在役軟巖邊坡變形機理分析及處治技術

陳 記 劉慶元

(1.廣東省南粵交通投資建設有限公司，廣東 廣州 510623；2.中鐵科學研究院有限公司 深圳分公司，廣東 深圳 518048)

0 引言

路塹邊坡工程在山區公路建設中得到廣泛應用，尤其是采用加固措施的軟巖邊坡，隨著時間的推移，往往會出現加固結構損傷開裂、坡體局部變形甚至發生坡體整體失穩現象，對道路及行車造成極大威脅。國內外對營運期服役邊坡的變形機理開展了一定的研究工作，蔣水華等提出錨固工程隨著服役時間的增加失效概率越大的時效特性[1]，熊德國、牛傳星、李育樞等提出軟巖吸水率更高、軟化系數更大、干濕循環對軟巖強度損傷不可逆[2-4]；田卿燕、王安懷等對煤系地層在役邊坡變形病害進行了加固工程效果評估和坡體變形病害原因分析[5-6]。總的來看，目前研究成果對在役軟巖加固邊坡的變形破壞機理研究尚不系統，本研究綜合分析某營運高速公路變形邊坡的工程地質與水文地質條件、坡體變形與深部位移特征、錨固工程應力狀態，發現在役軟巖邊坡具有滑動面深切發展、加固工程分區漸進破壞等特征，可為類似邊坡的變形機理研究和工程病害處治提供參考依據。

1 工程概況

1.1 地理環境

某高速公路K167+382～K167+770段路塹高邊坡在服役期間，受連續強降雨影響，于2019年5月發生大規模變形。該邊坡位于粵北地區，屬剝蝕丘陵地貌單元，整體呈北高南低，自然山坡呈下陡上緩狀，坡度約15°～35°，植被發育。邊坡場區為亞熱帶季風型氣候，氣候溫暖潮濕，雨量豐沛，雨季長，多有臺風暴風雨，年平均降雨量約1 700 mm。抗震設防烈度為Ⅵ度，場地基本地震動峰值加速度為0.05g，基本地震動峰值加速度反應譜特征周期為0.35 s。

1.2 工程地質條件

邊坡場區位于贛閩隆起區和粵桂湘贛褶皺帶的接界處，地質構造復雜，褶皺與斷裂發育，多為北北東～北東向。坡體地層巖性自上至下為坡殘積粉質黏土、礫質粉質黏土及碎石，下伏基巖為石炭系下統大塘階測水組(C1dc)泥質粉砂巖、砂巖、灰巖、頁巖、炭質頁巖，其中全風化炭質頁巖分布較廣，地質條件差。

邊坡巖層產狀變化較大，自小里程往大里程方向巖層產狀由125°∠42°逐漸變化至210°∠23°，中間區段為165°∠20°；發育3組節理：347°∠44°，140°∠54°，109°∠28°，節理面間結合程度差，多充填泥質成分。邊坡坡向169°。工程地質橫斷面圖見圖1。

圖1 邊坡工程地質橫斷面Fig.1 Geological cross-ection of slope project

1.3 原設計

該邊坡最大坡高約41 m，共5級。在2017年建設期間，其中K167+425～K167+560區段發生滑移變形，變更后分區段設計見表1。

表1 邊坡原分段設計一覽表Tab.1 List of design of slope original sections

原設計立面示意圖見圖2。

圖2 原設計立面示意圖Fig.2 Schematic diagram of elevation of original design

2 變形特征

該邊坡于2018年4月完工，高速公路于2018年9月建成通車。受連續強降雨影響，該邊坡于2018年5月再次發生大范圍嚴重開裂變形，經現場調查、監測，邊坡主要變形特征分述如下。

2.1 地表及結構物變形

該邊坡坡面及周邊地表變形、加固工程結構物變形情況見表2。

表2 邊坡地表及結構物變形特征一覽表Tab.2 List of deformation characteristics of slope surface and structure

2.2 深部位移

建設期間，該邊坡K167+555斷面設置為深部位移監測斷面，分別在該斷面1級平臺布設ZK1、2級平臺布設ZK2監測孔，位移監測曲線見圖3、圖4。該2孔后因邊坡治理施工被破壞，營運期在原監測孔位置偏移2 m范圍內(孔口標高基本一致)重新布設監測孔ZK3，ZK4，深部位移監測曲線見圖5、圖6。

圖3 建設期1級平臺ZK1深部位移監測曲線Fig.3 Deep displacement monitoring curves of ZK1 on 1st class of during construction

圖4 建設期2級平臺ZK2深部位移監測曲線Fig.4 Deep displacement monitoring curves on 2nd class of ZK2 during construction

圖5 營運期1級平臺ZK3深部位移監測曲線Fig.5 Deep displacement monitoring curves of ZK3 on 1st class platform during operation

圖6 營運期2級平臺ZK4深部位移監測曲線Fig.6 Deep displacement monitoring curves of ZK4 on 2nd class platform during operation

