。

邊坡巖層產(chǎn)狀變化較大，自小里程往大里程方向巖層產(chǎn)狀由125°∠42°逐漸變化至210°∠23°，中間區(qū)段為165°∠20°；發(fā)育3組節(jié)理：347°∠44°，140°∠54°，109°∠28°，節(jié)理面間結(jié)合程度差，多充填泥質(zhì)成分。邊坡坡向169°。工程地質(zhì)橫斷面圖見圖1。

圖1 邊坡工程地質(zhì)橫斷面Fig.1 Geological cross-ection of slope project

1.3 原設(shè)計(jì)

該邊坡最大坡高約41 m，共5級(jí)。在2017年建設(shè)期間，其中K167+425～K167+560區(qū)段發(fā)生滑移變形，變更后分區(qū)段設(shè)計(jì)見表1。

表1 邊坡原分段設(shè)計(jì)一覽表Tab.1 List of design of slope original sections

原設(shè)計(jì)立面示意圖見圖2。

圖2 原設(shè)計(jì)立面示意圖Fig.2 Schematic diagram of elevation of original design

2 變形特征

該邊坡于2018年4月完工，高速公路于2018年9月建成通車。受連續(xù)強(qiáng)降雨影響，該邊坡于2018年5月再次發(fā)生大范圍嚴(yán)重開裂變形，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、監(jiān)測(cè)，邊坡主要變形特征分述如下。

2.1 地表及結(jié)構(gòu)物變形

該邊坡坡面及周邊地表變形、加固工程結(jié)構(gòu)物變形情況見表2。

表2 邊坡地表及結(jié)構(gòu)物變形特征一覽表Tab.2 List of deformation characteristics of slope surface and structure

2.2 深部位移

建設(shè)期間，該邊坡K167+555斷面設(shè)置為深部位移監(jiān)測(cè)斷面，分別在該斷面1級(jí)平臺(tái)布設(shè)ZK1、2級(jí)平臺(tái)布設(shè)ZK2監(jiān)測(cè)孔，位移監(jiān)測(cè)曲線見圖3、圖4。該2孔后因邊坡治理施工被破壞，營(yíng)運(yùn)期在原監(jiān)測(cè)孔位置偏移2 m范圍內(nèi)(孔口標(biāo)高基本一致)重新布設(shè)監(jiān)測(cè)孔ZK3，ZK4，深部位移監(jiān)測(cè)曲線見圖5、圖6。

圖3 建設(shè)期1級(jí)平臺(tái)ZK1深部位移監(jiān)測(cè)曲線Fig.3 Deep displacement monitoring curves of ZK1 on 1st class of during construction

圖4 建設(shè)期2級(jí)平臺(tái)ZK2深部位移監(jiān)測(cè)曲線Fig.4 Deep displacement monitoring curves on 2nd class of ZK2 during construction

圖5 營(yíng)運(yùn)期1級(jí)平臺(tái)ZK3深部位移監(jiān)測(cè)曲線Fig.5 Deep displacement monitoring curves of ZK3 on 1st class platform during operation

圖6 營(yíng)運(yùn)期2級(jí)平臺(tái)ZK4深部位移監(jiān)測(cè)曲線Fig.6 Deep displacement monitoring curves of ZK4 on 2nd class platform during operation

綜合分析圖3～圖6深部位移監(jiān)測(cè)曲線，可發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：

(1)建設(shè)期變形規(guī)律：在2018年5月雨季之前，邊坡僅有局部調(diào)整變形，最大位移量約20 mm；在連續(xù)強(qiáng)降雨作用下，邊坡發(fā)生快速變形，位移增量超過20 mm，與邊坡地表顯著變形吻合。

(2)建設(shè)期滑面深度：ZK1在15 m深處存在明顯拐點(diǎn)，ZK2在6，15 m處存在拐點(diǎn)，表明建設(shè)期坡體存在兩層滑面，淺層滑面深度約6 m，深層滑面深約15 m。

