潮惠高速公路路塹邊坡滑坡分析與治理

嚴 捷

(廣東晶通公路工程建設集團有限公司，廣東 廣州 510635)

邊坡分析的重點是獲得失穩邊坡的正確破壞形式，并對其進行合理的處治。起初，人們大都在實踐經驗的基礎上，運用工程類比法進行判定，分析和評價邊坡穩定性。該方法對邊坡失穩的判定精度較低，存在著局限性；其類比的條件因地而異，存在著主觀性。經過長期的研究，邊坡穩定性分析方法有極限平衡法和強度折減法等多種方法。隨著有限元數值方法在邊坡穩定性分析中的應用，對強度折減法的研究也日益深入，許多學者們對其做了大量的研究。肖銳鏵[1-3]等人利用強度折減法，對非勻質邊坡、多級邊坡進行了分析，對非勻質邊坡的不同土層結合情況進行了強度折減，得到各級的滑動面。薛雷[4]等人用兩層土層模型，通過改變上、下土層的粘聚比，發現不同粘聚比下整體折減和局部折減的適用性。楊光華[5]等人利用折減不同區域土體，得到局部土體的滑動面。強度折減法具有計算方便和模型簡單等優點而被廣泛應用[6-8]。

本研究擬利用強度折減法，對廣東省潮州至惠州高速公路中TJ8合同段K104+247～K104+396段的路塹高邊坡滑坡機理進行分析，得到多層土體路塹邊坡的滑動面和穩定性系數。針對該地區邊坡的滑坡原因和類型，采用卸載結合錨桿加固的措施，對該邊坡進行處治，為潮惠地區同類型邊坡的滑坡處理提供參考。

1 工程概況

根據現場調查，公路線路區域內地層以沉積巖和巖漿巖為主。沉積巖的巖性為頁巖、砂巖和泥巖；巖漿巖體的巖性為燕山早期花崗巖和零星分布的喜山期輝綠巖。根據設計圖、區域地質資料及工程地質調查成果，其中，有一條斷裂(F1船埔頭斷裂)相交于該標段K109+500附近，角度近90°，但未發現地層被錯動移位現象，該斷裂屬非全新活動斷裂，場地地殼較為穩定。該滑坡區K104+247～K104+396段左側深挖路塹立面設計如圖1所示。

圖1 深挖路塹立面設計(單位：m)Fig.1 Layout plans for the deep excavation of cut facades(unit:m)

該標段區域屬殘丘臺地，道路的大部分區域主要通過坡麓地帶，地形起伏大，邊坡高度在40～182 m左右，坡度20°～45°，從上至下土層可分為上覆地層為粉質粘土、中層強風化泥質粉砂巖及最下層的中風化泥質粉砂巖，K104+247～K104+396段邊坡典型地質橫剖面如圖2所示。

圖2 邊坡典型地質橫剖面Fig.2 Typical geological profile of slopes

2 滑坡原因與分析

滑坡山體中上層粉質粘土的厚度約為8 m，且山體的滑動帶巖層為遇水會出現軟化的泥質粉砂巖構成。由于構成滑動帶中層巖層的強風化泥質粉砂巖的節理發育異常，因此，雨水可由其內部的節理裂隙自由進出。對山體進行開挖時，邊坡面的受力遭受破壞，上層粉質粘土被去掉了，地表水更易通過已破壞的巖體滲透到滑動帶，使滑動帶巖體的抗剪強度降低、位移增加，并形成蠕滑。邊坡的蠕滑使邊坡上層土體出現沉降和滑動。當滑動帶巖體的抗剪強度進一步衰減時，邊坡巖體出現了一條寬 30～50 cm 的貫通拉裂縫。雨水從坡頂拉裂縫入滲到巖體中，大量地表水聚集在軟弱滑動帶，形成一定的靜水壓力和上浮力，使得滑動帶的抗剪強度急劇下降、邊坡滑動速率增加。表明：邊坡發生滑坡是由內部滑動帶和發育節理以及開挖時破壞了山體原有的平衡狀態造成的。

3 邊坡計算與分析

3.1 邊坡計算剖面的選取

根據《公路路基設計規范(JTG D30-2015)》，選定抗滑安全系數為 1.25～1.30。

根據滑坡地形圖，在發生滑坡的邊坡區域，選擇了6 個斷面進行計算。選取K104+300典型斷面進行了分析。該斷面高約40 m，從上至下可分為3層土體：上層粉質粘土平均深度6 m，最大深度為8 m；中層強分化泥質粉砂巖厚度約16 m；最底層為中風化泥質粉砂巖。本研究將該邊坡簡化為二維平面來考慮其穩定性。結合Mohr-Coulomb模型和線彈性模型來賦予邊坡土體材料屬性，運用非關聯的流動法則進行分析。選擇自由劃分技術對網格進行劃分，單元類型選為4節點平面應變單元。邊坡巖土參數見表1。

