基于裂缝分布的公路滑坡病害机理与处治对策分析

谢艺伟

（中交一公局厦门工程有限公司，厦门 361000）

0 引言

在道路工程建设及运营过程中, 常发生路堑边坡滑坡及古老滑坡复活变形等地质病害。 对于道路工程,滑坡由于工程建设、 大气降雨及不良地质等因素发生变形开裂等病害,在病害发生的初始阶段,其裂缝、错台及剪出口等地表裂缝表现形式不一、出现特征病害的位置不一,且在初始阶段滑坡变形的裂缝很难贯通, 完整变形周界很难表现出来。因此,在滑坡病害的初始阶段,对滑坡的现场踏勘,应加强裂缝的调查。滑坡变形受力后,在平面上其应力状态如图1 所示。 根据其应力状态,滑坡不同部分发生变形形式不一[1,2]。

图1 滑坡的平面受力状态示意图

总体上,滑坡前缘受最大主应力作用,滑舌部分岩土体以受压为主,裂缝变形以放射状张拉裂缝、垂直滑动方向的挤压臌胀裂缝为主； 存在临空面时, 以剪出裂缝为主；剪出口在路基面以下时,以路面反翘裂缝为主(常为延线路方向的反翘张裂缝)。

滑坡后缘最大主应力σ1为岩体重力(γh),小主应力σ3呈水平方向,后缘裂缝表现为张拉裂缝特征(地表常表现为张开裂缝、下错等)；滑坡中部,为整体平移,故滑体内部裂缝较少(或没有)；滑坡侧界,由于滑坡两侧受不动体(稳定地层与滑坡地层)的阻力,形成左右两队力偶,产生最大主应力σ1′和小主应力σ3′,其变形主要变现为张扭性裂面和压扭裂面。 由于土体抗拉强度低,故侧界变形裂缝表现为雁形排列的羽状裂缝,且左右侧界裂缝呈对称状。

根据滑坡初始阶段变形,在滑坡现场踏勘时,应详细查明裂缝的分布位置、特征、方向等,可有效地综合判断出滑坡的总体规模、范围、周界、后缘、前缘等关键特征。再根据裂缝发展的密集程度、变形尺寸大小、贯通程度等作为综合判断滑坡变形发展阶段、 变形发展程度的重要依据。

以福建某高速公路一路堑边坡变形为例, 详细分析由地形地貌、 滑坡裂缝分布特征等判断为古滑坡复活及其病害机理,并提出针对性的工程根治方案。

1 工程概况

本边坡工点位于厦沙高速公路尤溪境内, 道路以路堑高低线形式从坡体前缘通过。 变形范围内,高速公路高线靠山侧为高约2 级的路堑边坡, 坡面主要采用TBS 植草防护；边坡坡顶为一缓坡台地(茶园),宽约55m；低线靠山侧为高约6～8m 的一级路堑边坡, 采用片石混凝土的(厚约1m)护面墙防护(图2)。

图2 滑坡全貌

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

该区域地貌类型属剥蚀丘陵区,山坡稍陡,自然坡度为25～30°,山坡植被较发育,场地地形起伏较大；场区微地貌呈台阶状,前缘地形较陡,坡度约30°；中部发育一缓坡台地,坡度约10°；后缘呈陡坎状(陡坎上部为农用机耕道),坡度约40°。

2.2 地层岩性

根据边坡现场踏勘及工程地质勘察显示, 坡体主要地层为上覆含碎石粉质粘土,下伏强风化粉砂岩(图3)。其钻孔揭示地层岩性为：

图3 典型断面工程地质图

碎石粉质粘土(Q4el+dl)：碎石呈灰黄色,碎石占50%～65%,粒径20～100mm,次棱、次圆状,成分为强至中分化砂岩。 分选不均,级配不良。 粉质粘土呈棕红色,可塑～硬塑,以粉质粘土为主,含少量砂粒,个别砾石。 厚约6～17m。

