红层地区高速公路滑坡破坏机制及处治

陶连金，　王骑虎, 2

(1. 北京工业大学　城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室, 北京　100124;

2.甘肃省交通规划勘察设计院有限责任公司, 甘肃　兰州　730030)



红层地区高速公路滑坡破坏机制及处治

陶连金1，王骑虎1, 2

(1. 北京工业大学城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室, 北京100124;

2.甘肃省交通规划勘察设计院有限责任公司, 甘肃兰州730030)

摘要：本文介绍了十堰至天水国家高速公路甘肃段某滑坡的治理过程。该滑坡下伏基岩为第三系泥质砂岩等软弱岩，中间的软塑带构成坡体的软弱带。原设计为多级放坡的方式，但按该方案施工后坡体后缘产生拉张裂缝、局部滑塌，坡脚处开始滑动。后来变更设计在坡脚增加一桩板墙，按照变更设计桩板墙施工完成后，部分桩体发生较大倾斜，桩顶与土体脱离，挡土板下与岩土交接面处发生较大剪切裂缝。故再次变更设计，在已施工完毕的桩体上增设两排预应力锚杆，并采取格构加预应力锚索的方式加固桩顶第一级放坡，最终该滑坡的稳定性满足要求。基于有限元法对各设计方案的变形与稳定性进行了分析，为类似工程提供参考借鉴。

关键词：红层;公路滑坡;稳定性;有限元;变更设计

1工程概况

图1　滑坡工程地质横断面

该滑坡位于十堰至天水国家高速公路甘肃段徽县(大石碑)至天水某处。滑坡地处秦岭地槽褶皱带，位于受北东向断裂控制的徽成断陷盆地，其构造线方向则为北东—南西向。滑坡处山坡高差约15 m，滑体自然坡度约5°～8°，主滑方向323°，由南东向北西滑动。滑坡体长约160 m、宽60 m，厚一般为6～8 m，滑坡面积约9600，体积约6.72×104m3。本滑坡属于中型覆盖层牵扯引式滑坡，如图1所示。滑坡后壁、剪出口较明显，滑坡体自然坡度较缓，该段在雨季坡体表层及前缘常有蠕滑现象。滑坡体主要为粉质粘土，土体多呈软塑～可塑，地下水位高，局部出露泉水。滑面为上覆粉质粘土层中软塑夹层，局部深入到粉质粘土与碎石土交界面，滑床为碎石土及风化的泥质砂岩。根据调查地表裂缝分布情况，判定本滑坡整体现处于挤压变形阶段，处于欠稳定状态。

滑坡段边坡原设计采用“缓坡率、宽平台、固坡脚” 的设计原则，碎落台宽2.0 m，各级边坡高度均为5 m，平台宽2.5 m，边坡采用1∶1～1∶1.25。第一级边坡采用现浇C20片石混凝土内护墙，内护墙墙背设置50 cm厚天然砂砾层。在内护墙中下部设置交错排列的泄水孔，间距2～3 m，泄水孔高出碎落台30 cm。在第三级边坡岩土交界面与边坡交线向上1 m处设置仰斜排水孔，纵向间距5 m。

按照原设计，边坡采用分层开挖，分层稳定加固和坡脚预加固的设计原则，根据不同的地质条件和边坡高度采用了两种设计模式：(1)自上而下分级开挖，分级防护，稳定边坡；(2)自上而下分级开挖，分级稳定边坡，坡脚设置支挡工程稳固坡脚。内护墙开挖采用跳槽法开挖。

2014 年4 月，该段路堑边坡施工开挖后，坡体后缘产生拉张裂缝、局部滑塌，坡脚处开始滑动，如图2所示。由于路线从该滑坡中间以挖方路基形式通过。滑坡继续滑塌对坡顶民房和水塘存在潜在威胁。

图2　坡脚滑动裂缝

根据动态设计、动态施工原则，对滑坡采取如下变更设计(如图3所示)：

(1)坡体支档，于碎落台处设置一桩板墙，截面尺寸为2 m×1.5 m，共计55根。桩长11～14 m，桩底嵌入新鲜基岩深度不小于5 m，桩中心间距为5 m，相邻桩之间设置挡土板。抗滑桩与冠梁采用C30水泥混凝土浇筑，挡土板采用C30水泥混凝土预制。

