大潮高速公路路塹邊坡災(zāi)變機(jī)理及防治

蔡有信，袁 坤，劉夢佳

(1.廣東大潮高速公路有限公司，廣東 梅州 514245； 2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081)

0 引言

隨著交通建設(shè)不斷發(fā)展，艱險復(fù)雜山區(qū)的公路工程也越來越多，但山區(qū)滑坡災(zāi)害頻發(fā)對高速公路建設(shè)與運營安全造成了較大危害，路塹邊坡防護(hù)問題日漸嚴(yán)峻[1-4]。因此，加強(qiáng)高速公路路塹邊坡的防護(hù)治理，對交通安全具有十分重大的意義。

國內(nèi)外在滑坡防治方面已取得了許多研究成果，例如錨索、抗滑樁、預(yù)應(yīng)力錨索框架等諸多防治手段得到了廣泛應(yīng)用[4-6]。但采用上述手段在治理滑坡問題上也存在著施工周期長、治理成本大和施工安全難以得到保障、特殊地層無法適用等諸多不足。因此，根據(jù)應(yīng)急搶險工程的迫切需求，研究施工周期短、機(jī)械化程度高、施工安全性高的新型防治技術(shù)，是目前邊坡災(zāi)害防治亟需解決的課題之一[7-10]。此外大量工程實踐表明，準(zhǔn)確分析和研究滑坡演化機(jī)理，準(zhǔn)確判斷滑坡特征，對滑坡防治工作將起到關(guān)鍵性和決定性的影響。但由于滑坡種類多、滑坡機(jī)理復(fù)雜、滑坡成因多樣化，對滑坡機(jī)理有待進(jìn)一步全面、深入地研究。

本文以大潮高速公路K49+460～+995段路塹右側(cè)邊坡為試驗工點，采用多次分段控制注漿“豎向鋼花管微型樁+斜向預(yù)應(yīng)力鋼錨管錨索”組合框架加固新技術(shù)，形成了與“錨索抗滑樁”類似的結(jié)構(gòu)，即形成了與抗滑樁類似的豎向鋼花管微型樁群，預(yù)應(yīng)力錨索相當(dāng)于預(yù)應(yīng)力鋼錨管錨索結(jié)構(gòu)。經(jīng)工程實踐應(yīng)用，探討該新技術(shù)在火山角礫巖和少量中粗粒凝灰質(zhì)砂巖地層的適用性以及分析了對滑坡穩(wěn)定性的影響。

1 工程地質(zhì)條件

大潮高速公路K49+460～+995路塹右側(cè)邊坡位于廣東省潮州市饒平縣境內(nèi)。原邊坡為五級路塹邊坡，其中一至四級邊坡坡高均為8m，五級邊坡坡高直達(dá)自然形成的山坡坡頂。其中：一至三級邊坡坡率1∶1.25，四至五級邊坡坡率1∶1.50；第二級平臺寬8m，其余各級平臺寬4m?；氯踩鐖D1所示。

圖1 滑坡全貌

1.1 地形地貌

大潮高速公路K49+460～+995段處于低山丘陵地貌，自然山坡坡度約25°。植被較發(fā)育，邊坡全長535m，最大坡高41m，線路走向204°，邊坡傾向為114°。

1.2 地層巖性

根據(jù)該區(qū)域有關(guān)的地質(zhì)資料、現(xiàn)場鉆探和野外實地調(diào)查結(jié)果，發(fā)現(xiàn)本路段邊坡的巖性較復(fù)雜，坡、殘積土中摻夾著較多集塊，其成份多為火山角礫巖和少量中粗粒凝灰質(zhì)砂巖?；鶐r是火山角礫巖及其風(fēng)化層，滑坡體下伏巖層還可能存在燕山三期花崗巖，滑坡2.5km以外為燕山四～五期花崗巖。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

滑坡周邊區(qū)域地質(zhì)以侏羅系上統(tǒng)兜嶺群(J3dl)火山角礫巖為主，地表覆蓋第四系坡、殘積粉質(zhì)粘土、夾塊石,下伏基巖為燕山期花崗巖。區(qū)域工程地質(zhì)如圖2所示。

