潛在不穩(wěn)定邊坡復(fù)合式主動(dòng)加固方法研究*

李培鋒，李斯?jié)?春，袁從華，廖明進(jìn)

(1.云南玉臨高速公路建設(shè)有限責(zé)任公司，云南 臨滄 677000； 2.云南交投集團(tuán)投資有限公司，云南 昆明 650228; 3.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071；4.武漢科技大學(xué)，湖北 武漢 430065)

0 引言

滑坡地質(zhì)災(zāi)害是公路工程建設(shè)中的常見(jiàn)問(wèn)題。工程建設(shè)中尤其是軟巖和松散體類邊坡，極易受工程擾動(dòng)導(dǎo)致滑坡等災(zāi)害事故，分析其原因之一是建設(shè)和施工單位嚴(yán)重缺乏有工程經(jīng)驗(yàn)的巖土工程師，二是建設(shè)過(guò)程中作業(yè)不規(guī)范，又或是對(duì)于盲目建設(shè)和作業(yè)可能產(chǎn)生的后果認(rèn)識(shí)不足[1]。復(fù)雜地質(zhì)條件加之經(jīng)驗(yàn)的缺乏，在工程建設(shè)中不斷出現(xiàn)局部或整體滑坡事故，導(dǎo)致建設(shè)者們面對(duì)這一類滑坡問(wèn)題顯得十分被動(dòng)，同時(shí)也為公路后期的運(yùn)行管理帶來(lái)潛在風(fēng)險(xiǎn)。

從軟巖及松散體邊坡類的滑坡來(lái)看，當(dāng)邊坡前緣有變形裂縫產(chǎn)生時(shí)，邊坡后緣坡體也將逐步變形并導(dǎo)致坡體強(qiáng)度下降，使得一個(gè)開(kāi)始范圍較小的局部滑坡變成一個(gè)范圍擴(kuò)大數(shù)倍甚至數(shù)十倍的滑坡，這便是牽引滑動(dòng)的典型特征[2]。公路邊坡常采用分級(jí)分段切坡后再進(jìn)行處治的常規(guī)方法。這種現(xiàn)有的公路邊坡處治方法，既浪費(fèi)已施工完畢的工程加固措施，又不能及時(shí)阻止邊坡潛在滑動(dòng)面的弱化，以致邊坡滑動(dòng)范圍不斷擴(kuò)大，同時(shí)也延緩了工程進(jìn)度。

因此，從現(xiàn)有方法手段來(lái)看，針對(duì)軟巖和松散體類邊坡的滑坡防治采取先切坡后處治的方式，這一方式是在邊坡開(kāi)挖后的被動(dòng)加固，由于巖土本身的初始強(qiáng)度沒(méi)有得到充分調(diào)動(dòng)，失去了邊坡加固的最佳時(shí)機(jī)，之后隨著坡體開(kāi)挖卸荷，導(dǎo)致變形持續(xù)發(fā)展，進(jìn)而引起巖土強(qiáng)度下降，極大增加了被動(dòng)加固的工程量，且有引發(fā)邊坡失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)，既不合理也不經(jīng)濟(jì)。從巖土問(wèn)題處治時(shí)間的選擇來(lái)看，切坡在前處治在后不適合這類邊坡體。自然界軟巖和松散體類邊坡有其自身的穩(wěn)定性，此類滑坡的發(fā)生是由于工程切坡施工擾動(dòng)了自然物質(zhì)本身的平衡造成的[3]。這些邊坡滑坡問(wèn)題需要引入新方法即主動(dòng)加固設(shè)計(jì)理念加以解決[4]。下面結(jié)合某工程案例，就主動(dòng)加固方法的實(shí)施和運(yùn)用要點(diǎn)展開(kāi)論述。