(3)營(yíng)運(yùn)期滑面深度及變形特征：ZK3在17 m處存在拐點(diǎn)，ZK4在5.5，20 m處出現(xiàn)拐點(diǎn)，表明邊坡淺層滑面深約5.5 m，深層滑面對(duì)應(yīng)1級(jí)平臺(tái)和2級(jí)平臺(tái)分別深為17 m和20 m。

(4)滑面變化特征：邊坡營(yíng)運(yùn)期間淺層滑面與建設(shè)期基本保持一致，深層滑面深度較之建設(shè)期向下發(fā)展2～5 m，表明原坡體抗滑樁、鋼管微型樁和預(yù)應(yīng)力錨索格梁加固后，在遭遇連續(xù)大氣強(qiáng)降雨作用后，巖土體軟化作用仍在繼續(xù)發(fā)展[7]，受加固荷載抑制后向縱深發(fā)展，引起深層滑面下切，導(dǎo)致原加固措施安全儲(chǔ)備不足，誘發(fā)邊坡進(jìn)一步變形失穩(wěn)。

3 錨固工程當(dāng)前應(yīng)力狀態(tài)檢測(cè)

邊坡發(fā)生變形后，為了解在役加固工程的性能狀況，分別按斷面選擇15根設(shè)計(jì)荷載500 kN、12根設(shè)計(jì)荷載400 kN錨索進(jìn)行當(dāng)前持有荷載檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見圖7、圖8。

圖7 設(shè)計(jì)荷載500 kN錨索持有荷載分布圖Fig.7 Distribution of holding loads of anchor cable when design load is 500 kN

圖8 設(shè)計(jì)荷載400 kN錨索持有荷載分布圖Fig.8 Distribution of holding loads of anchor cable when design load is 400 kN

從錨索當(dāng)前應(yīng)力狀態(tài)分布圖可以看出，K167+382～K167+560段錨索設(shè)計(jì)荷載500 kN，少數(shù)孔荷載處于正常至超設(shè)計(jì)水平，大部分荷載處于不同程度損失狀態(tài)，最大超值約121%，最大損失約90%；K167+560～K167+770段錨索設(shè)計(jì)荷載400 kN，基本呈兩極分化，超設(shè)計(jì)荷載或荷載大幅損失，最大超值約120%，最大損失約90%。分析其原因，可歸納為3個(gè)方面。

(1)邊坡巖土體飽水后，錨索孔周巖土體強(qiáng)度降低[8-10]，黏結(jié)剪應(yīng)力降低，錨索荷載也隨之降低。

(2)坡體地層巖性軟，錨索張拉鎖定后處于高應(yīng)力狀態(tài)，地層徐變量大，造成錨索回縮、荷載降低。

(3)邊坡巖土體飽水后下滑荷載增大，抗滑荷載降低，穩(wěn)定性也隨之降低，邊坡產(chǎn)生變形，錨索外錨頭也隨之產(chǎn)生位移并引起錨固荷載增大，呈現(xiàn)出漸進(jìn)破壞特征：開始時(shí)少數(shù)錨索荷載超過極限能力發(fā)生破壞，再逐漸向周邊發(fā)展，錨索破壞數(shù)量不斷增加，直至邊坡大規(guī)?；瑒?dòng)破壞。錨索最大超限能力大于121%，破壞后錨索持有荷載水平只有10%左右。

4 機(jī)理分析

4.1 變形機(jī)理

在大量收集、分析資料的基礎(chǔ)上，經(jīng)充分踏勘、專項(xiàng)補(bǔ)充勘察、檢測(cè)試驗(yàn)及監(jiān)測(cè)，參考國(guó)內(nèi)外邊坡失穩(wěn)機(jī)理研究成果[11-14]，從坡體結(jié)構(gòu)、加固效應(yīng)和外因等方面，對(duì)該邊坡的變形機(jī)理定性分析如下。

(1)內(nèi)部損傷。該邊坡在建設(shè)期因坡腳開挖后遭遇連續(xù)強(qiáng)降雨，導(dǎo)致支擋加固工程實(shí)施滯后，誘發(fā)邊坡發(fā)生較大規(guī)模變形，在坡體內(nèi)形成貫通軟弱面，雖采取加固工程予以抑制，但在服役期間易受不利作用發(fā)生惡化。

