某公路滑坡機理及防治措施設計優(yōu)化分析

侯小強，姚正學

（1.甘肅建筑職業(yè)技術學院，甘肅 蘭州 730050；2.甘肅省科學院地質自然災害防治研究所，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

近年來，在公路鐵路建設過程中，由于設計速度提高，對于道路線形要求進一步提高，在線路規(guī)劃設計過程中，難免碰到一些無法繞避的特殊地質，在建設過程中，由于開挖坡體，產生新的臨空面，斜坡應力的大小和方向發(fā)生變化，產生滑塌或者滑坡等地質現(xiàn)象[1-2]。因此，在進行線路地質調查時，一定要對坡體的形態(tài)特征、巖土體力學性質及地震作用影響等進行詳細調查。結合近年來集中降雨對斜坡巖土力學性質影響，為斜坡是否穩(wěn)定進行準確判斷，并為穩(wěn)定性較差的斜坡提出科學合理的防治措施，避免發(fā)生較大的地質災害，造成較大的生命及財產損失[3]。本文以某公路滑坡為例，從滑坡形成機理及防治措施進行分析研究。

1 滑坡形成機理

1.1 滑坡的形態(tài)和變形特征

滑坡處在某公路K1+320-K1+480段右側，H1滑坡屬黃土—泥巖滑坡，平面形態(tài)呈“凸型”，滑坡體地勢總體南高北低，實測后緣高程2 453 m，前緣高程2 418 m，前后緣最大高差約35 m，坡面平均坡度約22°，主滑方向為143°，沿主滑方向縱長約190 m，前緣寬約182 m，后緣寬101 m，依據(jù)該次勘查成果計算確定，滑坡體厚度介于7.8～15.6 m之間，平均為 12 m，面積約 2.7×104 m2，體積約32.4×104 m3，按滑體厚度劃分，屬深層滑坡；按滑體體積劃分，屬中型滑坡。

該滑坡周界形態(tài)基本清晰，地形差異明顯，后壁及側緣呈明顯的圈椅狀不明顯，中部有明顯滑動錯臺，裂縫長度約10～20 m，受擠壓呈凹型；前緣邊界處于道路的南側，原始地貌形態(tài)已被修路改造，形成5～8 m的邊坡，坡度較大，局部達65°以上。部分出露的泥巖滑動扭曲明顯，巖層產狀呈水平狀，形成了新的臨空面，出現(xiàn)了大面積的滑塌，帶動中部出現(xiàn)大量的凸型裂縫發(fā)育，0.5～1 m處錯臺明顯，坡面坡腳均有滲水現(xiàn)象。

1.2 滑坡物質組成及結構特征

通過對滑坡主滑方向布置剖面中所布置的2處鉆孔ZK2、ZK5進行鉆孔，揭露土體特征可知，組成滑坡體的物質為粉質黏土和泥巖碎屑（見圖1）。

滑坡體物質上部為粉質黏土，厚度4～15.5 m不等，粉土顏色呈淺黃色，土質較均，底部含有少量鈣質條紋及結核，結構疏松，大孔隙發(fā)育，粉質粘土主要呈褐色，含少量泥巖碎屑，松軟結構，硬塑-可塑狀態(tài)；中下部為泥巖碎屑，呈棕紅色，厚度1.4～2.5 m不等，巖體組織結構完全破壞，呈散體狀結構，巖芯呈碎塊狀，可塑～軟塑狀態(tài)；底部為泥巖，巖體組織結構完全，呈塊狀結構，巖芯呈柱狀。

圖1 滑坡工程地質剖面圖

滑帶主要由紅褐色泥巖碎屑組成，含水量較高，多呈軟塑狀態(tài)，偶見滑動擦痕，局部滑面光滑，摩擦熱變質現(xiàn)象明顯。滑體由上部粉質黏土和下部泥巖碎屑構成，滑坡中后部在滑體內產生新的滑面向下滑動，前緣處仍然沿過去產生的滑床向下滑動。滑床為紅褐色泥巖，泥質結構，薄層狀構造，發(fā)育近水平狀層理，成巖程度低，膠結程度弱，為泥鐵質膠結，多呈半膠結狀，具遇水膨脹、失水收縮干裂的特性，巖芯多呈短柱狀，一般柱長10～20 cm，最大柱長約60 cm，錘擊聲啞，有較深凹痕。

1.3 滑坡形成條件

滑坡和邊坡失穩(wěn)是在多種綜合因素作用下形成的，其地形成因歸納起來主要為區(qū)域地質構造、集中降雨和地震作用。

區(qū)內地質構造運動強烈，地形升降運動形成了沿不同方向展布斷裂和褶皺，它們相互交切，使區(qū)內巖土體遭受嚴重破壞，為地質災害發(fā)育體形成了先決條件。第四紀以來，區(qū)內地殼振蕩性上升使得溝谷深切，侵蝕基準面下降，流水侵蝕作用加劇，坡腳臨空面增大，為滑坡的形成提供了有利的地形條件。同時構造運動使得區(qū)內巖土體構造裂隙發(fā)育，破壞了巖土體的應力平衡狀態(tài)，斜坡趨于不穩(wěn)定，利于滑坡的形成。山體周邊地勢高差較大，夏季集中強降雨較多，成為滑坡災害發(fā)生的主要因素。

