基于裂縫分布的公路滑坡病害機理與處治對策分析

謝藝偉

（中交一公局廈門工程有限公司，廈門 361000）

0 引言

在道路工程建設及運營過程中, 常發生路塹邊坡滑坡及古老滑坡復活變形等地質病害。 對于道路工程,滑坡由于工程建設、 大氣降雨及不良地質等因素發生變形開裂等病害,在病害發生的初始階段,其裂縫、錯臺及剪出口等地表裂縫表現形式不一、出現特征病害的位置不一,且在初始階段滑坡變形的裂縫很難貫通, 完整變形周界很難表現出來。因此,在滑坡病害的初始階段,對滑坡的現場踏勘,應加強裂縫的調查。滑坡變形受力后,在平面上其應力狀態如圖1 所示。 根據其應力狀態,滑坡不同部分發生變形形式不一[1,2]。

圖1 滑坡的平面受力狀態示意圖

總體上,滑坡前緣受最大主應力作用,滑舌部分巖土體以受壓為主,裂縫變形以放射狀張拉裂縫、垂直滑動方向的擠壓臌脹裂縫為主； 存在臨空面時, 以剪出裂縫為主；剪出口在路基面以下時,以路面反翹裂縫為主(常為延線路方向的反翹張裂縫)。

滑坡后緣最大主應力σ1為巖體重力(γh),小主應力σ3呈水平方向,后緣裂縫表現為張拉裂縫特征(地表常表現為張開裂縫、下錯等)；滑坡中部,為整體平移,故滑體內部裂縫較少(或沒有)；滑坡側界,由于滑坡兩側受不動體(穩定地層與滑坡地層)的阻力,形成左右兩隊力偶,產生最大主應力σ1′和小主應力σ3′,其變形主要變現為張扭性裂面和壓扭裂面。 由于土體抗拉強度低,故側界變形裂縫表現為雁形排列的羽狀裂縫,且左右側界裂縫呈對稱狀。

根據滑坡初始階段變形,在滑坡現場踏勘時,應詳細查明裂縫的分布位置、特征、方向等,可有效地綜合判斷出滑坡的總體規模、范圍、周界、后緣、前緣等關鍵特征。再根據裂縫發展的密集程度、變形尺寸大小、貫通程度等作為綜合判斷滑坡變形發展階段、 變形發展程度的重要依據。

以福建某高速公路一路塹邊坡變形為例, 詳細分析由地形地貌、 滑坡裂縫分布特征等判斷為古滑坡復活及其病害機理,并提出針對性的工程根治方案。

1 工程概況

本邊坡工點位于廈沙高速公路尤溪境內, 道路以路塹高低線形式從坡體前緣通過。 變形范圍內,高速公路高線靠山側為高約2 級的路塹邊坡, 坡面主要采用TBS 植草防護；邊坡坡頂為一緩坡臺地(茶園),寬約55m；低線靠山側為高約6～8m 的一級路塹邊坡, 采用片石混凝土的(厚約1m)護面墻防護(圖2)。

圖2 滑坡全貌

2 工程地質條件

2.1 地形地貌

該區域地貌類型屬剝蝕丘陵區,山坡稍陡,自然坡度為25～30°,山坡植被較發育,場地地形起伏較大；場區微地貌呈臺階狀,前緣地形較陡,坡度約30°；中部發育一緩坡臺地,坡度約10°；后緣呈陡坎狀(陡坎上部為農用機耕道),坡度約40°。

2.2 地層巖性

根據邊坡現場踏勘及工程地質勘察顯示, 坡體主要地層為上覆含碎石粉質粘土,下伏強風化粉砂巖(圖3)。其鉆孔揭示地層巖性為：

圖3 典型斷面工程地質圖

碎石粉質粘土(Q4el+dl)：碎石呈灰黃色,碎石占50%～65%,粒徑20～100mm,次棱、次圓狀,成分為強至中分化砂巖。 分選不均,級配不良。 粉質粘土呈棕紅色,可塑～硬塑,以粉質粘土為主,含少量砂粒,個別礫石。 厚約6～17m。

