某工程滑坡治理设计方案及优化分析

2016-12-03薛根平

山西交通科技 2016年2期

薛根平

（山西省公路局吕梁分局，山西吕梁 033000）

作为三大自然灾害（地震、洪水和崩塌滑坡泥石流）之一的滑坡严重危及到人民生命与财产安全[1-3]。随着我国高速公路的迅速发展，在公路建设工程中不可避免地遇到边坡因设计不当而引起的滑坡地质灾害。本文针对某工程滑坡进行了详细补充勘察及反演计算分析，提出优化加固设计方案，成功解决了该工程滑坡问题，可为今后类似滑坡的治理提供依据。

1 工程概况

某国道公路除本改建工程原设计为三级公路外，途经其他地区均已陆续改建为一级或二级公路，该段公路自建成后40多年未进行技术改造，原路公路技术等级偏低已经不满足目前的通行要求。改建工程穿越区地形地质情况复杂，线路穿越区部分边坡为顺层岩质边坡。其中一段边坡长度共计120 m，最危险截面高度为46 m，最危险截面挖方深度为18 m，考虑到顺层岩质边坡问题复杂，原设计采用了“斜率法刷坡+一级挡墙+两级压力分散型预应力锚索框架梁（共6排）+截排水措施”的方案。

2015年9月，由于降雨等造成边坡岩土力学参数骤减，导致边坡侧面发生顺层岩质边坡失稳，如图1所示。滑坡为折线形，前缘位于40 m高的斜坡，后缘位于两山之间沟谷中。滑坡坡度约40°～45°，相对高差约 15～40 m，主滑方向 325°，厚度约 2～7 m，滑坡规模约0.2万m3。沿堆积体与基岩接触带主要迹象为滑动带后缘拉裂缝，基岩出露无明显变形迹象，裂缝宽度为20～60 cm不等，无地表渗水。

图1 滑坡情况

经物探分析以及现场调绘，滑体整体较薄，滑面埋藏较浅，深度约2～7 m，滑体物质为全风化片麻岩及其上坡积物，全风化片麻岩含量约80%，黑色、青色，松散-稍密，主要由碎石、块石、青黑色砂土和破碎全风化片麻岩组成。块石、碎石大小不均，分选性差。碎石含量约5%～10%，碎石粒径一般5～20 cm，块石直径0.5～10 m，含量约5%。

2 补充勘察及边坡开挖稳定性计算

2.1 补充勘察

边坡的开挖断面与滑坡方向斜交，角度为42°，由于边坡尚未开挖在天然状态下既已失稳，建设单位认为原勘查结果不精确，需要进行补充勘察确定边坡开挖过程中的安全性以及原设计方案的可靠性。

基于原边坡勘察结果，补充勘察方案新增3个钻探孔。新钻孔基于以下原则：钻孔揭露地层特性，是否存在软弱层、严重破碎层；确定原锚索锚固段是否位于稳定岩层上；建立更精细化的地质模型用于设计计算。确定新钻孔位于K310+065处，位于原钻孔西10 m（靠近边坡滑动一侧），初步估测钻孔深度为55 m。

补充勘察结果如下：该边坡岩层由五台系石咀群庄旺组角闪斜长片麻岩、斜长角闪岩和片麻状花岗岩组成。在设计路面下切陡坡内地质情况复杂，节理裂隙发育，内部岩层破碎，岩石均遭受不同程度风化作用。斜长角闪岩以伟晶岩脉顺片理或片麻理侵入角闪斜长片麻岩，接触面存在明显的蚀变带或破碎带，深度位于原地面下10～17 m，蚀变带为泥沙状夹层，其上、下岩层为严重破碎带。与原勘查结论该边坡无软弱夹层的结论对比，本次勘察揭示边坡的软弱滑动带，并确定了该滑动带的位置，从而进一步指出原设计偏危险，需进行优化。

将勘察结果较完整、整体性较好的坚硬岩层作为基岩，并认为不同岩性的基岩强度基本相同，用以简化深层基岩的计算量，将中风化与微风化岩层交界面作为基岩界。根据边坡勘察资料对岩层破碎情况进行分级，将边坡简化为以下地层，建立边坡稳定性计算模型如图2。

