川東城市道路某順層高邊坡處置方案比選分析

文琪鑫, 吳 強, 毛金龍, 吳 行, 李松林

(中國建筑西南設計研究院有限公司,四川成都 610041)

[通信作者]吳強(1978—),男,本科,高級工程師,主要從事道路橋梁工程方面工作。

0 引言

近年來,隨著城市規模的不斷擴大,為給已建城市帶來新的活力,緊鄰老城區建設新城區已成為一種趨勢,過去城市的建設往往選在地勢較為平緩的區域,但平緩區域總是有限的,山嶺重丘區建設新城必然會遇到復雜的地形地質條件[1],將給設計和施工帶來極大的挑戰。本文從設計的角度出發,依托川東城市道路某順層高邊坡的分析,對砂泥巖互層的順層高邊坡設計理念進行探討。

1 工程概況

1.1 道路概況

川東某城市道路自北向南,起點與某規劃道路相交,終點與現狀環城路相交,道路全長2 592.805 m,道路等級為城市支路,設計車速為30 km/h,紅線寬度為20 m,雙向4車道。受現狀道路平面和高程限制,K1+650～K1+950段需開挖現狀山體坡腳,若按順層坡率開挖,將形成約90 m高順層邊坡(含坡頂自然邊坡高度),在保證山體穩定和道路安全的情況下,盡量減少對原地貌的破壞,需對該段高邊坡進行專項支護設計。

1.2 研究區地質概況

擬建道路所處地貌類型主要為丘陵和溝谷地貌,區內地勢起伏,丘谷相間,山體坡度變化較大,陡緩不均,頂部基巖多直接裸露。擬建場地位于川東褶皺帶華鎣山穹褶束的達縣—大竹向斜西翼,構造線延向N15°～20°E,無大斷裂構造通過。出露侏羅系中統上沙溪廟組紫紅色粉砂質泥巖、灰色砂巖,呈互層狀產出。巖層產狀100～130°∠18～28°。

研究區地層巖性主要有:侏羅系中統上沙溪廟組砂巖、粉砂質泥巖。現將各巖層工程地質基本特征分述。

(1)粉砂質泥巖(J2s):紫紅色—紫褐色,泥質結構,薄層—厚層狀構造,主要礦物成分為黏土礦物,含鈣質結核,局部夾灰色砂巖條帶和團塊,構造裂隙不發育。在鉆探深度范圍內按風化程度可分為強風化、中風化和微風化3個亞層。

(2)砂巖(J2s):淺灰色,細粒結構,中厚—厚層狀,主要成份為長石、石英等,部分夾雜一些泥質成分,節理裂隙不發育。在鉆探深度范圍內按風化程度可分為強風化、中風化和微風化3個亞層。

2 原狀邊坡情況

通過地表工程地質測繪及調查,挖方區斜坡巖土體穩定,在斜坡后緣和斜坡體上未出現變形跡象,斜坡現狀穩定,斜坡自然坡面傾斜角度與巖層產狀角度相近。從上至下巖土層依次為:強風化砂巖、中風化砂巖、微風化砂巖、微風化粉砂質泥巖、微風化砂巖。砂巖和泥巖的產狀均為120°∠22°,巖層的視傾角為21°58'22'',巖層走向(SW210°)幾乎和道路走向(SW217°)一致。邊坡從道路中線綿延至山頂水平距離最大約280 m,豎向高差最大約90 m,天然邊坡主要坡率為1∶3～1∶8,局部坡率為1∶0.33～1∶1.2。道路設計高程位于砂巖和泥巖的交界面處,邊坡豎向和橫向跨越砂巖泥巖的不同風化層及砂泥巖互層界面(圖1)。

3 開挖邊坡穩定性分析

3.1 潛在失穩特征

為便于研究,對該段道路高邊坡按常規巖質邊坡開挖方式進行潛在失穩特征分析,即按1∶1的坡率進行放坡,每級坡高8 m,每級設2 m寬坡中平臺,每3級設5 m寬坡中平臺。邊坡傾向127°,巖層傾向120°,兩者基本一致,屬于典型的順層邊坡;再者邊坡坡角45°,巖層視傾角21.97°,巖層視傾角小于邊坡坡角,即巖層具備從臨空坡面剪出的風險,屬不利組合。一般層面傾角在15°～30°之間時,發生沿層面的順層滑坡概率較高[2],邊坡巖體可能發生大規模的滑動(圖2)。

圖2 邊坡赤平投影

該段邊坡還存在2組節理裂隙,節理裂隙結構面L1傾向與邊坡傾向切向相交,為有利結構面;節理裂隙結構面L2傾向坡內,為有利結構面;LI和L2結構面的組合面傾向坡內,屬有利結構面。故此段邊坡存在的潛在失穩特征為沿層面發生順層滑動失穩破壞。