1 工程概況

1.1 工程背景

某高速公路邊坡由強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖與強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖組成，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，遇水易軟化。滑坡部位所在邊坡位于線路右側(cè)，深挖方長(zhǎng)約115m，形成邊坡最大高度約48.6m。該深挖方開(kāi)挖到一級(jí)邊坡時(shí)，右側(cè)山體發(fā)生大面積滑坡，開(kāi)挖坡口線邊距51.5m，坡口線內(nèi)移約7m，滑塌裂縫線寬1.5～3m，滑塌裂縫邊距約81.2m，裂縫錯(cuò)臺(tái)高 2～10m， 坡體后緣裂縫如圖1所示。

圖1 滑體后緣裂縫情況

1.2 滑坡原因分析

1)滑坡區(qū)強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖、泥質(zhì)粉砂巖風(fēng)化嚴(yán)重，節(jié)理裂隙發(fā)育，強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖不整合覆蓋在泥質(zhì)粉砂巖上部，為坡體發(fā)生滑動(dòng)提供了有利的地質(zhì)條件。

2)路基邊坡開(kāi)挖是滑坡發(fā)生的誘發(fā)因素之一。路基開(kāi)挖使坡腳失去支撐，邊坡穩(wěn)定性條件被破壞，導(dǎo)致工程滑坡[5]。

3)水是誘導(dǎo)滑坡發(fā)生的重要因素[6]。從現(xiàn)場(chǎng)來(lái)看，滑動(dòng)面多位于強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖與強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖的不整合接合面處。強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖孔隙發(fā)育，富水性強(qiáng)；強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖孔隙性較差，具有相對(duì)隔水性。上部強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖中的地下水在強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖頂部富集，導(dǎo)致強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖遇水后強(qiáng)度急劇變低，造成坡體滑動(dòng)。

滑動(dòng)面主要為強(qiáng)風(fēng)化～中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖(K1m)，泥質(zhì)粉砂巖為灰褐色、紫紅色，粉細(xì)粒結(jié)構(gòu)，中薄層狀構(gòu)造，原巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造部分被風(fēng)化侵蝕，巖體上分布白色條狀石膏，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，完整性差，巖芯呈塊狀、碎塊狀、短柱狀、長(zhǎng)柱狀。巖質(zhì)較軟，該層相對(duì)隔水，巖層產(chǎn)狀180°∠37°。

2 工程擾動(dòng)和降雨條件下的滑動(dòng)面巖體力學(xué)特性演化規(guī)律

基于邊坡現(xiàn)狀，為合理設(shè)計(jì)加固結(jié)構(gòu)，對(duì)邊坡滑動(dòng)面巖體現(xiàn)場(chǎng)取樣，進(jìn)行室內(nèi)密實(shí)度、含水量及其抗剪強(qiáng)度相關(guān)性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2,3所示。由圖2可以看出，隨著密實(shí)程度增加，黏聚力和內(nèi)摩擦角逐漸增加，其中，黏聚力增加近似線性變化，內(nèi)摩擦角增加可擬合為二次曲線。由圖3可以看出，隨著重塑樣含水量增加，黏聚力和內(nèi)摩擦角逐漸降低，其中，黏聚力的降低近似線性變化，而內(nèi)摩擦角降低近似冪函數(shù)曲線。

圖2 不同密實(shí)度條件下巖樣抗剪強(qiáng)度變化

圖3 不同含水量條件下巖樣抗剪強(qiáng)度變化

試驗(yàn)結(jié)果表明，巖體受擾動(dòng)及降雨影響后的黏聚力較巖土初始狀態(tài)強(qiáng)度下降幅度超過(guò)20%，內(nèi)摩擦角變化較小，如表1所示。

表1 邊坡巖土物理力學(xué)參數(shù)