(2)防排水系统，在最上级边坡以外5 m 处设置截水沟，截水沟底部均设置渗沟，以排除浅层地下水。在挖方边坡坡脚以上30 cm 处，分别设置一排仰斜式排水平孔，长度10 m； 排水孔纵向间距5 m，以排除坡体深层地下水。

(3)刷坡卸载，减缓挖方边坡坡率、加宽平台，将原设计挖方边坡放缓，桩板墙顶部以上边坡坡率均调整为1:1.5，桩顶处施工平台宽度为6 m，桩顶标高以上每级路堑平台由原来的2.5 m 调整为4.0 m。开挖边坡须由上往下逐级开挖。

图3　变更设计横断面

(4)坡面防护，桩顶开挖边坡采用草灌综合防护。按照变更设计施工后的桩板墙如图4所示。桩板墙施工完成后，坡体发生滑动。受桩后土体的挤压，部分桩体倾斜严重，桩顶与土体脱离，如图5所示。随着边坡蠕滑加剧，挡土板与岩土交接面处发生较大剪切裂缝，说明坡体内发生剪切破坏，如图6所示。

图4　桩板墙施工完成后

图5　桩顶与坡体脱空面贯通

图6　桩间土产生的剪切裂缝

根据监测数据，1#～23#抗滑桩发生位移小于0.1 cm，24#～52#抗滑桩发生位移均大于10 cm，其中35#抗滑桩位移最大，达65 cm。

根据该情况进行应急处治措施，基于桩顶脱空、桩体倾斜后，进行了桩前反压、桩后卸载应急措施。该段滑坡上部有一水塘，滑坡继续滑动可能会引起水塘底部溃裂。桩前反压如图7所示。

图7　桩前反压土体

2地质概况

该滑坡处自然坡度较缓，地层岩性上覆粉质粘土，中部夹碎石层，下伏基岩为第三系泥质砂岩等软弱岩，地下水位较高，补给充足，致使上覆粉质粘土多处于饱和状态，土体重度大，抗剪强度低，中间软塑带构成坡体软弱带。其地形及特有的岩土结构和性质是产生滑坡的基础。另一方面，施工坡脚开挖形成一定临空面致使斜坡土体失去支撑，导致上覆土体沿软塑带滑动变形是诱发本次滑坡的直接原因。

勘察区属于构造侵蚀剥蚀低山丘陵地貌，海拔一般在950～1200 m，相对高差大体小于200 m，地形相对较为平缓，多为梯田。边坡底部为第三系砂质泥岩，上部为粉质粘土、块石土。

根据红层矿物测试成果看出，红层矿物成分包括为石英、长石、方解石和云母等碎屑矿物及粘土矿物。对比不同矿物所占比重，可知红层岩石的主要成分为石英碎屑，约占矿物组成的50%左右，含有一定量的长石、方解石，以及少量含铁矿物、高岭石、绿泥石和石膏，粘土矿物因泥质含量而有较大幅度变化，其中胶结物类型及含量对红层工程性质有较大影响[1, 2]。

粘土矿物在红层中一般充当胶结成分，其成分和含量对红层物理力学性质和工程地质性质的影响很大，使红层具有流变性、膨胀性和崩解性等特殊性质。一般情况，粘土矿物含量越高，岩体越软，亲水性越强，抗风化能力越弱，反之则岩体越坚硬、强度越高，抗风化能力越强。除此之外，不同粘土矿物组成对岩体工程性质也有较大影响，例如红层粘土矿物种类对岩石的吸水率及软化系数有很大影响[3]。

项目处于南北地震带的和政—武山—天水地震亚带和舟曲—武都地震亚带。工程区及邻区地震活动频繁，有历史记载以来发生过多次地震，1900年以后地震活动频率低，2008年5月12日，汶川发生8.0级地震，工程区域影响较大。部分房屋出现轻微裂缝，发生一系列小型崩塌、滑坡。地震动峰加速度为0.20g，相当于地震基本烈度Ⅷ度区。