图2 补充勘察边坡岩层分布与计算模型

2.2 反演分析

根据《公路路基设计规范》[4]，岩质边坡结构面强度指标取值（结合很差的软弱结构面）为：内摩擦角取值12°～18°，黏聚力取值范围20～50 kPa。选取典型代表剖面进行天然状态反演分析，根据现场滑塌状态，地表有一定的变形，但没有整体滑动，边坡处于欠稳定状态，安全系数取为1.07进行反演分析，反演过程如表1。根据反演计算，在天然状态下滑带土抗剪强度指标可采用C=20 kPa，φ=15°。

表1 天然状态下典型剖面滑带土反演分析

2.3 边坡开挖稳定性计算

根据补充勘察结果，采用Morgenstern-price法和数值分析方法（有限元极限平衡法）计算滑坡稳定性，滑坡推力计算采用传递系数法。稳定性评价标准如表2。

表2 路堑边坡稳定性评价标准[4]

边坡一次完全开挖后不进行支护，安全系数为0.644，最危险滑动面如图3。计算结果表明，边坡开挖后稳定性不满足要求，必须予以支护。

图3 完全开挖不支护边坡稳定性与最危险滑动面

3 边坡加固设计方案分析

3.1 基于原设计方案的调整计算

在原设计方案基础上调整锚索入射角度为25°，适当调整锚索长度将锚固段长度，使其完全放置于软弱破碎层以下稳定岩层内1.5 m，施加预应力锚索的设计锚固力900 kN。建立模型，得到边坡安全系数为1.083，边坡最危险滑动面如图4。

可见，在原设计方案基础上进行必要调整（延长自由段长度，将锚固段置于稳定岩层，并调整锚索入射角度）可有效提高支挡结构的作用，极大地提高边坡稳定性。但由于预应力锚索能提供抗滑力有限，边坡经加固后处于极限平衡状态，不满足公路路基设计规范对二级公路边坡稳定性的最低要求（安全系数应为1.15），仍需要提高抗滑力。

3.2 设计方案

图4 调整计算：边界模型加固荷载与稳定性分析

考虑到边坡在增加预应力锚索后，稳定性达到极限平衡状态，为达到规范要求安全系数，边坡所需抗滑力有限，因此本方案在调整计算的基础上增加抗滑桩，抗滑桩为方形，尺寸为2 m×2.5 m，桩长分别为20 m和22 m，桩间距为4.5 m，锚索施加预应力调整为980 kN。建立数值模型，计算得到边坡安全系数为1.347，最危险滑动面如图5。

图5 设计方案边界模型加固荷载与稳定性分析

可见，增加抗滑桩后边坡稳定性能满足规范要求，设计方案可行。

3.3 设计方案选定

综上所述，施加预应力锚索可有效提高边坡稳定性，但是由于预应力锚索可提供的抗滑力有限，边坡仍处于极限平衡状态，不满足目前公路行业规范对于边坡稳定性的要求。在预应力锚索方案基础上，在第一级平台增设抗滑桩可有效提高边坡稳定性，并满足目前公路行业规范对于边坡稳定性的要求。考虑到预应力锚索有效锚固力随时间效应逐渐降低，边坡仍满足规范要求，边坡设计宜增加抗滑桩。最终确定边坡最终设计方案如下：三级刷坡，坡率自下而上分别为 1∶0.5、1∶0.75、1∶0.75；第一级采用挡墙，平台上设置20 m抗滑桩6根，22 m长抗滑桩5根，截面为1.5 m×2 m，桩间距4.5 m；第二、三级采用压力分散型预应力锚索框架梁，锚索设计锚固力为980 kN，锚固段长度10 m，锚固段与自由段连接长度调整为1.5 m，自由段长度分别为9.7 m、11 m、12.6 m、13.4 m、15.6 m、17.2 m，锚固段注浆体调整为M50水泥浆，自由段注浆体调整为M40水泥浆；框架梁横向间隔3 m，梁截面0.6 m×0.7 m。