工程擾動(dòng)后導(dǎo)致滑動(dòng)面發(fā)生變形，巖體顆粒間接觸變得松散(即重度下降)，導(dǎo)致巖體抗剪強(qiáng)度下降，滑帶巖體重度從20kN/m3降低到18kN/m3，黏聚力降低8kPa，內(nèi)摩擦角降低2°；降雨入滲后易在滑動(dòng)面層位附近聚集，也將弱化巖體抗剪強(qiáng)度，巖體含水率從6%增加到23%過(guò)程中，黏聚力下降超11kPa，內(nèi)摩擦角降低8° 。工程擾動(dòng)和降雨對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)的弱化非常顯著，對(duì)開(kāi)挖后邊坡穩(wěn)定不利。

3 抗滑樁聯(lián)合錨索框架的復(fù)合式主動(dòng)加固方法

為避免開(kāi)挖后受工程擾動(dòng)導(dǎo)致的巖體性質(zhì)弱化，針對(duì)此邊坡擬采用抗滑樁聯(lián)合錨索的復(fù)合式方法進(jìn)行主動(dòng)加固。加固方案的主要步驟為：①通過(guò)極限平衡法等方法[7]，計(jì)算分析邊坡地質(zhì)概化模型，得到開(kāi)挖后邊坡安全系數(shù)F1，并判斷是否需要進(jìn)行主動(dòng)加固，若需主動(dòng)加固，則進(jìn)行加固方案設(shè)計(jì)；②再次進(jìn)行計(jì)算得到安全系數(shù)F2，并判斷是否滿足預(yù)先設(shè)定的工程穩(wěn)定性要求。依據(jù)上述分析，形成基于主動(dòng)加固思想的設(shè)計(jì)流程：巖性強(qiáng)度定量判斷→建立地質(zhì)概化模型和邊界條件→將軟化參數(shù)帶入模型計(jì)算并判斷穩(wěn)定性(F1)→設(shè)計(jì)錨索框架實(shí)施參數(shù)和布置形式→根據(jù)實(shí)施參數(shù)計(jì)算安全參數(shù)并判斷安全性(F2)。

采用主動(dòng)處治技術(shù)加固本案例中開(kāi)挖擾動(dòng)后巖體性質(zhì)發(fā)生顯著弱化的邊坡。首先在第1級(jí)邊坡平臺(tái)上設(shè)置抗滑樁[8]，然后進(jìn)行邊坡開(kāi)挖，并及時(shí)在第2～5級(jí)邊坡采用預(yù)應(yīng)力錨索框架梁進(jìn)行加固。其次，每級(jí)邊坡平臺(tái)及坡頂外側(cè)設(shè)置截水溝截排坡面雨水，第1級(jí)邊坡坡面處設(shè)置仰斜式排水孔引排滑坡體內(nèi)部地下水[9]。其中抗滑樁和錨索框架的具體設(shè)計(jì)方案如下。

1)抗滑樁預(yù)先加固 軟弱層(強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖和泥質(zhì)粉砂巖)埋深5～20m，前緣第1級(jí)平臺(tái)位置設(shè)置1排抗滑樁進(jìn)行支擋，抗滑樁截面為1.8m×2.4m，樁長(zhǎng)20m，樁間距5m，共設(shè)置15根抗滑樁。

2)錨索框架及時(shí)加固 為防止巖體從邊坡中部二次剪出，在邊坡第2～5級(jí)布置錨索框架進(jìn)行加固。錨索框架加固方案具體設(shè)計(jì)參數(shù)包括框架梁截面尺寸、框架梁間距、錨索長(zhǎng)度、錨索嵌入穩(wěn)定地層的長(zhǎng)度、布置形式。經(jīng)試算后確定框架梁截面尺寸為預(yù)定值500cm×500cm，框架梁間距為3m；每級(jí)設(shè)3排錨索，水平間距3.4m，錨索長(zhǎng)25～30m (錨固段10m)，下傾20°，設(shè)計(jì)拉力600kN。

