黃土-紅黏土二元結構深路塹邊坡失穩分析研究

苗貴華

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

山西西部地區屬西北黃土高原地帶黃土丘陵溝壑區，區域內以黃土峁、梁、塬、溝谷的形式發育。地層主要由第四系坡積物、風積物、第三系紅黏土組成，整體上從上至下依次分布有黃土狀粉土和紅黏土。本文研究的黃土狀粉土主要指晚更新世Q3馬蘭黃土和中更新世Q2離石黃土，都具有大孔隙、垂直節理發育、濕陷性等特性。紅黏土屬第三系上新統靜樂組（N2）地層，其巖性主要表現為深褐紅色、棕紅色砂質黏土，結構較密實，土層中發育大量不規則裂隙。紅黏土的礦物成分主要為高嶺石，并含一定量的蒙脫石和石英顆粒等。N2紅黏土在天然狀態下抗剪強度較高，部分含水量較大層面土體抗剪強度明顯降低。從膨脹性指標試驗看紅黏土的自由膨脹率一般在40%～58%之間，屬弱膨脹性土，N2紅黏土滲透系數為1×10-6cm/s，滲透性弱，為相對隔水層，因本層的隔水作用在其上形成上層滯水[1]。

依托某高速公路研究黃土-紅黏土組合型地層深路塹邊坡失穩變形機制，其結果可為類似工程的設計及治理提供依據，同時對防止和減少路塹高邊坡公路沿線地質災害的發生具有重大的經濟環境效益。

1 項目概況

1.1 工程概況

某高速公路采用四車道高速公路標準建設，設計速度采用80 km/h，路基寬度24.5 m。興縣南互通式立體交叉位于康寧鎮油房溝村，主線中心樁號為K82+627.950，其中互通A匝道左側邊坡、C匝道右側邊坡原設計均為深路塹邊坡，A匝道邊坡最高為73.4 m，C匝道邊坡最高為54 m。原施工圖設計自下而上第1級邊坡設置片石混凝土路塹擋土墻，第2、3級設置漿砌片石護面墻，以上各級邊坡植草防護。如圖1所示。

圖1 邊坡失穩前狀況

1.2 地質概況

項目區地處黃河中游東岸，呂梁山中北段西側，屬西北黃土高原地帶，黃土丘陵溝壑區。由于流水切割，溝壑縱橫，黃土丘陵地形破碎，大部分為地表起伏崎嶇的梁峁溝壑地形。揭露地層主要由第四系粉土及第三系粉質黏土、細中砂地層組成，由上至下分別為：a）第四系上更新統馬蘭組（Q3al+pl）粉土，褐黃色，稍濕，稍密-中密，土質均勻，無搖振反應，含云母碎片，夾有卵石，有少許黏性；上部含植物根系。b）第三系上統靜樂組（N2j）粉質黏土，褐紅色，可塑-硬塑，以硬塑為主，局部為軟塑，層理狀分布，含鈣質結核層，局部已形成鈣質結核板，韌性中，黏性強。如圖2所示。

1.3 區域自然地理條件

項目區屬暖溫帶半干旱氣候，年平均氣溫7℃～10℃，由于呂梁山的阻隔，本區降水偏少。年降水量一般為450～500 mm左右，降水集中且年際變化大，多雨年往往為少雨年的3～4倍；降水主要集中在6—9月，夏季3個月的降水量約占全年降水量的60%，且以暴雨和陣雨居多，具有歷時短、強度大、降雨集中等特點。項目區未見地下水。土體中水的類型主要為季節性降雨滲水，受大氣降雨補給，或直接從地表排走。

1.4 邊坡變形破壞過程及其特征

該段路塹邊坡最大挖深73.4 m，所處山體坡面大部分為耕地，且地表沖溝發育，溝谷縱橫，山上植被稀少，水土流失嚴重。山體多為雞爪溝地形，坡面上沖溝發育，分布大量陷穴、凹槽、落水洞等，受地形及農田改造影響，坡體剝蝕、雨水下滲等現象明顯。該段邊坡地層結構：上部為第四系Q3eol風積黃土、下伏第三系N2紅黏土，2015年7—8月恰逢雨季，興縣康寧鎮遭遇連續多日強降雨。由于黃土垂直節理發育、大孔隙和濕陷性等特點，在大氣降雨的作用下，雨水多沿著節理裂隙下滲，雨水滲入坡體后，土體浸水軟化，抗剪強度大幅降低，土體內孔隙水壓力增大，導致C匝道右側邊坡發生滑坡。滑坡體呈馬蹄狀，其后緣有清晰的弧形，沿垂直張裂隙其后緣形成高約2～10 m的陡壁?；麦w長75 m，寬50 m，滑坡體體積約5萬m3。如圖3所示。

圖3 邊坡失穩后全貌

2 邊坡失穩機制分析

2.1 計算工況

結合現場調查、詳勘資料，采用經驗法、工程地質類比法、簡化BISHOP法和傳遞系數法等方法相結合進行分析計算。正常工況下的安全系數取值為1.2～1.3；非正常工況Ⅰ（連續降雨）安全系數取值為1.1～1.2；外部荷載主要為地震荷載，非正常工況Ⅱ（地震）按照《公路工程抗震規范》（JTG B02—2013）要求執行[2]。