3.2 計算工況與評價標準

3.2.1 計算工況

采用CJJ194-2013《城市道路路基設計規范》[3]中挖方路基邊坡穩定計算的工況,因該區域的地震基本烈度為Ⅵ度,不進行抗震驗算,故選用正常工況和非正常工況Ⅰ對邊坡進行穩定分析:①正常工況:邊坡處于天然狀態下的工況;②非正常工況Ⅰ:邊坡處于暴雨或連續降雨狀態下的工況。

3.2.2 邊坡穩定性判別

穩定性判別標準見表1。

表1 穩定性判別標準

本項目道路等級為城市支路,設計穩定安全系數取值為:正常工況安全系數Fs=1.20;非正常工況Ⅰ安全系數Fs=1.10。

3.3 計算參數確定

邊坡地層主要為砂巖和粉砂質泥巖,粉砂質泥巖和砂巖容重差別較小,計算時容重取兩者中較大的砂質泥巖,根據地區經驗,由砂巖和粉砂質泥巖構成的順層邊坡的一般的破壞形式為沿結構面滑動,本邊坡滑動面一般為層面,粉砂質泥巖和砂巖層面的抗剪強度指標采用地勘建議值,如表2所示。

表2 層間結構面抗剪強度指標

3.4 計算與方案分析

從圖1原始邊坡可以看出,邊坡的潛在滑動面為砂巖內部層面、砂質泥巖內部層面和砂質泥巖與砂巖接觸面,結合滑動面的形態,根據GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術規范》[4],該邊坡采用平面滑動面的邊坡穩定性計算方法進行計算:

(1)

R=[(G+Gb)cosθ-Qsinθ-Vsinθ-U]tanφ+cL

(2)

T=(G+Gb)sinθ+Qcosθ+Vcosθ

(3)

式中:T為滑體單位寬度重力及其他外力引起的下滑力(kN/m);R為滑體單位寬度重力及其他外力引起的抗滑力(kN/m);c為滑面的粘聚力(kPa);φ為滑面的內摩擦角(°);L為滑面長度(m);G為滑體單位寬度自重(kN/m);Gb為滑體單位寬度豎向附加荷載(kN/m);θ為滑面傾角(°);U為滑面單位寬度總水壓力(kN/m);V為后緣陡傾裂隙面上的單位寬度總水壓力(kN/m);Q為滑體單位寬度水平荷載(kN/m)。

本項目邊坡為地塊邊界邊坡,屬于綠化用地,計算時考慮坡頂附加荷載10 kN;邊坡巖體裂隙不發育,滑體后緣無陡傾裂隙面,計算時可不考慮滑面和裂隙面的水壓力;上述不考慮地震作用,即計算時不考慮水平荷載。選取對該段邊坡穩定起控制作用的剖面CX24和CX26進行計算(表3、表4、圖3、圖4)。

表3 CX24正常工況剩余下滑力(坡率1∶1)

圖3 剖面CX24放坡開挖斷面

圖4 剖面CX26放坡開挖斷面

為盡量減少對現狀自然邊坡的擾動破壞,首先按前述邊坡開挖方式進行計算分析,即采用坡率1∶1,每級坡高8 m,每3級設5 m寬坡中平臺,其余坡中平臺寬2 m。經過計算,最危險滑面位于泥巖內部和砂巖泥巖界面處,最大的剩余下滑力為19 254 kN/m,計算結果見表3、表4。

因坡率1∶1計算出最大的剩余下滑力為19 254 kN/m,為進一步減少剩余下滑力,將第三級坡以上坡率調整為1∶1.5,其余坡率及坡中平臺寬度與上一組計算保持一致,按同樣的計算辦法進行計算,最危險滑面位于泥巖內部和砂巖泥巖界面處,最大的剩余下滑力為16 234 kN/m。

按同樣的計算辦法對CX26進行計算,采用坡率1∶1時,最危險滑面位于泥巖內部和砂巖泥巖界面處,最大的剩余下滑力為52 kN/m;采用坡率1∶1～1∶1.5時,最危險滑面位于泥巖內部和砂巖泥巖界面處,最大的剩余下滑力為0 kN/m。

通過以上計算,剖面CX24的坡率由1∶1變至1∶1.5,剩余下滑力減少約16%,通過放緩坡率對減少剩余下滑力的作用不佳;剖面CX26的坡率由1∶1變至1∶1.5,剩余下滑力減少100%,通過放緩坡率對減少剩余下滑力的作用明顯。