圖2 區(qū)域工程地質(zhì)

1.4 水文地質(zhì)

路塹邊坡所在山體地下水水位較高，通過深部位移監(jiān)測孔可知，第一級平臺處的地下水水位埋深約為1 m。

1.5 地震

結(jié)合本區(qū)域地質(zhì)資料及相關(guān)規(guī)范[15]得出：路塹邊坡所在區(qū)域地震動峰值加速度為0.15g，特征頻率周期為0.40s，地震設(shè)防烈度為7度。

2 滑坡病害特征及變形機(jī)理

2.1 滑坡病害

從2019年5月開始，由于受到長時間強(qiáng)降雨的影響，該邊坡第一級坡體出現(xiàn)沖溝，如圖3所示。

圖3 第一級坡坡體沖溝

2019年6月，K49+590～+610段(溝谷段)出現(xiàn)滑塌，K49+610～+650段出現(xiàn)裂縫，如圖4～圖5所示。

圖4 二級平臺裂縫

圖5 三級平臺裂縫

目前，坡體左側(cè)界裂縫已貫通，后緣裂縫最高點的里程約在K49+620段處，該處距路中線的距離約為85m，下錯距離約為2m，如圖6所示。坡體變形范圍為K49+550～+700，長150m。坡面發(fā)育多條裂縫和局部滑塌，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查，剪出口尚未發(fā)現(xiàn)。

圖6 后緣下錯形成后緣陡壁

2.2 深部位移監(jiān)測及滑面位置的確定

2.2.1 深部位移監(jiān)測

根據(jù)滑坡變形發(fā)育特征和位置，在該工點共布設(shè)了3個斷面13個鉆孔，其中在主軸斷面II-II'斷面上布設(shè)5個鉆孔，分別為K5～K9鉆孔，鉆孔監(jiān)測平面布置如圖7所示。根據(jù)鉆孔相對位移的監(jiān)測數(shù)據(jù)，剖面2上的K6、K7、K8位移明顯，如圖8所示。

圖7 滑坡監(jiān)測鉆孔平面布置

圖8 典型監(jiān)測曲線

2.2.2 滑面位置

根據(jù)監(jiān)測曲線可以看出，II-II'斷面靠山頂K6監(jiān)測孔監(jiān)測錯臺位置深度19m，K7監(jiān)測孔淺層滑動面深度7m，一級平臺K8監(jiān)測孔淺層滑動面深度8m。現(xiàn)場調(diào)查表明，淺層土在K8鉆孔孔口剪出。根據(jù)K7和K8孔口剪出的土層可以認(rèn)為淺層主滑動面傾角15°，另外根據(jù)K6孔監(jiān)測處的變形位置并結(jié)合淺層滑動面的傾角可以確定深層滑動面。II-II'斷面如圖9所示。

圖9 II-II'滑動斷面

2.3 滑動機(jī)理數(shù)值模擬分析

2.3.1 邊坡斷面模型的建立

通過分析監(jiān)測數(shù)據(jù)確定了滑動面的位置，采用plaxis2D有限元軟件建立II-II'數(shù)值模型。土體本構(gòu)模型采用摩爾庫倫模型，采用強(qiáng)度折減法模擬滑坡滑動過程。模型邊界條件為底部固定，兩邊約束水平方向位移，上部保持自由。模型參數(shù)根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果選取(表1)，模型的網(wǎng)格劃分如圖10所示。

圖10 II-II'斷面網(wǎng)格

表1 巖土力學(xué)參數(shù)

2.3.2 數(shù)值模擬計算結(jié)果

數(shù)值模擬計算結(jié)果如圖11所示。從滑坡演變過程中可以看出，在滑坡蠕動階段，滑動面塑性應(yīng)變區(qū)主要出現(xiàn)在主滑段，另外后緣牽引段存在輕微的塑性變形；在滑坡擠壓階段，由于此時塑性區(qū)顯著增大，并不斷向牽引段發(fā)展，主滑段塑性區(qū)域也逐漸增大；當(dāng)再次對滑動面土體力學(xué)參數(shù)折減后，抗滑段也出現(xiàn)塑性區(qū)域，此時整個滑動面接近貫通，坡體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖11 II-II'斷面模擬演變結(jié)果