近年來，極端強降雨頻繁，該區(qū)境內降水分布時間上很不均勻，降雨量主要集中在七、八三個月，占全年降水量的57.85%。降水量自東北向西南，雨水遞增，并且局部性、短時性和強降雨在8月份十分頻繁，最大降水量267.3 mm，占全年降水總量的24%。降水強度較大，大于25 mm的大雨頻率為32次/a，大于50 mm的暴雨頻率為8次/a，主要分布于4～10月。日最大降水量137.7 mm，小時最大降水量為49.9 mm，10 min最大降水量為21.6 mm，5分鐘最大降水量12.2 mm，最長連續(xù)降雨日14 d。降水對滑坡的作用主要表現(xiàn)以下兩個方面：一是增加斜坡體自重；二是減弱了滑帶土體的抗剪強度，降水的強度和時間控制著滑坡的發(fā)育與局部變形復活。據(jù)調查資料，在豐水年前期降水量在100 mm或當日降水量大于50 mm時便可引起滑坡，如前期降水不足，當日降水量80～100 mm均能引發(fā)滑坡。調查區(qū)黃土含水層雖呈不連續(xù)分布狀態(tài)，但由于汛期降水集中，地下水富集，地下水在形成運移過程中軟化地層并形成浸潤結構面，增加坡體自重，促使斜坡失穩(wěn)變形。地表水的作用表現(xiàn)在：一方面不斷下切溝床，導致侵蝕基準面下降，使岸坡增高變陡；另一方面地表水不斷地沖刷坡腳，臨空面增大，使斜坡始終處于不穩(wěn)定狀態(tài)，有利于滑坡的形成。

5·12地震后，周邊余震不斷地震容易引起巖土體松動及震動液化，使巖土體結構發(fā)生根本改變，強度降低，加劇斜坡變形破壞，直接觸發(fā)坡體整體滑動。地震是滑坡滑動的主要因素之一。據(jù)調查，山周邊滑坡滑動與地震有很密切的關系，多發(fā)在地震后。該區(qū)域地震頻發(fā)，而且強度較高，每次地震從震源發(fā)出的彈性振動，向周圍層傳遞時，具有一定的加速度。因此，將在斜坡內產生一種慣性力，使下滑力或抗滑力在瞬間發(fā)生很大的變化，產生強烈的地面破壞。同時地震引起的強振動作用致使黃土粘聚力C、內摩擦角φ的值在振動過程中突然降低，產生“震陷”等殘余變形、液化作用。地形高低起伏，地震作用力和破壞程度有隨地形起伏、斜坡高度增高而增大的效應，這樣有利于造成斜坡的失穩(wěn)和破壞。斜坡表層有較厚的黃土覆蓋，結構比較疏松，易吸收地震能量而破壞。且黃土層底部有地下水分布，在地震時極易發(fā)生液化，產生滑坡。

1.4 滑坡變形破壞模式

滑坡具有典型且明顯的后緣推移滑動帶、中部主滑帶及前沿臨空牽引帶，其破壞過程與特點分述如下。

前部抗滑段滑帶與主滑帶生成所依附的軟弱結構帶并非一致，而是在應力集中處向臨空（路塹開挖）擠出為主。因此，有向臨空組合的軟弱帶為依附而生成的抗滑段滑帶者，歇于在主滑段推擠下、滑帶地下水逐漸浸濕下漸近破壞而貫通出口；由彈性變形（擠緊）到塑性變形（沿滑帶移動）直至加速大動破壞，此時抗滑段滑帶抗剪強度指標是當時條件下的殘余強度。如出口滑帶是由應力集中下生成（非地質上軟弱帶），由于降雨導致下滲，巖土體自重加大，抗剪斷強度降低，則因剩余下滑力過大，出現(xiàn)鼓脹推移，導致坡體前緣失穩(wěn)。

中部主滑帶多數(shù)是沿滑動斷面內已有的相對于滑體及滑床為較軟弱、破碎及含水的帶為依附而發(fā)育生成。在地震、滑帶部位地下水等因素影響下，由于主滑帶自身所受應力大于強度而產生蠕動變形，在受牽引段的推力共同作用下先自身擠緊，而后將剩余下滑力作用于前部的抗滑段，在前部抗滑段被擠緊下僅產生微量移動，直至抗滑段滑帶形成，隨其產生大規(guī)模的滑動破壞。

在主滑帶的后端先蠕動，使后緣牽引部分的滑體似基礎下陷般斷裂而生成牽引段滑帶（面），隨后則在地表水及地下水逐步軟化而轉化為沿推移滑帶的剪切破壞，產生向主滑體的推力。

