强风化砂质泥岩顺层滑坡机理及处治措施研究

2016-11-29江红刘海兵何卫

公路与汽运 2016年5期

关键词：砂质顺层滑坡体

江红，刘海兵，何卫

（1.中交三航局南京分公司，江苏南京 210011；2.中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075）

强风化砂质泥岩顺层滑坡机理及处治措施研究

江红1，刘海兵1，何卫2

（1.中交三航局南京分公司，江苏南京 210011；2.中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075）

强风化砂质泥岩稳定性低，易造成坡体顺层滑坡，危及高速公路安全。文中以贵州道安（道真—瓮安）高速公路边坡工程为例，从地质构造、地层岩性、水文条件、人类工程活动等方面分析了边坡稳定性影响因素；根据滑坡特点，提出了锚杆（索）框架梁+抗滑桩（挡墙）支挡的综合处治方法，取得了良好治理效果。

公路；强风化砂质泥岩；顺层滑坡；锚杆（索）框架梁；抗滑桩（挡墙）

近几年来，随着国家高速公路网的不断发展，建设重点开始自东部发达地区向西部山区转移，贵州省高速公路建设迎来了开发高潮。贵州地区地形、地质较复杂，公路边坡滑坡时常出现，其中顺层滑坡更是频频发生，给建设过程带来了巨大危险，建设过程中能否妥善处理好该类问题关系着整个工程的安全。为了创造安全的施工环境，许多工作者从地层岩性、坡体结构、水文地质条件及滑动带形成演化过程与模式等方面出发，通过反分析计算、工程经验类比法及有限元程序等方法进行了顺层边坡稳定性分析，并提出了针对性的顺层滑坡预防和处治措施。但对强风化砂质泥岩顺层滑坡机理及处理方案等的研究较少。该文以贵州道安（道真—瓮安）高速公路K83+808—K84+046段右侧强风化砂质泥岩顺层边坡滑坡为例，进行滑坡稳定性因素分析，并提出综合处治方案。

1 滑坡概况

道安高速公路K83+808—K84+046段右侧边坡为单斜地层，岩层产状为70°～102°∠12°～20°。节理裂隙发育，主要有两组发育节理，L1为55°∠89°，L2为130°∠85°，这两组节理都是节理面平直粗糙，多呈闭合状。根据野外地质勘查及各钻孔岩土芯样（见图1），滑坡地层自上而下分别为：

（1）耕植土（Qpd4）地层。主要以粉质黏土为主，表层含较多植物根系，底部含较多碎石，厚度1.0～2.0 m，位于滑坡的表层。

（2）含砾粉质黏土（Qme4）地层。主要成分为泥岩，表层覆盖少量耕植土，厚度2.0～5.0 m，位于滑坡表层。

图1　钻孔岩土芯样

（3）强风化砂质泥岩（Ot+h1）地层。为隐晶质结构，中厚层状构造，节理裂隙发育，其底部紧靠滑坡滑动带，厚度为2.0～14.0 m，为滑坡体的主要物质组成。

（4）中风化砂质泥岩（Ot+h1）地层。为隐晶质结构，中厚层状构造，节理裂隙发育，岩体破碎，局部含灰岩，钻孔揭露最大厚度为21.4 m，位于滑坡体的底部。

该边坡以挖方路基通过，最大挖深35.4 m，地势起伏陡峻，相对高差为50～100 m（见图2）。

图2　项目区地形地貌

边坡水文地质条件和人类工程活动对滑坡的形成、发展和滑动有着重要影响。滑坡区地下水主要为第四系松散层孔隙水、基岩裂隙水。松散层孔隙水主要汇集于滑坡体的松散堆积层中，使整个滑坡体处于湿润状态，而基岩裂隙水主要分布在中风化砂质泥岩的节理裂隙中。滑坡上的人类工程活动比较复杂，主要由三部分组成：一是居民的坡表水稻和玉米种植活动及在滑坡区山脊处了修筑一幢3层房屋；二是在右侧坡体的山脊处进行高速公路修建开挖，最大挖方深度30 m；三是在原边坡体山腰处进行村道改线道路修建开挖，最大挖方深度约15 m。