2.2 參數取值

穩定性計算參數的選擇，特別是抗剪強度參數的取值對穩定性計算結果有重要影響。室內試驗結果離散性較大，經過多次試算，結果與現實狀態差異較大。本次計算參數取值是結合地勘報告、反算參數以及該地區其他工程經驗綜合確定的。主要地層巖土體參數如表1。

表1 主要地層巖土體抗剪強度參數

計算結果如表2。

表2 穩定性系數計算結果統計表

2.3 計算分析

為保證設計參數選取的合理，選取典型斷面CK0+296.578進行反算，結合現場實際已經產生滑面和巖土分界面形狀，模擬該滑面為折線形。根據現場取樣土工試驗報告，極限平衡反算值及工程地質類比經驗數據，并結合滑坡可能出現的最不利工況進行分析。工況以安全系數進行區分，天然狀態下的工況安全系數Fs=1.25、暴雨或連續降雨狀態下的工況Fs=1.15，分別計算剩余下滑力，采用傳遞系數法計算，取以上各工況最不利值作為設計的剩余下滑力。其中，在暴雨或連續降雨工況下，軟弱面范圍內抗剪系數按自然狀況下抗剪強度參數的80%折減來模擬，內摩擦角按5°進行折減；非軟弱面范圍內黏聚力不進行折減。對于降雨工況，結合算例分析，由表2可知，邊坡處于降雨工況下較正常工況的穩定安全系數，降低幅度30%左右，由此得到降雨對黃土邊坡穩定系數的影響顯著，設計時應重視排水設計，加強地表和地下綜合排水系統的設計，保證工程的安全穩定。

2.4 邊坡失穩分析

該段邊坡地貌上屬黃土丘陵區，地表沖溝發育，多為雞爪溝地形，坡面上分布大量沖溝、凹槽、落水洞等。總體地勢東高西低，山坡自然坡角45°左右，線路走向230°，地面標高最大值1 264.9 m，最小值1 129.6 m，地表最大相對高差為135.3 m。該類型邊坡為典型粉土、粉質黏土二元結構，上覆粉土較松散，結構疏松、垂直節理發育，降水后雨水易沿垂直向滲透，雨水下滲到下伏第三系N2j紅黏土的相對隔水層，并在下伏粉質黏土層積聚，在接近隔水層時土體含水量易達到飽和，土體多呈濕軟或軟-可塑狀，其抗剪強度下降迅速，逐漸形成塑性變形區域，沿粉土與粉質黏土交界處形成滑動帶，最終使得邊坡失穩破壞。失穩破壞基本上是由降雨下滲引起地下水狀態坡體及滑帶介質的物理力學性質發生改變而誘發產生的。所以這種二元結構黃土邊坡的變形破壞與降雨存在密切聯系，將黃土-紅黏土組合型地層路塹高邊坡的失穩過程總結如下:邊坡總體上經歷了降雨入滲→抗剪強度降低→蠕動變形→紅黏土受擠壓→滑面形成貫通→黃土邊坡滑移→整體失穩滑動7個階段。

3 邊坡治理措施

考慮到黃土滑塌的危險性及治理的重要性，為了避免類似的黃土-紅黏土二元結構路塹高邊坡發生失穩破壞，考慮到黃土的濕陷性特性以及紅黏土的不透水特性等因素，提出采用卸載+支擋+截排水組合方案。

先對滑塌坡面進行削坡減載處理，削坡由上而下進行，邊坡分級高度均為8 m。分別在第2級、4級、8級、12級設置寬大平臺，緩解邊坡坡腳應力集中，改變了邊坡的剪應力及剪應變的分布，有利于提高邊坡整體穩定性，方便施工，對于排水及植物防護均較為有利。完善排水系統設計，每級邊坡平臺根據平臺寬度設置不同尺寸的截水溝，坡面設置相應尺寸的急流槽，平臺截水溝外側采用30 cm厚2∶8灰土進行封閉，以防止雨水下滲。第2、5級、9級、13級邊坡坡面采用3.5 m高的護面墻進行防護，第3、4級邊坡坡面采用拱形骨架+植草防護，其余各級坡面采用噴播草、灌籽防護[3]。如圖4所示。

圖4 治理后邊坡

4 結語

本文結合實體工程探討了黃土-紅黏土二元結構深路塹邊坡失穩孕育的過程和特征，分析了其失穩破壞機制，具體得到了以下成果：

a）黃土-紅黏土組合地層屬二元結構邊坡，開挖卸載會影響土體內應力場及位移場的變化，在降雨下滲條件影響下，會逐漸改變路塹邊坡的穩態情況。其失穩破壞總體上會經歷降雨入滲→抗剪強度降低→蠕動變形→紅黏土受擠壓→滑面形成貫通→黃土邊坡滑移→整體失穩滑動，共7個階段[4-5]。

b）黃土-紅黏土組合型地層深路塹邊坡的結構特點、地層巖性決定了其失穩變形機制，無論發生沿黃土界面剪出的圓弧形滑動，還是發生沿結合面剪出的牽引式滑坡，都是由于水體的作用。隨著降雨入滲和土體含水量增加，在黃土與紅黏土交界面形成一層滑動帶，從而引發邊坡失穩的發生，所以該類型的邊坡做好綜合排水系統是保證邊坡穩定的關鍵。