3滑坡变形机理

该滑坡按照原设计进行开挖后，坡体发生较大滑移，变更设计采用桩板墙支档体系。但桩板墙施工后，也发生了较大的剪切变形，部分桩体前倾严重，桩与填土发生分离。可见该滑坡较为复杂，在采用常规方法进行稳定性分析的基础上，还采用有限元方法进行了数值模拟。下面介绍强度折减有限元法计算的部分成果。

与极限平衡法相比，强度折减有限元法无需事先对滑坡潜在破坏面进行任何人为的假定，便能自动求得任意形状的临界滑动面及相对应的最小安全系数，同时还可以反映坡体失稳及塑性区开展的渐进发展过程，因而在滑坡稳定性分析的应用中得到重视[4～6]。

根据滑坡地层分布及滑体影响范围，建立有限元分析模型，如图8所示。根据地勘资料，本滑坡体粉质粘土天然状态下重度取值γ=20.0 kN/m3，滑面处黏聚力c=7 kPa，内摩擦角φ=10°。

图8　有限元网格划分

原设计方案在路基标高以上0～1.5 m坡率1∶0.4；1.5～6.5 m坡率1∶1.0；6.5～11.5 m坡率1∶1.0；11.5 m以上坡率1∶1.25一坡到顶，各级之间平台宽度2.5 m，综合坡率1∶1.30～1∶1.52。通过有限元计算，得到了滑坡开挖后的总位移与位移增量分布图，分别见图9与图10。坡脚处的剪切位移最大值已达到0.56 m，说明坡体已经开始蠕动破坏，与图2所示的现场情况是一致的。

图9　原设计方案的总位移分布

图10　原设计方案的位移增量分布

特别地，原设计方案计算过程中，有限元计算不收敛(即计算中止)，说明原设计方案的滑坡不稳定，其安全系数小于1.0。这与开挖过程中坡体产生裂缝、坡脚产生滑移的现象是相符的，说明原设计方案不合理。

按照原设计方案进行施工而出现坡体滑裂情况，便紧急进行变更设计，在碎落台处设置了一桩板墙，截面尺寸为2 m×1.5 m，共计55根。有限元模拟中把桩视为弹性体，其重度γ=25.0 kN/m3，弹性模量E=300 MPa，泊松比v=0.20。变更设计后的坡体变形情况如图11～ 13所示。

图11　变更设计后的网格变形示意

图12　变更设计后的总位移分布

图13　变更设计后的位移增量分布

可见，变更设计后的桩体受到较大的推挤荷载，桩体位移达到60 cm，与实际情况中35#抗滑桩实测位移65 cm基本吻合。桩体被桩后土体推挤向前倾斜，导致其上部与桩后土体发生脱离产生裂缝，发生如图5所示的实际情况。

特别地，变更设计后的坡体最大变形不发生在桩体处，而在桩上方的多级放坡土体处。即桩上方的放坡土体有可能发生局部滑移的趋势。根据强度折减有限元法计算得到整个坡体的安全系数为1.05，即滑坡处于濒临破坏状态，这与现场观测到的各类裂缝、剪切面所反映的情况是一致的。因此，变更设计后的坡体也不安全，虽然起到了阻止滑坡体裂缝继续扩大的趋势，但对滑坡体稳定性的提高仍达不到规范要求。

鉴于部分桩体位移过大的情况，采取紧急措施，在桩体前回填土体进行反压，如图7所示。同时，需对滑坡体的治理进行第二次变更设计，以便使其安全系数在一般工况下达到1.20[7～9]。

第二次变更设计如下：在已施工完毕的桩体上增设两排预应力锚杆，锚杆长度20 m，间距5 m，施加预应力180 kN；桩顶的第一级放坡坡面上，设置两排预应力锚索，锚索长度20 m，锚索沿线路方向间距3 m，竖向间距2.5 m，锚索倾斜角度15°，施加预应力 150 kN。在锚索端部设置格构以提供反力，格构截面尺寸均为0.4 m×0.5 m，采用C25现浇钢筋混凝土。

第二次变更后的滑坡位移增量分布情况见图14。对比图13与图14可知，增加预应力锚杆后，桩顶的位移增量大大减小，潜在滑动坡体的位移增量也大大减小，说明滑坡的稳定性得到了加强。