綜合分析圖3～圖6深部位移監測曲線，可發現以下規律：

(1)建設期變形規律：在2018年5月雨季之前，邊坡僅有局部調整變形，最大位移量約20 mm；在連續強降雨作用下，邊坡發生快速變形，位移增量超過20 mm，與邊坡地表顯著變形吻合。

(2)建設期滑面深度：ZK1在15 m深處存在明顯拐點，ZK2在6，15 m處存在拐點，表明建設期坡體存在兩層滑面，淺層滑面深度約6 m，深層滑面深約15 m。

(3)營運期滑面深度及變形特征：ZK3在17 m處存在拐點，ZK4在5.5，20 m處出現拐點，表明邊坡淺層滑面深約5.5 m，深層滑面對應1級平臺和2級平臺分別深為17 m和20 m。

(4)滑面變化特征：邊坡營運期間淺層滑面與建設期基本保持一致，深層滑面深度較之建設期向下發展2～5 m，表明原坡體抗滑樁、鋼管微型樁和預應力錨索格梁加固后，在遭遇連續大氣強降雨作用后，巖土體軟化作用仍在繼續發展[7]，受加固荷載抑制后向縱深發展，引起深層滑面下切，導致原加固措施安全儲備不足，誘發邊坡進一步變形失穩。

3 錨固工程當前應力狀態檢測

邊坡發生變形后，為了解在役加固工程的性能狀況，分別按斷面選擇15根設計荷載500 kN、12根設計荷載400 kN錨索進行當前持有荷載檢測，檢測結果見圖7、圖8。

圖7 設計荷載500 kN錨索持有荷載分布圖Fig.7 Distribution of holding loads of anchor cable when design load is 500 kN

圖8 設計荷載400 kN錨索持有荷載分布圖Fig.8 Distribution of holding loads of anchor cable when design load is 400 kN

從錨索當前應力狀態分布圖可以看出，K167+382～K167+560段錨索設計荷載500 kN，少數孔荷載處于正常至超設計水平，大部分荷載處于不同程度損失狀態，最大超值約121%，最大損失約90%；K167+560～K167+770段錨索設計荷載400 kN，基本呈兩極分化，超設計荷載或荷載大幅損失，最大超值約120%，最大損失約90%。分析其原因，可歸納為3個方面。

(1)邊坡巖土體飽水后，錨索孔周巖土體強度降低[8-10]，黏結剪應力降低，錨索荷載也隨之降低。

(2)坡體地層巖性軟，錨索張拉鎖定后處于高應力狀態，地層徐變量大，造成錨索回縮、荷載降低。

(3)邊坡巖土體飽水后下滑荷載增大，抗滑荷載降低，穩定性也隨之降低，邊坡產生變形，錨索外錨頭也隨之產生位移并引起錨固荷載增大，呈現出漸進破壞特征：開始時少數錨索荷載超過極限能力發生破壞，再逐漸向周邊發展，錨索破壞數量不斷增加，直至邊坡大規模滑動破壞。錨索最大超限能力大于121%，破壞后錨索持有荷載水平只有10%左右。

4 機理分析

4.1 變形機理

在大量收集、分析資料的基礎上，經充分踏勘、專項補充勘察、檢測試驗及監測，參考國內外邊坡失穩機理研究成果[11-14]，從坡體結構、加固效應和外因等方面，對該邊坡的變形機理定性分析如下。

(1)內部損傷。該邊坡在建設期因坡腳開挖后遭遇連續強降雨，導致支擋加固工程實施滯后，誘發邊坡發生較大規模變形，在坡體內形成貫通軟弱面，雖采取加固工程予以抑制，但在服役期間易受不利作用發生惡化。

(2)地形地貌。塹頂以上自然斜坡較緩，延伸長度近300 m，匯水面積較大；邊坡范圍分布有兩道U形沖溝，溝底縱坡平緩。地表匯水在緩坡段流速減緩，大量滲入坡體，降低坡體穩定性。

(3)地層巖性。邊坡地層巖性主要為第四系坡殘積粉質黏土和下伏石炭系下統大塘階測水組(C1dc)全～強風化富含高嶺石泥質砂巖、炭質頁巖，巖性極軟，親水性強，水解、水化、崩解作用強烈，屬于煤系易滑地層。

(4)軟弱結構面。巖層產狀與邊坡同向小角度斜交，為順層邊坡，并與順坡向陡傾貫通節理面140°∠54°組合，易發生順層滑動。

(5)水的作用。在連續降雨條件下，大量地表水下滲進入坡體，一是造成坡體地下水位快速升高，坡體靜水壓力快速增大；二是增加巖土體重度；三是強風化泥質砂巖、炭質頁巖泡水后崩解、軟化，強度顯著降低。水的作用大幅削弱邊坡穩定程度，是邊坡變形失穩的主要誘因。