(2)地形地貌。塹頂以上自然斜坡較緩，延伸長(zhǎng)度近300 m，匯水面積較大；邊坡范圍分布有兩道U形沖溝，溝底縱坡平緩。地表匯水在緩坡段流速減緩，大量滲入坡體，降低坡體穩(wěn)定性。

(3)地層巖性。邊坡地層巖性主要為第四系坡殘積粉質(zhì)黏土和下伏石炭系下統(tǒng)大塘階測(cè)水組(C1dc)全～強(qiáng)風(fēng)化富含高嶺石泥質(zhì)砂巖、炭質(zhì)頁(yè)巖，巖性極軟，親水性強(qiáng)，水解、水化、崩解作用強(qiáng)烈，屬于煤系易滑地層。

(4)軟弱結(jié)構(gòu)面。巖層產(chǎn)狀與邊坡同向小角度斜交，為順層邊坡，并與順坡向陡傾貫通節(jié)理面140°∠54°組合，易發(fā)生順層滑動(dòng)。

(5)水的作用。在連續(xù)降雨條件下，大量地表水下滲進(jìn)入坡體，一是造成坡體地下水位快速升高，坡體靜水壓力快速增大；二是增加巖土體重度；三是強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、炭質(zhì)頁(yè)巖泡水后崩解、軟化，強(qiáng)度顯著降低。水的作用大幅削弱邊坡穩(wěn)定程度，是邊坡變形失穩(wěn)的主要誘因。

（二）多形式培養(yǎng)學(xué)生說的能力。語(yǔ)言是人類最重要的交際工具。素質(zhì)教育中的語(yǔ)文教學(xué)就應(yīng)充分重視說的訓(xùn)練。這種說的訓(xùn)練，是學(xué)生主動(dòng)用自己的語(yǔ)言來表達(dá)自己思想的技能技巧的練。在課內(nèi)，主要要求教師以說明理，引導(dǎo)學(xué)生懂得說是進(jìn)行思想交流和感情溝通的最根本途徑。教師要想方設(shè)法為學(xué)生營(yíng)造說的環(huán)境。在課堂內(nèi)進(jìn)行敘述，說明等實(shí)踐，充分鍛煉學(xué)生說的能力。在課堂外經(jīng)常舉行小型故事會(huì)，演講會(huì)，辯論會(huì)，詩(shī)歌朗誦會(huì)等以說為主的活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生快速思維能力，語(yǔ)言運(yùn)用能力和思變能力等。

(6)工程加固效果弱化。該邊坡在建設(shè)期發(fā)生較大規(guī)模變形并采取加固措施后，邊坡穩(wěn)定系數(shù)超過規(guī)范要求的1.20，但在營(yíng)運(yùn)期間，受連續(xù)降雨氣候作用后，加固工程隨服役環(huán)境變化產(chǎn)生弱化效應(yīng)，表現(xiàn)為幾個(gè)不利方面：一是地層軟化，顯著降低錨筋體和孔周地層的黏結(jié)摩擦力，導(dǎo)致錨固性能劣化，而且降低抗滑樁前巖土被動(dòng)土壓力，削弱抗滑樁抗滑能力；二是坡體加固工程改變地下水通道，尤其是排水孔堵塞后，遲滯地下水排泄，導(dǎo)致坡體地下水位抬升，滑帶土長(zhǎng)期飽水，引起滑面向下發(fā)展，滑坡規(guī)模增大；三是隨著坡體下滑力增大、抗滑力減小，在薄弱區(qū)域加固措施首先被破壞，并逐漸向周邊發(fā)展，引發(fā)邊坡整體變形失穩(wěn)。

綜合分析，受不利地形、地質(zhì)條件制約和加固工程服役性能下降的影響，在連續(xù)降雨引起的水的作用下，該邊坡發(fā)生長(zhǎng)約220 m、寬約150 m、平均厚約20 m、體積約50×104m3的滑動(dòng)變形，屬于牽引式大型滑坡。