依據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，采用通用巖土工程分析Slide軟件，結(jié)合邊坡原始地形地貌，建立邊坡模型，如圖4所示。通過(guò)極限平衡法對(duì)主動(dòng)加固后的邊坡進(jìn)行計(jì)算，工程邊坡在正常工況和非正常工況I下的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.453，1.275，滿足正常工況下安全系數(shù)大于1.2～1.3和非正常工況I下安全系數(shù)大于1.1～1.2的穩(wěn)定性要求。

圖4 抗滑樁聯(lián)合錨索框架加固邊坡方案模型

4 邊坡失穩(wěn)后的補(bǔ)救加固設(shè)計(jì)

由于實(shí)際邊坡沒(méi)有及時(shí)采取主動(dòng)加固設(shè)計(jì)，開(kāi)挖后的邊坡巖體和原始自然坡巖體性質(zhì)相比已發(fā)生了較大改變。巖體強(qiáng)度弱化導(dǎo)致邊坡開(kāi)挖后失穩(wěn)，邊坡失穩(wěn)后巖體強(qiáng)度進(jìn)一步弱化，黏聚力為10kPa，內(nèi)摩擦角為16°，黏聚力較巖體初始強(qiáng)度下降60%。基于邊坡失穩(wěn)后現(xiàn)狀，采取補(bǔ)救加固即被動(dòng)加固措施，如圖5所示。

圖5 滑坡后的補(bǔ)救設(shè)計(jì)方案模型

首先對(duì)滑體部分削方減載，并在第1級(jí)邊坡平臺(tái)上進(jìn)行抗滑樁施工。在邊坡第2～4級(jí)采用預(yù)應(yīng)力錨索框架梁進(jìn)行加固，邊坡坡比為1∶1。第5級(jí)邊坡采用8m寬平臺(tái)分解釋放應(yīng)力，坡比為1∶1。為保證平臺(tái)上部邊坡穩(wěn)定，在第6，7級(jí)邊坡設(shè)置錨桿、錨索框架梁進(jìn)行加固，邊坡坡比為1∶0.75。其次，每級(jí)邊坡平臺(tái)及坡頂外側(cè)設(shè)置截水溝截排坡面雨水。第1級(jí)邊坡坡面處設(shè)置仰斜式排水孔引排滑坡體內(nèi)部地下水[10]。在實(shí)施補(bǔ)救措施條件下，再次計(jì)算得到正常工況和非正常工況I下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.538，1.412。

5 主動(dòng)加固與被動(dòng)加固對(duì)比分析

計(jì)算結(jié)果表明，采取主動(dòng)加固措施后邊坡穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。從具體技術(shù)參數(shù)對(duì)比來(lái)看，因加固時(shí)機(jī)的差異，兩個(gè)方案的巖土參數(shù)和邊坡設(shè)計(jì)有所不同，在同等加固工作量的前提下，邊坡失穩(wěn)后重新設(shè)計(jì)的被動(dòng)加固方案較主動(dòng)加固方案工程量增大較多，如表2所示。

表2 被動(dòng)和主動(dòng)工程處治技術(shù)對(duì)比

采取主動(dòng)工程處治技術(shù)，邊坡巖體強(qiáng)度遠(yuǎn)高于原設(shè)計(jì)的被動(dòng)工程處治下的巖體強(qiáng)度。兩種加固方案的加固工程量雖然相差不大，但被動(dòng)工程處治是在邊坡失穩(wěn)后實(shí)施的被動(dòng)補(bǔ)救措施，不僅增加了土石開(kāi)挖方量，破壞了自然坡植被，額外征用了土地，且延長(zhǎng)了工期，導(dǎo)致工程費(fèi)用顯著增加。因此，對(duì)于開(kāi)挖后可能導(dǎo)致巖體變形軟化，強(qiáng)度大幅下降的全強(qiáng)風(fēng)化巖質(zhì)邊坡，應(yīng)采取主動(dòng)工程處治技術(shù)。