（二）多形式培養學生說的能力。語言是人類最重要的交際工具。素質教育中的語文教學就應充分重視說的訓練。這種說的訓練，是學生主動用自己的語言來表達自己思想的技能技巧的練。在課內，主要要求教師以說明理，引導學生懂得說是進行思想交流和感情溝通的最根本途徑。教師要想方設法為學生營造說的環境。在課堂內進行敘述，說明等實踐，充分鍛煉學生說的能力。在課堂外經常舉行小型故事會，演講會，辯論會，詩歌朗誦會等以說為主的活動，培養學生快速思維能力，語言運用能力和思變能力等。

(6)工程加固效果弱化。該邊坡在建設期發生較大規模變形并采取加固措施后，邊坡穩定系數超過規范要求的1.20，但在營運期間，受連續降雨氣候作用后，加固工程隨服役環境變化產生弱化效應，表現為幾個不利方面：一是地層軟化，顯著降低錨筋體和孔周地層的黏結摩擦力，導致錨固性能劣化，而且降低抗滑樁前巖土被動土壓力，削弱抗滑樁抗滑能力；二是坡體加固工程改變地下水通道，尤其是排水孔堵塞后，遲滯地下水排泄，導致坡體地下水位抬升，滑帶土長期飽水，引起滑面向下發展，滑坡規模增大；三是隨著坡體下滑力增大、抗滑力減小，在薄弱區域加固措施首先被破壞，并逐漸向周邊發展，引發邊坡整體變形失穩。

綜合分析，受不利地形、地質條件制約和加固工程服役性能下降的影響，在連續降雨引起的水的作用下，該邊坡發生長約220 m、寬約150 m、平均厚約20 m、體積約50×104m3的滑動變形，屬于牽引式大型滑坡。

4.2 穩定性計算

根據變形特征分析，邊坡當前處于蠕動變形階段，引起巖土體強度降低，考慮強度折減[15]，加固工程主體尚未破壞，考慮到滑面在地下水位線以下，以及加固荷載的差異性，為便于分析，將加固工程與巖土體看成復合巖土體，由此反算該復合巖土體的滑帶土綜合力學指標，并與室內試驗指標比較，結合地區工程類比經驗指標復核，最終確定該邊坡各區段滑帶土綜合力學指標，由此計算各區段典型代表斷面的剩余下滑力，見表3。

表3 邊坡滑帶土綜合物理力學指標及剩余下滑力一覽表Tab.3 List of comprehensive physical and mechanical indicators and residual sliding force of landslide zone soil

典型代表斷面K167+575上部卸載后的剩余下滑力計算圖見圖9。

圖9 K167+555斷面剩余下滑力計算圖Fig.9 Calculation diagram of residual sliding force on K167+555 section

5 處治技術

在深入研究分析邊坡變形失穩機理的基礎上，根據坡體地理環境和地質條件，變更處治措施針對地層強度飽水劣化、錨固段地層軟弱、抗滑樁布加固深度不足以及坡面加固范圍不夠等問題，充分考慮最不利滑面深度、合理樁間距以及抗滑樁與錨索的協同作用等因素[16-18]，對邊坡進行分段針對性加固處治設計。

(1)既有抗滑樁深度不足區段，采取樁前增設1排直徑2 m的抗滑樁，樁長24 m。

(2)加固荷載不足區段，根據剩余下滑力大小分布設1～2排直徑2 m的抗滑樁，部分區段還增設鋼花管微型樁或預應力錨索。

(3)抗滑樁單樁設計荷載800 kN/m，錨索錨固荷載400 kN/孔，鋼花管微型樁設計荷載100 kN/m。設計長度均按深切后的滑面并預留3～5 m發展趨勢進行控制。

表4 邊坡分段設計穩定性系數一覽表Tab.4 List of stability factors for slope sectional design

具體分段處治措施見表5。

表5 邊坡分段加固處治措施一覽表Tab.5 List of slope sectional reinforcement measures

邊坡處治完工至今已超過一年，各項監測數據正常，表明邊坡變形病害得到有效治理。

6 結論

(1)軟巖邊坡加固工程在服役期間具有緩慢弱化效應，錨固性能逐漸降低，支擋抗力不斷削弱，導致邊坡加固能力越來越低。

(2)軟巖邊坡加固處治后，服役期間在水的作用下，穩定性降低，滑動面有向下發展趨勢，下切深度可達2～5 m。

(3)軟巖邊坡錨固工程在邊坡變形時具有漸進破壞特征，表現為先是少數錨索超限破壞，再逐漸發展為更多錨索超限破壞，直至邊坡大規?；瑒?。錨索最大超限能力大于121%，破壞后錨索持有荷載水平只有10%左右。

(4)在役軟巖邊坡變形機理包括地質條件、大氣降雨引起的水作用和加固工程弱化效應，其中地質條件是基礎，水的作用是誘因，加固工程弱化效應是主要原因。

(5)在役軟巖邊坡變形病害應根據變形體規模，以支擋工程為主，結合上部合理刷方卸載與全邊坡范圍排水系統，錨固工程或注漿加固工程僅適用于局部加強。