图14　第二次变更设计后的位移增量分布

第二次变更设计后的滑裂面位置如图15所示。可见，潜在滑裂面为通过桩顶附近的深厚坡体，说明浅层的局部滑裂已得到治理。有限元计算得到的滑坡安全系数为1.25，满足规范要求，说明第二次变更设计增加锚杆的方案是可行的。该工程已顺利竣工。

图15　第二次变更设计后的滑裂面位置

从以上可以看出，该滑坡前后经过三次设计与施工，才最终处于稳定状态，反映出滑坡工程的复杂性与不确定性。根据公路路基设计标高，左侧坡口最大挖深达12.74 m。可见，路基设计标高相对于坡体位置过低，从而引起过大的挖深是导致该滑坡复杂的主要原因。因此，公路工程设计过程中，应结合现场地形地貌，避免开挖深度过大，尽量减少过度开挖而导致大型滑坡的出现，才是确保公路安全、减少后期维护成本的根本。

4结语

本文所述的滑坡地层岩性复杂，地下水位较高，补给充足，致使上覆粉质粘土多处于饱和状态，中间的软塑带构成坡体的软弱带。原设计采用三级放坡加平台的分级防护方案，按照该方案施工期间坡体出现较大的裂缝与剪切面，故紧急变更设计增加桩板墙。

当桩板墙施工结束后，部分桩体倾斜严重，桩顶与土体脱离，挡土板与岩土交接面处产生较大剪切裂缝。故进行第二次变更设计，在已施工完毕的桩体上增设两排预应力锚杆，桩顶的第一级放坡坡面上采用预应力锚索与钢筋混凝土格构的加固方式。最终该滑坡的稳定性满足要求。

路基设计标高相对于坡体位置过低，从而引起过大的挖深是导致该滑坡复杂的主要原因。因此，公路工程设计过程中，尽量减少过度开挖而形成大型滑坡的出现，才是确保公路安全、减少后期维护成本的根本。

参考文献

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[3]晁刚, 王鸿. 青海高原大型红层滑坡成因分析及治理[J]. 铁道建筑, 2014, (6): 109-112.

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[9]李海光, 等. 新型支挡结构设计与工程实例[M]. 北京: 人民交通出版社, 2004.

Damage Mechanism and Control Measures of a Highway Slope in Red Bed Area

TAOLian-jin1,WANGQi-hu1,2

(1.Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering of Ministry of Education,

Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;

2.Gansu Province Transportation Planning, Survey and Design Institute Co Ltd, Lanzhou 730030, China)

Abstract:The process of a highway slope’s treatment in Gansu area of the national highway from Shiyan to Tianshui is introduced in this article. The underlying bedrock of the landslide is the third series of soft rocks, such as mudstone and sandstone, and the soft plastic zone in the middle is a weak zone of the slope body. The original design of this slope adopted the style of multi sloping. But local sliding collapse, tensile crack emerged at the rear of slope and shear plane emerged at the foot of slope during construction according to the original design. Then a row of sheet pile wall added at the foot of slope according to the altered design. However, large horizontal displacement happened at some piles, and separation occurred at the top of the piles between piles and soil, and the shear cracks occurred in the soil between piles after piles constructed according to the altered design. Thus, two rows of pre-stressed anchor bolts are additional arranged on the pile body, and lattice and the pre-stressed anchor cable had been used to reinforce the first step of slope above pile top, according to the second altered design. The stability of the slope eventually meets the requirements. The stability and deformation of the slope according each design scheme are comparatively analyzed with FEM, which aim to provide reference for similar projects.

Key words：red bed; highway slope; stability; finite element method; altered design

中图分类号：U416.1+4

文献标识码：A

文章编号：2095-0985(2016)01-0012-06

基金项目：甘肃省交通运输厅科技项目(甘交科技[2011]39号)

作者简介：陶连金( 1964-), 男, 黑龙江鸡西人, 教授, 博士, 研究方向为边坡稳定性评价与加固、地下工程与隧道设计施工、岩土与结构相互作用、地下结构抗震(Email: ljtao@bjut. edu.cn)

收稿日期：2015-08-14修回日期： 2015-10-08