表1 邊坡巖土參數Table 1 Geotechnical parameters of the slope

3.2 結果與分析

采取局部場變量強度折減法，對選取的邊坡進行計算。其基本原理是將邊坡土體中的參數粘聚力c和內摩擦角φ進行折減，得到一組折減后的cm和φm，然后再將折減后的cm和φm代入模型進行計算。當計算至邊坡達到極限狀態時，對應的折減系數就是邊坡的穩定安全系數。其計算式為：

cm=fc。

(1)

tanφm=ftanφ。

(2)

式中：f為折減系數；c和cm分別為折減前、后的粘聚力；φ和φm分別為折減前、后的內摩擦角。

滑坡計算結果如圖3所示。在邊坡分析中，將邊坡整體劃分為3個區域，即粉質粘土層、強風化層及中風化層。其局部組合分為邊坡整體、粉質粘土層、強風化層、中風化層、粉質粘土層和強風化層組合及強風化層和中風化層組6種組合方式。參照監測數據，本研究選取邊坡整體強度折減對邊坡進行了分析。從圖3(a)中可以看到該模型各部位的尺寸，得到穩定性系數(1.1)。采用Slide軟件，由簡化Bishop條分法計算得到該邊坡穩定性系數(1.13)。2種方法對比可知：利用局部場變量強度折減法得到的邊坡穩定性系數(1.1)是合理的。從圖3(b)中可以看到用強度折減法模擬得到的滑動面。從圖3(c)中可以看出，邊坡水平(X方向)位移大多位于78～193 mm之間，最大位移為193 mm；從圖3(d)中可以看出，垂直(Y方向)位移中的最大位移為-406 mm。

圖3 滑坡計算結果Fig.3 The result of the landslide calculation

4 滑坡治理方案選取

由式(1)，(2)計算可知，若不采用任何加固措施，邊坡會出現一定的滑移，以致發生破壞。由工程地質情況可知，邊坡的山體由泥質粉砂巖構成，其結構穩定性較差。因此，對該區段由下至上，將邊坡坡面依次由第一級至第五級坡度由原先的1∶1均改為為1∶1.25，坡高均為8 m，第一、二級平臺為10 m，其他平臺為2 m，該區段削坡總體積為11 872.26 m3。在第一、二級邊坡坡面，每間隔3 m修建一縱向排水溝，且在底部用漿砌塊石修建寬3.0 m、埋深 2.0 m的護墻。利用細碎石和混凝土對坡頂的張裂縫進行填封，再在填充的混凝土上蓋2層土工布進行防水并覆蓋上夯實的土層。對于第三至第五級邊坡坡面，需在網格內植草或植樹，以便對上部土體進行保護。對第一、二級邊坡進行長錨桿加固(錨桿間距3 m)，并在其坡面澆注尺寸為 10 m×10 m×0.4 m的C30鋼筋混凝土板，兩板結合處需預留伸縮縫，其中，混凝土所用鋼筋為φ10Ⅱ級，鋼筋網格尺寸為 0.3 m×0.3 m，保護層 0.1 m。每級施加3根長16.3 m的錨桿 ，錨桿孔徑為 80 mm，孔洞垂直于坡面，具體設計如圖4所示。

圖4 滑坡部分治理措施(單位：m)Fig.4 Control measures for landslides(unit:m)

按初步治理方案進行削坡和加固后，再進行計算。計算結果表明：邊坡的穩定性會大幅增加，穩定性系數增至1.5～1.6。經過治理后，邊坡的巖體受力狀態得到了改善；滑坡產生的裂縫被封堵，并在拱形骨架內植草，能對邊坡進行很好的保護，地表水也不能入滲到軟弱滑動帶；采用錨桿加固的方式，對第一、二級坡面進行護坡，并在坡面修建排水暗溝，能順暢地排出滑動帶內的滯水，使邊坡巖體的抗剪性能保持穩定。

5 結論

本研究利用有限元分析軟件ABAQUS并結合強度折減法，對潮惠高速公路K104+247～K104+396段的路塹高邊坡滑坡機理進行了穩定性分析，得到的結論為：

1) 構成山體滑坡的內因是由于該段山體滑動帶的中層巖層的強風化泥質粉砂巖的節理發育異常，并且該段路塹開挖后，地表水沿節理裂隙入滲到軟弱巖層，使軟巖的抗剪強度下降，從而誘發了該路塹邊坡滑動。

2) 邊坡在加固前、后的穩定系數和變形發生較為顯著的變化。研究結果表明：采取合理的加固治理措施后，其穩定性會顯著地提高，邊坡的安全系數會增加，位移會明顯地減小。

3) 邊坡治理時，僅采用卸載的方式并不能很好地提高邊坡的穩定性，還需結合其他加固措施。同時，需修建必要的排水和防水措施，才能夠保證邊坡的長期穩定。

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