本文數(shù)值模擬較好地再現(xiàn)了邊坡由蠕動階段到滑動階段滑動面塑性區(qū)逐漸由主滑段向后牽引，并不斷擠壓抗滑段的全過程。

3 滑坡整治工程措施

3.1 滑坡推力計算

3.1.1 強(qiáng)度指標(biāo)的確定

本文以II-II'斷面為例進(jìn)行了滑動帶土強(qiáng)度指標(biāo)的反算。結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，滑坡后緣裂縫已經(jīng)形成并貫通、邊坡坡面均出現(xiàn)多道裂縫，結(jié)合滑坡防治工程經(jīng)驗，可以判定此時邊坡處于微動階段，對主滑帶巖土體強(qiáng)度指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行反算(本文邊坡取穩(wěn)定性系數(shù)Ks=0.95)。具體的反算結(jié)果見表2。

表2 滑帶土強(qiáng)度指標(biāo)反算結(jié)果

3.1.2 滑坡推力計算

3.1.2.1 正常工況

本文采用不平衡推力法對滑坡推力進(jìn)行了分析。根據(jù)工程的重要性并按《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330-2013)的要求，取該段的高速公路穩(wěn)定性系數(shù)Ks為1.2。在未考慮鋼錨管劈裂注漿加固工況下，滑坡推力計算結(jié)果見表3。

表3 正常工況未考慮注漿滑坡推力計算結(jié)果

通過劈裂注漿提高滑動帶土體強(qiáng)度是目前常采用的方法，根據(jù)邊坡劈裂注漿前后取樣的室內(nèi)巖土直剪試驗結(jié)果，可以看出劈裂注漿后該邊坡滑帶土強(qiáng)度指標(biāo)φ2提高了1°，主滑帶內(nèi)摩擦角為13°，滑坡剩余水平下滑力的計算結(jié)果見表4。

表4 正常工況考慮注漿滑坡推力計算結(jié)果

3.1.2.2 地震工況

根據(jù)該區(qū)7度地震烈度和水平地震力計算公式Ge=aw·G(式中:Ge為結(jié)構(gòu)總水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值，aw為結(jié)構(gòu)基本自振周期的水平地震影響系數(shù)值，G為結(jié)構(gòu)等效總重力荷載)，并依據(jù)《公路滑坡防治設(shè)計規(guī)范》[15](JTG/T 3334-2018)的要求，取地震工況下設(shè)計穩(wěn)定性系數(shù)Ks=1.15對水平下滑力進(jìn)行了計算。計算所采用的主滑段粘聚力C2=15kPa，內(nèi)摩擦角φ2=13°，計算結(jié)果見表5。

表5 地震工況下剩余水平下滑力計算結(jié)果

3.1.2.3 暴雨工況

依據(jù)《公路滑坡防治設(shè)計規(guī)范》(JTG/T 3334-2018)，在暴雨或連續(xù)降雨狀態(tài)下穩(wěn)定性安全系數(shù)取1.15,滑體按飽和重度γ=22kN/m3取值，主滑段粘聚力C2=15kPa，內(nèi)摩擦角φ2=11.3°進(jìn)行計算。

從表6可以看出，天然工況下滑坡推力為990kN/m，地震工況下滑坡推力為1 853kN/m，暴雨工況下滑坡推力為1 332kN/m。本滑坡處治工程按最不利工況(地震工況)計算滑坡推力并進(jìn)行加固設(shè)計。

表6 暴雨工況滑坡推力計算結(jié)果

3.2 處治設(shè)計方案

3.2.1 設(shè)計方案的選取

由于坡體殘坡積層較厚，且為松散碎塊石土，地表水易下滲，因此考慮采用劈裂注漿技術(shù)。通過劈裂注漿來對松散碎石土的空隙區(qū)域進(jìn)行充填和擠密，提高滑帶巖土體整體強(qiáng)度指標(biāo)。此外考慮到邊坡已經(jīng)滑動，為了提高邊坡的穩(wěn)定性，還需增加邊坡抗滑力，因此還考慮了邊坡錨固。