2 滑坡体形态特征

滑坡体平面上呈三角形，位于线路右侧，坡体中、上部为宽缓的阶梯形平台，下部为刷坡形成的陡坡，坡度20°～40°。沿线路方向长约250 m，纵向长约80 m，面积约208 m2，平均厚度12 m，失稳体积约2 496 m3，为浅层中型滑坡体。根据滑坡体的地貌特征及滑坡体的主滑向，将滑坡体分为A、B两区（见图3）。

图3　滑坡体全貌

（1）A区滑坡。该区滑坡是滑坡体的次要变形部分，位于滑坡体左侧，为一宽缓斜坡地形，地形西高东低，滑坡地形坡度8°～20°，滑动方向95°，与线路垂直相交。滑坡前缘位于村道改线道路开挖一级坡脚处，滑坡前缘高程约700 m，后缘高程约716 m，高差约16 m。滑坡前缘坡脚见剪出口，后缘张拉裂缝明显。

（2）B区滑坡。该区滑坡是滑坡体的主要变形部分，位于滑坡体右侧，为两脊夹一V形冲沟，总体地形西高东低，两侧高，中间低洼，滑坡地形坡度20°～35°，滑动方向60°，与线路大角度斜交。滑坡前缘位于高速公路开挖一级坡处，高程约690 m，后缘高程约725 m，高差约35 m。滑坡前缘坡脚未见明显剪出口，后缘张拉裂缝明显。

根据地质勘探资料，滑坡体物质组成自上而下可分为表层含砾粉质黏土、下部强风化砂质泥岩。滑坡区发育的强风化砂质泥岩有两种形态，上部多为土黄色，底部多为灰色，底部紧靠滑坡滑动带，岩体因滑坡剪切滑动发生破环，岩芯多呈碎屑状、碎石状。滑体物质组成较简单，厚度横向较均匀，纵向顶部厚度小、底部厚度大。

滑坡体中下部紧靠临空面位置，滑动带主要为强风化砂质泥岩与中风化砂质泥岩接触带，强风化砂质泥岩顺层面沿着接触带向临空面方向发生滑动，下部滑坡体向临空面方向发生滑移后，上部坡体受牵引作用沿强风化砂质泥岩受力最不利界面的软弱面发生滑动。

3 滑坡影响因素及变形机理分析

滑坡变形影响因素包括内因和外因两类，其中内因包括地形地貌、地层岩性、地质构造，外因包括降雨、人类工程活动等。

（1）地形地貌。滑坡体的中上部为宽缓的阶梯形平台，地形平坦，容易汇集较多地表水，强降雨后滑坡体处于饱水状态。

（2）地层岩性。滑坡地层的表层黏性土因居民长期耕作，土质疏松，容易汇集较多地表水。滑坡地层下部的强风化砂质泥岩属透水层，厚度较大，为雨季主要地下水赋集层。滑坡地层底部的中风化砂质泥岩属隔水层，稳定性相对较好。在强风化砂质泥岩与中风化砂质泥岩的接触带，地下水容易富积，软化、泥化交界面，从而形成软弱泥化夹层，坡体沿该软弱面滑移失稳。滑坡体前缘发育的含砾粉质黏土和强风化砂质泥岩强度低，遇雨水易软化崩解，自稳性差。

（3）地质构造。滑坡区为单斜构造，岩层产状70°～102°∠12°～20°，有55°∠89°、130°∠85°两组发育节理。坡体开挖后坡向约120°∠53°，岩层倾向与边坡坡向一致，岩层倾角小于坡脚，为顺层坡。发育的两组节理倾向与坡向一致，岩体结构面组合均不利于边坡稳定。边坡开挖为滑坡体提供了较大临空面，岩层顺层面向临空面方向发生滑动，这为形成滑坡的主要原因。

（4）降雨。该边坡所在地雨水丰富，连续降雨使边坡长期处于饱和状态，不仅加大边坡土体自重，同时软化、泥化边坡岩土体，大大降低其抗剪强度，并在坡体内产生动静水压力，造成边坡稳定性降低。

（5）人类工程活动。边坡表层黏性土因居民长期耕作，土质疏松，容易汇集较多地表水；高速公路路基边坡开挖、村道改线道路施工在原边坡体山腰处进行开挖，形成高陡临空面，为边坡变形提供了变形空间条件。

综上所述，在内因和外因的共同作用下打破原有的力学平衡而导致边坡向下发生滑移。

4 滑坡稳定性评价

边坡稳定性评价应遵循“以定性分析为基础、定量计算为手段”的原则。进行边坡稳定性计算时，应根据边坡工程地质条件或已经出现的变形破坏迹象，定性判断边坡可能的破坏形式和边坡稳定性状态。

