黄土-红黏土二元结构深路堑边坡失稳分析研究

苗贵华

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

山西西部地区属西北黄土高原地带黄土丘陵沟壑区，区域内以黄土峁、梁、塬、沟谷的形式发育。地层主要由第四系坡积物、风积物、第三系红黏土组成，整体上从上至下依次分布有黄土状粉土和红黏土。本文研究的黄土状粉土主要指晚更新世Q3马兰黄土和中更新世Q2离石黄土，都具有大孔隙、垂直节理发育、湿陷性等特性。红黏土属第三系上新统静乐组（N2）地层，其岩性主要表现为深褐红色、棕红色砂质黏土，结构较密实，土层中发育大量不规则裂隙。红黏土的矿物成分主要为高岭石，并含一定量的蒙脱石和石英颗粒等。N2红黏土在天然状态下抗剪强度较高，部分含水量较大层面土体抗剪强度明显降低。从膨胀性指标试验看红黏土的自由膨胀率一般在40%～58%之间，属弱膨胀性土，N2红黏土渗透系数为1×10-6cm/s，渗透性弱，为相对隔水层，因本层的隔水作用在其上形成上层滞水[1]。

依托某高速公路研究黄土-红黏土组合型地层深路堑边坡失稳变形机制，其结果可为类似工程的设计及治理提供依据，同时对防止和减少路堑高边坡公路沿线地质灾害的发生具有重大的经济环境效益。

1 项目概况

1.1 工程概况

某高速公路采用四车道高速公路标准建设，设计速度采用80 km/h，路基宽度24.5 m。兴县南互通式立体交叉位于康宁镇油房沟村，主线中心桩号为K82+627.950，其中互通A匝道左侧边坡、C匝道右侧边坡原设计均为深路堑边坡，A匝道边坡最高为73.4 m，C匝道边坡最高为54 m。原施工图设计自下而上第1级边坡设置片石混凝土路堑挡土墙，第2、3级设置浆砌片石护面墙，以上各级边坡植草防护。如图1所示。

图1 边坡失稳前状况

1.2 地质概况

项目区地处黄河中游东岸，吕梁山中北段西侧，属西北黄土高原地带，黄土丘陵沟壑区。由于流水切割，沟壑纵横，黄土丘陵地形破碎，大部分为地表起伏崎岖的梁峁沟壑地形。揭露地层主要由第四系粉土及第三系粉质黏土、细中砂地层组成，由上至下分别为：a）第四系上更新统马兰组（Q3al+pl）粉土，褐黄色，稍湿，稍密-中密，土质均匀，无摇振反应，含云母碎片，夹有卵石，有少许黏性；上部含植物根系。b）第三系上统静乐组（N2j）粉质黏土，褐红色，可塑-硬塑，以硬塑为主，局部为软塑，层理状分布，含钙质结核层，局部已形成钙质结核板，韧性中，黏性强。如图2所示。

1.3 区域自然地理条件

项目区属暖温带半干旱气候，年平均气温7℃～10℃，由于吕梁山的阻隔，本区降水偏少。年降水量一般为450～500 mm左右，降水集中且年际变化大，多雨年往往为少雨年的3～4倍；降水主要集中在6—9月，夏季3个月的降水量约占全年降水量的60%，且以暴雨和阵雨居多，具有历时短、强度大、降雨集中等特点。项目区未见地下水。土体中水的类型主要为季节性降雨渗水，受大气降雨补给，或直接从地表排走。

1.4 边坡变形破坏过程及其特征

该段路堑边坡最大挖深73.4 m，所处山体坡面大部分为耕地，且地表冲沟发育，沟谷纵横，山上植被稀少，水土流失严重。山体多为鸡爪沟地形，坡面上冲沟发育，分布大量陷穴、凹槽、落水洞等，受地形及农田改造影响，坡体剥蚀、雨水下渗等现象明显。该段边坡地层结构：上部为第四系Q3eol风积黄土、下伏第三系N2红黏土，2015年7—8月恰逢雨季，兴县康宁镇遭遇连续多日强降雨。由于黄土垂直节理发育、大孔隙和湿陷性等特点，在大气降雨的作用下，雨水多沿着节理裂隙下渗，雨水渗入坡体后，土体浸水软化，抗剪强度大幅降低，土体内孔隙水压力增大，导致C匝道右侧边坡发生滑坡。滑坡体呈马蹄状，其后缘有清晰的弧形，沿垂直张裂隙其后缘形成高约2～10 m的陡壁。滑坡体长75 m，宽50 m，滑坡体体积约5万m3。如图3所示。