對剖面C24和CX26的巖層分析,不難發現,此類地質中泥巖夾層所處的位置對邊坡的穩定性是起控制性作用的。剖面CX24的泥巖夾層從坡腳處一直延伸至坡頂,坡率由1∶1變至1∶1.5后,泥巖夾層未受影響,僅砂巖自重減少,故放緩坡率后剩余下滑力變化率較小。剖面CX26的泥巖夾層從第三級坡中處一直延伸至坡頂,坡率由1∶1變至1∶1.5后,泥巖夾層以上的滑體自重減少,且該剖面影響范圍內的山體不高,總下滑力較少,故放緩坡率后剩余下滑力變化率較大。

4 邊坡治理方案設計和比選

(1)方案一:綜合剖面CX24和剖面CX26的計算結果,該段邊坡最大剩余下滑力約為19 254 kN/m,采用多排多級大直徑抗滑樁進行剛性支護支護,最不利下滑面埋置深度較深,抗滑樁樁長達30～50 m。

優點:維持原有規劃高程。缺點:造價高、風險大、施工難度大、周期長、后期運營風險大。

(2)方案二:采用沿巖層視傾角順層放坡的方式進行開挖支護,將形成高達10級的邊坡,高達90 m,平面延伸長度約270 m。

優點:維持原有規劃高程。缺點:開挖量和防護量偏大,并不經濟,同時對整個山體造成較大的生態破壞,后期維護成本高,不利于城市的綠色健康發展。

(3)方案三:從剩余下滑力計算可知,該順層邊坡在砂泥巖界面最易滑動,在砂巖內部最不易滑動;對比方案一、二的優缺點,結合公路高邊坡的設計思路,對CX24處的線路高程進行調整,使得其所處位置道路高程高于砂泥巖界面不小于5 m,即使最不利剖面CX24位于穩定的砂巖內;同時,由于路線高程的提高和地質界面高度變化,原剖面CX26將位于砂泥巖界面處。現對線路高程提高后的剖面CX24和剖面CX26進行剩余下滑力計算。

剖面CX24道路高程提高后,將全部位于穩定砂巖中,經計算,在1∶1坡率下,剖面CX24剩余下滑力為0 kN/m,采用坡率1∶1放坡+錨桿框格梁進行支護是可行的,能夠將邊坡總體高度降低;鑒于道路高程提高后,剖面CX26處于不利層面上,現對剖面CX26在1∶1坡率下進行剩余下滑力計算,計算結果見表5、表6。按坡率1∶1放坡,剖面CX26最大剩余下滑力為2 126 kN/m,僅采用錨桿框格梁支護無法抵抗其下滑力,需采用大直徑抗滑樁支護才可行。若采用抗滑樁支護剖面CX26,將使整個坡面支護措施不連續,界面存在突變,景觀性差。為達到整個坡面支護措施連貫性、景觀的一致性,對有限坡長總體高度不高的剖面CX26最上一級邊坡按層面放坡,這樣既可大幅減少其下滑力,也不會對整個坡面景觀性造成影響;經計算,該種方式下最大剩余下滑力為177 kN/m,采用錨桿框格梁支護是可行的。

表5 CX26正常工況剩余下滑力(調縱坡坡率1∶1)

表6 CX26非正常工況Ⅰ剩余下滑力(調縱坡坡率1∶1)

通過方案一、方案二和方案三的對比可知,從方案的經濟性和環境保護方面來說,方案三是更為可行的,但與規劃高程有沖突,需與規劃部門進行溝通協調高程調整事宜。

方案三采用錨桿框格梁能夠對邊坡進行有效支護,支護方案為:各級邊坡開挖坡率為1∶1～1∶1.5,設2 m寬坡中平臺,從下至上每8 m高一級,最上一級邊坡坡高不足10 m時,一坡到頂,采用錨桿框格梁支護;特別地,剖面CX26影響范圍內,第三級至坡頂沿巖層視傾角順層放坡,坡率1∶2.75,采用掛網噴植生混凝土防護;根據地區經驗,該類砂泥巖互層的順層邊坡,在極端情況下極易發生沿砂巖泥巖界面發生滑動,為提高邊坡整體安全性,增加構造措施,在第二級平臺施作埋入式抗滑樁,樁徑φ0.8 m,中心距2.5 m,樁長16 m(圖5)。

圖5 調整道路縱坡后剖面CX26放坡開挖斷面

5 結論

(1)該類砂泥巖互層的順層巖質邊坡,一般對邊坡起控制性作用的滑面是砂巖泥巖交界面。

(2)在順層邊坡中,沿巖層的視傾角放坡往往是最有效和最安全的支護措施,但是在高大山體的緩坡順層邊坡采用這種方式會對生態環境造成較大的破壞;若采用抗滑樁多級支擋,工程規模過于龐大,且施工稍有不慎,也存在極大的滑移潛在風險,故此類邊坡宜結合現狀地形,通過驗算邊坡剩余下滑力,適當調整道路縱坡高程,從而形成道路、開挖邊坡和自然環境的協調穩定。