4.1稳定性计算

4.1.1计算剖面的确定

根据钻探资料绘制5个断面图，图4、图5分别为P2-P2′、P3-P3′断面图。下面以这两个断面为例进行稳定性分析。

图4　P2-P2′工程地质断面图（B区，单位：m）

图5　P3-P3′工程地质断面图（A区，单位：m）

4.1.2计算工况与安全系数

该边坡工程安全等级为一级，综合考虑《公路路基设计规范》第3.7.7条规定，边坡最低安全稳定系数在自重工况（工况一：天然状态）下取1.25；在自重+暴雨工况（工况二：饱水状态）下取1.15。

4.1.3边坡物理力学参数选取

钻探选取6组土样、3组强风化砂质泥岩进行剪切试验。试验中由于土样含较多砾石、强风化砂质泥岩体极软，饱水后均开裂，未得出剪切试验结果。边坡稳定性计算参数的选取主要采取以下途径：1）极限平衡反算法，即假定现状边坡处于极限稳定状态（稳定系数K=0.96～1.00）进行反演。2）参考临近的边坡，采用工程地质类比法取c=0～10 k Pa、φ=5°～15°；3）取经验值c=0～15 k Pa、φ=5°～20°。结合上述3种方法，经综合分析，确定边坡稳定性分析的物理力学计算参数见表1。

表1　边坡的物理力学参数

4.1.4稳定性分析计算结果

根据《工程地质手册》，该顺层滑坡的稳定系数采用基于极限平衡理论的折线形滑坡面传递系数法计算得到，并结合该滑坡区地形起伏、滑动面的变化、岩性分层、滑坡区堆积体地形、地质及水文特征对计算剖面进行垂直条块划分，然后取单位宽度滑体上的一条块分离体进行极限平衡状态下静力分析，自滑坡体上方的第一个条块开始逐一计算，若所得某一条块的剩余下滑力为负值，则说明自该条块以上的滑体是稳定的，并考虑其对下一条块的推力为零。该顺层滑坡稳定系数和剩余下滑力计算结果见表2。

表2　稳定系数和剩余下滑力计算结果

4.2稳定性评价

从稳定性计算结果来看，滑坡在天然状态下，现状坡体稳定系数为1.115，剩余下滑力为负值，说明边坡处于稳定状态；在暴雨状态下，现状坡体已发生浅层滑动，稳定性系数为0.846，处于不稳定状态。

5 综合处治

5.1处治方案

（1）A区滑坡处治方案。A区滑坡K83+ 954—K84+020段一级坡设置8 m高路堑墙，第二级坡坡率由1：1.5～1：2渐变，采用拱形骨架植草防护。同时坡顶设置山坡截水沟、增加流水踏步等排水措施，坡顶裂缝采用砂浆进行封闭。

（2）B区滑坡处治方案。B区滑坡K83+808—835段边坡维持两级坡设计，第二级坡增设边坡导水孔。K83+835—852段第一级坡设置8 m路堑墙；第二级坡采用锚杆框架梁植草防护，根据现场情况设置A型急流槽。K83+852—954第一级坡顶（坡体山脊位置）设置18根截面尺寸为3 m×2 m的抗滑桩，坡面采用窗式护面墙植草防护；第二级坡采用锚索框架梁植草防护。

5.2B区滑坡体抗滑桩施工

根据现场桩基地质情况和桩径大小，采用跳桩2根施工即抗滑桩施工分3批完成，每批完成6根，共3排，水平间距为6 m，桩长分别取18、22、25 m。施工步骤：1）现场平整场地，测量放线，定桩位及高程。2）开挖第一节桩孔土石方，施作支护壁模板，绑扎钢筋，浇筑第一节护壁及锁口砼。3）在第一段护壁上二次投测标高及桩位十字轴线，并架设安装各种运输、照明及通风等设施。4）开挖吊运第二节桩孔土石方并校核桩孔位置、垂直度和净宽，先拆第一节模板并施工第二节护壁模板，然后浇筑第二节护壁砼。重复以上步骤，直至施工到设计深度。5）检查验收桩孔，在验收合格后，先吊放钢筋笼，然后放砼导管，最后浇筑桩身砼。待养护完成后，进行桩身质量检测（见图6）。