2 滑坡穩(wěn)定性分析

計算時滑坡體巖土體的重度、抗剪強度依據(jù)試驗資料及參考本區(qū)域內已有實驗數(shù)據(jù)綜合確定（具體取值見表1）。

表1 治理工程巖土體抗剪強度表

依據(jù)《滑坡防治工程設計與施工技術規(guī)范》（DZ/T0219-2006），7.2條要求進行抗滑樁設計計算。

（1）滑坡區(qū)剩余下滑力計算

設計依據(jù)勘查報告提供的巖土體參數(shù)值，分別按自重工況、自重+暴雨和自重+地震工況計算圖2中1-1、2-2、3-3剖面的情況。

圖2 滑坡剖面條塊計算簡圖

計算公式如式（1）：

式中：Kf為安全系數(shù)；w為第i條塊的重量，kN/m；c為第 i條塊內聚力，kPa；φi為第 i條塊內摩擦角，°；Li為第i條塊滑面長度，m；A 為地震加速度；rv為孔隙水壓力比，由于滑體局部含水，未形成統(tǒng)一水位，該次不計。

式中：ψj為第i塊段的剩余下滑力傳遞至第i+1段時的傳遞系數(shù)（j=1），即

H1滑坡抗滑樁設計計算結果如表2所示。

通過計算分析判定，該滑坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，需要進一步加固。

3 抗滑樁優(yōu)化設計

由于該滑坡地下水豐富，排除地下水可以減小滑坡推力，降低抗滑設施的抗滑壓力。該次采用箱型抗滑樁，利用箱型抗滑樁箱內壁設置泄水孔，樁之間設置過水管，最后通過排水管排走，降低滑面的含水量（如圖3和圖4）所示[4]。該治理方案，在滑坡處（前后緣高程2 418～2 453 m）C30鋼筋混凝土箱型樁，樁身穿過潛在滑移面以下穩(wěn)定地層中，利用下部地層的錨固力向滑坡提供抗力，以阻止坡體滑動。布置抗滑樁后，根據(jù)《公路路基設計規(guī)范》(JTG D30—2015)對滑坡穩(wěn)定性要求，滑坡整體抗滑移安全系數(shù)自然工況下達到1.3抗滑樁設計要求。

表2 滑坡穩(wěn)定性計算過程（自重）

圖3 箱型抗滑樁排水系統(tǒng)示意圖

圖4 箱型抗滑樁排水系統(tǒng)立面示意圖

為進一步節(jié)省材料，樁間距大小主要與剩余下滑力大小、滑體的力學性質有關。若樁距過小，樁的數(shù)量較多，工程量較大，施工周期較長，樁距過大，剩余下滑力較大，樁截面尺寸較大，土拱效益較差[5]。合理樁距根據(jù)《滑坡防治工程設計與施工技術規(guī)范》（DZ/T 0219-2006），根據(jù)抗滑樁最大抗滑承載力，結合傳遞系數(shù)法計算的滑坡設樁處的剩余推力，可以確定抗滑樁的最大樁間距[6]。本次按照1.3的安全系數(shù)，剩余下滑力為1 565.68 kN進行治理。采用懸臂式抗滑樁支擋，樁身截面2 m×3 m，樁總長16 m，錨固段長8 m，樁身采用C30混凝土澆筑，混凝土保護層厚度100 mm，箍筋四箍Φ16@100。

抗滑樁最大抗滑承載力為7905.3kN，結合傳遞系數(shù)法計算的滑坡設樁處的剩余推力為1565.68 kN，抗滑樁的最大樁間距，即：

式中：l為抗滑樁中至中的最大間距，m;Pi為設樁處的剩余推力，kN·m-1。

通過計算，樁的最大間距為5.049 m，為方便施工，樁間距按5 m進行布設。

4 結論

（1）利用工程地質調查的手段和方法，對斜坡的形態(tài)和變形特征進行表觀調查，然后通過對滑坡主滑方向布置剖面中所布置鉆孔，揭露土體特征可知，組成滑坡體的物質為粉質粘土和泥巖碎屑，地下水較為豐富，結合誘發(fā)各種因素綜合分析，認為該滑坡在主滑帶的后端先蠕動，使后緣牽引部分的滑體似基礎下陷般斷裂而生成牽引段滑帶（面），隨后則在地表水及地下水逐步軟化而轉化為沿推移滑帶的剪切破壞，產生向主滑體的推力，進一步闡明了滑坡破壞模式。

（2）根據(jù)該滑坡的形成機理等條件，計算分析該滑坡穩(wěn)定系數(shù)為1.01，處于欠穩(wěn)定，根據(jù)《公路路基設計規(guī)范》（JTG D30—2015）滑坡防治為1.3安全系數(shù)。

（3）由于該滑坡地下水豐富，采用箱型抗滑樁較為科學合理，利用箱型抗滑樁箱內壁設置泄水孔，樁之間設置過水管，最后通過排水管排走，降低滑面的含水量，利用本文利用抗滑樁極限狀態(tài)下，單根樁的最大抗滑承載力恰好等于樁間距范圍內滑坡的剩余推力，進行抗滑樁最大樁間距計算公式，進一步優(yōu)化了設計，達到科學合理，治理有效的目的。