為了將劈裂注漿技術(shù)和錨固技術(shù)相結(jié)合，本文認(rèn)為多次分段控制注漿預(yù)應(yīng)力鋼錨管錨索組合結(jié)構(gòu)加固新技術(shù)較適用，該技術(shù)通過以往工程案例的實際效果，表明對邊坡處治具有較好的適用性。

3.2.2 設(shè)計方案

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和模擬結(jié)果分析，采用豎向鋼花管微型樁群+斜向預(yù)應(yīng)力鋼錨管錨索組合框架梁對滑坡面進(jìn)行加固。豎向鋼花管微型樁群采用混凝土板澆筑并與邊坡框架梁現(xiàn)澆成一個整體，這也是將微型樁與預(yù)應(yīng)力鋼錨管錨索形成了預(yù)應(yīng)力錨固+微型樁群組合結(jié)構(gòu)的新技術(shù)。

II-II'支擋加固的斷面如圖12所示。

圖12 II-II'支擋加固斷面

3.3 滑坡加固后的數(shù)值模擬

采用“預(yù)應(yīng)力錨固+微型樁群組合結(jié)構(gòu)”新技術(shù)對原始滑坡進(jìn)行加固后，本文采用數(shù)值模擬方法對加固效果進(jìn)行了數(shù)值計算。加固后的計算模型如圖13所示。

圖13 II-II'支擋加固斷面網(wǎng)格

圖13中各土層的類別及計算參數(shù)取值見表1，模型的邊界同上文所述一致。

從數(shù)值模擬計算結(jié)果可以看出，在滑坡的不同階段進(jìn)行支護(hù)加固，相同的支護(hù)結(jié)構(gòu)得到的支護(hù)效果是不一樣的。模擬結(jié)果表明，在滑坡演變的早期階段(蠕動階段)進(jìn)行支護(hù)，能夠取得較好的支護(hù)效果。與滑坡擠壓階段、滑動階段相比，滑坡區(qū)域土體的穩(wěn)定性更好。

圖14所示為在滑坡演變不同階段支護(hù)加固中一根鋼花管的位移分析結(jié)果，可見鋼花管管頂?shù)奈灰齐S著滑坡的不斷演變逐漸增加，該現(xiàn)象和以往實際防護(hù)工程的檢測數(shù)據(jù)一致，這也驗證了本文數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。

圖14 II-II'支擋加固斷面鋼花管位移

4 結(jié)論

(1)結(jié)合本工程地質(zhì)條件，邊坡為殘坡積層，坡殘積厚度大，路基面以上未見基巖，坡面見松散的碎塊石，本文邊坡滑坡發(fā)生的主要原因是人工開挖坡腳，造成坡腳臨空，外加降雨和地表水下滲，導(dǎo)致坡體滑動。

(2)通過劈裂注漿對松散碎石土空隙進(jìn)行充填、擠密，提高了滑帶巖土體的強(qiáng)度指標(biāo)，大大提升了滑帶的抗滑力，基于此，本文采用錨固技術(shù)來提高邊坡的穩(wěn)定性。通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)測和模擬結(jié)果可以看出，劈裂控制注漿技術(shù)和錨固技術(shù)相結(jié)合的豎向鋼花管微型樁群+預(yù)應(yīng)力鋼錨管錨索組合加固新技術(shù)，在該工況下可以得到較好的應(yīng)用效果，對該邊坡處治具有較好的適用性。

(3)本工程采用多次分段注漿預(yù)應(yīng)力鋼錨管預(yù)應(yīng)力錨索加固，可有效地解決錨索安裝難度大的技術(shù)問題。

(4)通過對滑坡演變過程進(jìn)行模擬，可以發(fā)現(xiàn)在滑坡的不同階段進(jìn)行加固，相同的支護(hù)措施取得的支護(hù)效果相差較大。因此，滑坡支護(hù)應(yīng)在滑坡演變的早期或中期進(jìn)行，此時支護(hù)效果較好且工程成本較低。