全风化泥质粉砂岩(J11):灰黄色、粉砂结构、散体状,夹少量砾石。 碎石土层下覆该地层,厚约1m。

基岩为强风化泥质粉砂岩与砂岩互层(J11)：浅灰色等,砂状结构、层状构造,泥质胶结,软质岩,风化裂隙发育。遇水易软化,暴露空气中易风化；厚约10～20m。

2.3 水文地质

场地地下水不发育,埋深约为8.90～21.30m,为孔隙水和裂隙水,水量贫乏。

3 坡体变形分析

3.1 坡体地表变形现状

2017 年10 月本段路基已施工完成, 经道路巡查发现,高线靠山侧路堑边坡及低线护面墙出现开裂现象。 通过详细踏勘发现,本段道路及坡体变形主要表现为：边坡坡面变形、边沟变形、后部山体变形等。

高线靠山侧边坡的截水沟、坡体变形：路堑边坡坡面变形主要分布于K131+910～+950 段,第一级坡面+910 段有一斜向主裂缝,呈45°方向；第一级平台发育多道横向裂缝；边坡坡顶截水天沟有多道裂缝,坡顶有一张拉主裂缝。

高线道路边沟变形： 边沟变形主要位于路基K131+910～+950 段,体现于边沟外墙向内倾倒,局部沟底出现横向裂缝。

高线道路后部自然山体变形：边坡坡顶缓坡台地(茶园),发育多道张拉裂缝,断续；缓坡陡坎上部山体机耕道处发育一道主张拉裂缝,呈下挫状(图4)。

图4 后缘张拉裂缝

低线道路护面墙开裂变形： 路堑边坡坡面混凝土护面墙出现多道竖向、斜向及水平向裂缝(靠坡脚)。

低线道路踏步、边沟变形：边沟变形主要表现为边沟外墙向内倾倒(图5 所示),局部沟底出现横向裂缝。 踏步出现多道外鼓张拉裂缝。

3.2 深部位移监测

边坡变形后,立即开展深孔位移监测工作,根据主断面初期监测数据揭示, 监测孔ZK2-1 在10.5m 处存在明显变形, 量值约3mm (10 天),ZK11 在16m 处存在明显变形,量值约3mm(图6)。

图5 低线靠山侧边沟内墙外鼓剪出

图6 深孔位移监测数据

3.3 坡体变形分析

结合上述边坡变形裂缝分布及深孔位移监测数据分析, 坡体变形主要表现为边坡的局部变形和滑坡体的变形[3-4](图3)。

坡体局部变形主要指高线路堑边坡的变形。 依据路堑边坡坡面侧界裂缝、 边坡平台裂缝及边坡坡顶拉裂缝分析判定,表现为路堑边坡的局部变形破坏。

滑坡整体变形主要依据低线路堑边坡护面墙纵向裂缝外鼓剪出；坡顶缓坡茶园分布多道张开裂缝、后缘陡坎张开下错裂缝及侧界羽状裂缝及贯通情况等, 同时结合深孔位移监测数据综合分析[6]，本段山体呈滑体的整体变形状态。 变形体最大深度约15m,宽约130m,滑坡规模约5 万m3。

4 滑坡变形机制

4.1 滑坡规模与机理分析

依据地质工程特征及监测数据,滑坡规模主要为：存在饱水过湿带。 滑坡范围内,在风化基岩与碎(块)石层接触带存在天然接触面, 易在雨季水量丰富时候形成饱水过湿带。 地质勘察揭示接触面分界明显。