此外，從加固措施的實(shí)施時(shí)間來(lái)看，主動(dòng)加固時(shí)機(jī)也是這一方法有效性的關(guān)鍵。具體來(lái)說(shuō)，邊坡開(kāi)挖后應(yīng)立即采用上述錨索框架加固方案進(jìn)行主動(dòng)加固施工，這是預(yù)先防范階段；如果邊坡已經(jīng)開(kāi)挖，并發(fā)生小規(guī)模破壞，則采用錨索框架加固方案對(duì)邊坡重新進(jìn)行主動(dòng)加固，這是補(bǔ)救階段，此時(shí)巖土物理力學(xué)參數(shù)已經(jīng)下降，針對(duì)小規(guī)模破壞后的邊坡，應(yīng)對(duì)邊坡進(jìn)行補(bǔ)救加固；如果邊坡已經(jīng)開(kāi)挖，并發(fā)生大規(guī)模破壞，原有加固措施失效，邊坡加固困難極大，加固工程費(fèi)用也大大增加，應(yīng)極力避免這種情況[11]。

這一分析結(jié)果表明，基于主動(dòng)加固概念的錨索加固工程措施提高了邊坡穩(wěn)定性，因而避免了邊坡巖土體受工程擾動(dòng)后強(qiáng)度下降等不利后果，降低了工程治理難度并減少工程量。與現(xiàn)有邊坡設(shè)計(jì)方法相比，主動(dòng)加固方法具有以下優(yōu)點(diǎn)。

1)考慮了工程開(kāi)挖前后的巖土物理力學(xué)參數(shù)變化，分級(jí)開(kāi)挖后立即采用錨索框架對(duì)邊坡進(jìn)行主動(dòng)加固，充分利用巖土初始狀態(tài)的強(qiáng)度，避免開(kāi)挖后坡體變形軟化導(dǎo)致的巖土強(qiáng)度大幅下降。

2)主動(dòng)加固方法，從其力學(xué)原理來(lái)說(shuō)，充分利用了邊坡原有抗滑力，降低了加固結(jié)構(gòu)的承載，減少工程加固費(fèi)用[11-13]。

3)相比被動(dòng)加固而言，主動(dòng)加固措施實(shí)施后可及時(shí)有效提高邊坡穩(wěn)定性，從而避免隨時(shí)間推移導(dǎo)致滑動(dòng)范圍擴(kuò)大的治理難題[14]。

4)在減少工程量的同時(shí)，可有效保護(hù)山區(qū)植被資源不受破壞。

6 結(jié)語(yǔ)

1)主動(dòng)加固方法，其應(yīng)用對(duì)象主要是具有潛在滑坡風(fēng)險(xiǎn)的不穩(wěn)定邊坡。由于此類坡體開(kāi)挖后巖土體強(qiáng)度軟化明顯，為充分利用原坡體初始巖土強(qiáng)度，工程實(shí)施時(shí)應(yīng)在開(kāi)挖后立即采用錨索框架對(duì)邊坡進(jìn)行主動(dòng)加固，避免開(kāi)挖后坡體變形軟化導(dǎo)致巖土強(qiáng)度大幅下降。

2)從原理而言，這一方法考慮了工程開(kāi)挖前后的巖土力學(xué)特性演化過(guò)程，充分利用斜坡巖土原始抗剪強(qiáng)度形成的原有抗滑力，有效降低了加固結(jié)構(gòu)的負(fù)載，可避免滑動(dòng)范圍擴(kuò)大，大大降低后期治理難度和工程治理費(fèi)用。

3)這一方法的應(yīng)用，其關(guān)鍵是主動(dòng)加固時(shí)機(jī)的把握和錨索框架的科學(xué)設(shè)計(jì)。相比被動(dòng)加固方法，其優(yōu)點(diǎn)十分明顯，很好地改善了目前此類邊坡問(wèn)題設(shè)計(jì)方法單一、工程措施保守的現(xiàn)狀，切實(shí)提高了工程實(shí)踐中邊坡問(wèn)題處治的水平。