全風化泥質粉砂巖(J11):灰黃色、粉砂結構、散體狀,夾少量礫石。 碎石土層下覆該地層,厚約1m。

基巖為強風化泥質粉砂巖與砂巖互層(J11)：淺灰色等,砂狀結構、層狀構造,泥質膠結,軟質巖,風化裂隙發育。遇水易軟化,暴露空氣中易風化；厚約10～20m。

2.3 水文地質

場地地下水不發育,埋深約為8.90～21.30m,為孔隙水和裂隙水,水量貧乏。

3 坡體變形分析

3.1 坡體地表變形現狀

2017 年10 月本段路基已施工完成, 經道路巡查發現,高線靠山側路塹邊坡及低線護面墻出現開裂現象。 通過詳細踏勘發現,本段道路及坡體變形主要表現為：邊坡坡面變形、邊溝變形、后部山體變形等。

高線靠山側邊坡的截水溝、坡體變形：路塹邊坡坡面變形主要分布于K131+910～+950 段,第一級坡面+910 段有一斜向主裂縫,呈45°方向；第一級平臺發育多道橫向裂縫；邊坡坡頂截水天溝有多道裂縫,坡頂有一張拉主裂縫。

高線道路邊溝變形： 邊溝變形主要位于路基K131+910～+950 段,體現于邊溝外墻向內傾倒,局部溝底出現橫向裂縫。

高線道路后部自然山體變形：邊坡坡頂緩坡臺地(茶園),發育多道張拉裂縫,斷續；緩坡陡坎上部山體機耕道處發育一道主張拉裂縫,呈下挫狀(圖4)。

圖4 后緣張拉裂縫

低線道路護面墻開裂變形： 路塹邊坡坡面混凝土護面墻出現多道豎向、斜向及水平向裂縫(靠坡腳)。

低線道路踏步、邊溝變形：邊溝變形主要表現為邊溝外墻向內傾倒(圖5 所示),局部溝底出現橫向裂縫。 踏步出現多道外鼓張拉裂縫。

3.2 深部位移監測

邊坡變形后,立即開展深孔位移監測工作,根據主斷面初期監測數據揭示, 監測孔ZK2-1 在10.5m 處存在明顯變形, 量值約3mm (10 天),ZK11 在16m 處存在明顯變形,量值約3mm(圖6)。

圖5 低線靠山側邊溝內墻外鼓剪出

圖6 深孔位移監測數據

3.3 坡體變形分析

結合上述邊坡變形裂縫分布及深孔位移監測數據分析, 坡體變形主要表現為邊坡的局部變形和滑坡體的變形[3-4](圖3)。

坡體局部變形主要指高線路塹邊坡的變形。 依據路塹邊坡坡面側界裂縫、 邊坡平臺裂縫及邊坡坡頂拉裂縫分析判定,表現為路塹邊坡的局部變形破壞。

滑坡整體變形主要依據低線路塹邊坡護面墻縱向裂縫外鼓剪出；坡頂緩坡茶園分布多道張開裂縫、后緣陡坎張開下錯裂縫及側界羽狀裂縫及貫通情況等, 同時結合深孔位移監測數據綜合分析[6]，本段山體呈滑體的整體變形狀態。 變形體最大深度約15m,寬約130m,滑坡規模約5 萬m3。

4 滑坡變形機制

4.1 滑坡規模與機理分析

依據地質工程特征及監測數據,滑坡規模主要為：存在飽水過濕帶。 滑坡范圍內,在風化基巖與碎(塊)石層接觸帶存在天然接觸面, 易在雨季水量豐富時候形成飽水過濕帶。 地質勘察揭示接觸面分界明顯。