各典型裂缝,如弧形裂缝、滑坡错台、公路边坡变形、侧沟收窄变形、张裂隙的存在,是确定滑坡范围的依据。

滑坡前缘剪出明显, 前缘位于人工开挖边坡上部,剪出口极为明显,剪出口位于碎石土中。

深孔位移监测数据变形明显, 且与特征地质界面深度吻合。

综上分析,本滑坡现阶段处于坡体蠕动挤压阶段[1-2],为一中型推移式滑坡。

4.2 滑坡原因分析

根据滑坡场区工程地质特点,变形现状等综合分析[5],边坡发生变形主要因素如下：

(1)老滑坡不良地质体：场区微地貌呈圈椅状,地层风化界面明显,存在饱水过湿带,具备老滑坡地貌地质特征,场区为不良地质体。

(2)地质因素：场区地层岩性主要为泥质粉砂岩,上覆含碎石粉质粘土,下覆碎块状强风化地层,地层界面明显；岩体节理裂隙发育,较破碎,结构面泥质胶结,地表水易入渗,岩体遇水易软化。场区地层工程地质条件较差,受工程建设及大气降雨,岩体力学指标松弛、软化影响明显。

(3)大气降雨影响：坡体后山为一平坦地形,具有较好的汇水条件；坡体岩体较破碎,易入渗；2017 年9-10 月受降雨入渗影响,岩体抗剪强度指标降低,致使坡体变形破坏。

(4)工程建设影响：道路路堑形式从坡体前缘通过,形成临空面,降低滑坡前缘支挡作用,易变形破坏。

5 稳定性分析

通过上述坡体变形机理分析,定为滑坡变形。 本段滑坡变形,前缘剪出口、后缘拉裂缝清晰,中部拉裂缝体现局部多层滑动特征,其变形整体性较强。鉴于此,其稳定性分析与工程治理量化分析, 可采用边坡极限平衡法反算坡体滑带力学强度指标。 本滑坡现阶段变形发展处于蠕动挤压阶段, 评价其主断面坡体稳定状态约为1.05～1.10[2]。选择主滑断面K131+945, 采用选用较为严格的刚体极限平衡方法——Morgensten&Price 法, 利用Slide 软件进行滑坡稳定性反演计算,计算上、下层滑坡稳定系数分别为1.1 和1.09,如图7 所示。 反算滑带岩体强度指标见表1。

表1 滑坡岩体强度指标表

图7 K131+945 断面稳定性分析

6 工程治理方案

根据道路工程建设要求, 本段高速公路即将运营通车。 该滑坡的变形发展,其滑面较深、规模较大,为有效对该滑坡病害进行根治,并保障道路按期通车,采用预应力锚索框架加固防护[7]。

道路高低线边坡均设置预应力锚索框架, 单榀框架宽6m、6 孔,预应力设计拉力500kN,满铺布置。 加固后,滑坡上下层稳定系数分别为1.67 和1.23, 满足公路路基设计规范要求,如图8 所示。

图8 K131+945 断面应急加固工程稳定性分析

7 结语

(1)滑坡病害的各个不同阶段、滑体不同部位变形裂缝特征性较明显,利用变形裂缝的分布位置、状态、方向及形状等,可有效地对滑坡的范围、规模及滑面特征等进行定性判识。

(2)每个滑坡具有各自特征,对滑坡的初步分析,应结合地形地貌、工程地质条件、大气降雨、人类活动等,并利用勘察、监测等技术手段综合分析,揭示其破坏的影响因素和破坏机理,再进行针对性的工程处治,才能有效对其进行病害根治,并控制工程造价等。

(3)本文案例工点为一中型老滑坡的变形复活,原自然山体的地形地貌的老滑坡特征后期改造较大, 难以辨识, 结合微地貌及有效的工程地质勘察地层分析和深部变形的位移分析,可有效揭示病害本质,对工程治理具有控制性作用；同时,道路工程的建设开挖山体,对坡体稳定性影响明显,工程建设阶段应加强建设期工程的监测、巡查等,以便一旦发现安全隐患,及时根治。本文通过对具体案例进行了辨识分析、变形发展、成因分析、稳定性评价及工程处治方案研究, 对同类工程建设的此类问题具有较大参考意义。