4.2 穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)變形特征分析，邊坡當(dāng)前處于蠕動(dòng)變形階段，引起巖土體強(qiáng)度降低，考慮強(qiáng)度折減[15]，加固工程主體尚未破壞，考慮到滑面在地下水位線以下，以及加固荷載的差異性，為便于分析，將加固工程與巖土體看成復(fù)合巖土體，由此反算該復(fù)合巖土體的滑帶土綜合力學(xué)指標(biāo)，并與室內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo)比較，結(jié)合地區(qū)工程類比經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)復(fù)核，最終確定該邊坡各區(qū)段滑帶土綜合力學(xué)指標(biāo)，由此計(jì)算各區(qū)段典型代表斷面的剩余下滑力，見表3。

表3 邊坡滑帶土綜合物理力學(xué)指標(biāo)及剩余下滑力一覽表Tab.3 List of comprehensive physical and mechanical indicators and residual sliding force of landslide zone soil

典型代表斷面K167+575上部卸載后的剩余下滑力計(jì)算圖見圖9。

圖9 K167+555斷面剩余下滑力計(jì)算圖Fig.9 Calculation diagram of residual sliding force on K167+555 section

5 處治技術(shù)

在深入研究分析邊坡變形失穩(wěn)機(jī)理的基礎(chǔ)上，根據(jù)坡體地理環(huán)境和地質(zhì)條件，變更處治措施針對(duì)地層強(qiáng)度飽水劣化、錨固段地層軟弱、抗滑樁布加固深度不足以及坡面加固范圍不夠等問題，充分考慮最不利滑面深度、合理樁間距以及抗滑樁與錨索的協(xié)同作用等因素[16-18]，對(duì)邊坡進(jìn)行分段針對(duì)性加固處治設(shè)計(jì)。

(1)既有抗滑樁深度不足區(qū)段，采取樁前增設(shè)1排直徑2 m的抗滑樁，樁長(zhǎng)24 m。

(2)加固荷載不足區(qū)段，根據(jù)剩余下滑力大小分布設(shè)1～2排直徑2 m的抗滑樁，部分區(qū)段還增設(shè)鋼花管微型樁或預(yù)應(yīng)力錨索。

(3)抗滑樁單樁設(shè)計(jì)荷載800 kN/m，錨索錨固荷載400 kN/孔，鋼花管微型樁設(shè)計(jì)荷載100 kN/m。設(shè)計(jì)長(zhǎng)度均按深切后的滑面并預(yù)留3～5 m發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行控制。

表4 邊坡分段設(shè)計(jì)穩(wěn)定性系數(shù)一覽表Tab.4 List of stability factors for slope sectional design

具體分段處治措施見表5。

表5 邊坡分段加固處治措施一覽表Tab.5 List of slope sectional reinforcement measures

邊坡處治完工至今已超過一年，各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)正常，表明邊坡變形病害得到有效治理。

6 結(jié)論

(1)軟巖邊坡加固工程在服役期間具有緩慢弱化效應(yīng)，錨固性能逐漸降低，支擋抗力不斷削弱，導(dǎo)致邊坡加固能力越來越低。

(2)軟巖邊坡加固處治后，服役期間在水的作用下，穩(wěn)定性降低，滑動(dòng)面有向下發(fā)展趨勢(shì)，下切深度可達(dá)2～5 m。

(3)軟巖邊坡錨固工程在邊坡變形時(shí)具有漸進(jìn)破壞特征，表現(xiàn)為先是少數(shù)錨索超限破壞，再逐漸發(fā)展為更多錨索超限破壞，直至邊坡大規(guī)?；瑒?dòng)。錨索最大超限能力大于121%，破壞后錨索持有荷載水平只有10%左右。

(4)在役軟巖邊坡變形機(jī)理包括地質(zhì)條件、大氣降雨引起的水作用和加固工程弱化效應(yīng)，其中地質(zhì)條件是基礎(chǔ)，水的作用是誘因，加固工程弱化效應(yīng)是主要原因。

(5)在役軟巖邊坡變形病害應(yīng)根據(jù)變形體規(guī)模，以支擋工程為主，結(jié)合上部合理刷方卸載與全邊坡范圍排水系統(tǒng)，錨固工程或注漿加固工程僅適用于局部加強(qiáng)。