各典型裂縫,如弧形裂縫、滑坡錯臺、公路邊坡變形、側溝收窄變形、張裂隙的存在,是確定滑坡范圍的依據。

滑坡前緣剪出明顯, 前緣位于人工開挖邊坡上部,剪出口極為明顯,剪出口位于碎石土中。

深孔位移監測數據變形明顯, 且與特征地質界面深度吻合。

綜上分析,本滑坡現階段處于坡體蠕動擠壓階段[1-2],為一中型推移式滑坡。

4.2 滑坡原因分析

根據滑坡場區工程地質特點,變形現狀等綜合分析[5],邊坡發生變形主要因素如下：

(1)老滑坡不良地質體：場區微地貌呈圈椅狀,地層風化界面明顯,存在飽水過濕帶,具備老滑坡地貌地質特征,場區為不良地質體。

(2)地質因素：場區地層巖性主要為泥質粉砂巖,上覆含碎石粉質粘土,下覆碎塊狀強風化地層,地層界面明顯；巖體節理裂隙發育,較破碎,結構面泥質膠結,地表水易入滲,巖體遇水易軟化。場區地層工程地質條件較差,受工程建設及大氣降雨,巖體力學指標松弛、軟化影響明顯。

(3)大氣降雨影響：坡體后山為一平坦地形,具有較好的匯水條件；坡體巖體較破碎,易入滲；2017 年9-10 月受降雨入滲影響,巖體抗剪強度指標降低,致使坡體變形破壞。

(4)工程建設影響：道路路塹形式從坡體前緣通過,形成臨空面,降低滑坡前緣支擋作用,易變形破壞。

5 穩定性分析

通過上述坡體變形機理分析,定為滑坡變形。 本段滑坡變形,前緣剪出口、后緣拉裂縫清晰,中部拉裂縫體現局部多層滑動特征,其變形整體性較強。鑒于此,其穩定性分析與工程治理量化分析, 可采用邊坡極限平衡法反算坡體滑帶力學強度指標。 本滑坡現階段變形發展處于蠕動擠壓階段, 評價其主斷面坡體穩定狀態約為1.05～1.10[2]。選擇主滑斷面K131+945, 采用選用較為嚴格的剛體極限平衡方法——Morgensten&Price 法, 利用Slide 軟件進行滑坡穩定性反演計算,計算上、下層滑坡穩定系數分別為1.1 和1.09,如圖7 所示。 反算滑帶巖體強度指標見表1。

表1 滑坡巖體強度指標表

圖7 K131+945 斷面穩定性分析

6 工程治理方案

根據道路工程建設要求, 本段高速公路即將運營通車。 該滑坡的變形發展,其滑面較深、規模較大,為有效對該滑坡病害進行根治,并保障道路按期通車,采用預應力錨索框架加固防護[7]。

道路高低線邊坡均設置預應力錨索框架, 單榀框架寬6m、6 孔,預應力設計拉力500kN,滿鋪布置。 加固后,滑坡上下層穩定系數分別為1.67 和1.23, 滿足公路路基設計規范要求,如圖8 所示。

圖8 K131+945 斷面應急加固工程穩定性分析

7 結語

(1)滑坡病害的各個不同階段、滑體不同部位變形裂縫特征性較明顯,利用變形裂縫的分布位置、狀態、方向及形狀等,可有效地對滑坡的范圍、規模及滑面特征等進行定性判識。

(2)每個滑坡具有各自特征,對滑坡的初步分析,應結合地形地貌、工程地質條件、大氣降雨、人類活動等,并利用勘察、監測等技術手段綜合分析,揭示其破壞的影響因素和破壞機理,再進行針對性的工程處治,才能有效對其進行病害根治,并控制工程造價等。

(3)本文案例工點為一中型老滑坡的變形復活,原自然山體的地形地貌的老滑坡特征后期改造較大, 難以辨識, 結合微地貌及有效的工程地質勘察地層分析和深部變形的位移分析,可有效揭示病害本質,對工程治理具有控制性作用；同時,道路工程的建設開挖山體,對坡體穩定性影響明顯,工程建設階段應加強建設期工程的監測、巡查等,以便一旦發現安全隱患,及時根治。本文通過對具體案例進行了辨識分析、變形發展、成因分析、穩定性評價及工程處治方案研究, 對同類工程建設的此類問題具有較大參考意義。