图3 边坡失稳后全貌

2 边坡失稳机制分析

2.1 计算工况

结合现场调查、详勘资料，采用经验法、工程地质类比法、简化BISHOP法和传递系数法等方法相结合进行分析计算。正常工况下的安全系数取值为1.2～1.3；非正常工况Ⅰ（连续降雨）安全系数取值为1.1～1.2；外部荷载主要为地震荷载，非正常工况Ⅱ（地震）按照《公路工程抗震规范》（JTG B02—2013）要求执行[2]。

2.2 参数取值

稳定性计算参数的选择，特别是抗剪强度参数的取值对稳定性计算结果有重要影响。室内试验结果离散性较大，经过多次试算，结果与现实状态差异较大。本次计算参数取值是结合地勘报告、反算参数以及该地区其他工程经验综合确定的。主要地层岩土体参数如表1。

表1 主要地层岩土体抗剪强度参数

计算结果如表2。

表2 稳定性系数计算结果统计表

2.3 计算分析

为保证设计参数选取的合理，选取典型断面CK0+296.578进行反算，结合现场实际已经产生滑面和岩土分界面形状，模拟该滑面为折线形。根据现场取样土工试验报告，极限平衡反算值及工程地质类比经验数据，并结合滑坡可能出现的最不利工况进行分析。工况以安全系数进行区分，天然状态下的工况安全系数Fs=1.25、暴雨或连续降雨状态下的工况Fs=1.15，分别计算剩余下滑力，采用传递系数法计算，取以上各工况最不利值作为设计的剩余下滑力。其中，在暴雨或连续降雨工况下，软弱面范围内抗剪系数按自然状况下抗剪强度参数的80%折减来模拟，内摩擦角按5°进行折减；非软弱面范围内黏聚力不进行折减。对于降雨工况，结合算例分析，由表2可知，边坡处于降雨工况下较正常工况的稳定安全系数，降低幅度30%左右，由此得到降雨对黄土边坡稳定系数的影响显著，设计时应重视排水设计，加强地表和地下综合排水系统的设计，保证工程的安全稳定。

2.4 边坡失稳分析

该段边坡地貌上属黄土丘陵区，地表冲沟发育，多为鸡爪沟地形，坡面上分布大量冲沟、凹槽、落水洞等。总体地势东高西低，山坡自然坡角45°左右，线路走向230°，地面标高最大值1 264.9 m，最小值1 129.6 m，地表最大相对高差为135.3 m。该类型边坡为典型粉土、粉质黏土二元结构，上覆粉土较松散，结构疏松、垂直节理发育，降水后雨水易沿垂直向渗透，雨水下渗到下伏第三系N2j红黏土的相对隔水层，并在下伏粉质黏土层积聚，在接近隔水层时土体含水量易达到饱和，土体多呈湿软或软-可塑状，其抗剪强度下降迅速，逐渐形成塑性变形区域，沿粉土与粉质黏土交界处形成滑动带，最终使得边坡失稳破坏。失稳破坏基本上是由降雨下渗引起地下水状态坡体及滑带介质的物理力学性质发生改变而诱发产生的。所以这种二元结构黄土边坡的变形破坏与降雨存在密切联系，将黄土-红黏土组合型地层路堑高边坡的失稳过程总结如下:边坡总体上经历了降雨入渗→抗剪强度降低→蠕动变形→红黏土受挤压→滑面形成贯通→黄土边坡滑移→整体失稳滑动7个阶段。

3 边坡治理措施

考虑到黄土滑塌的危险性及治理的重要性，为了避免类似的黄土-红黏土二元结构路堑高边坡发生失稳破坏，考虑到黄土的湿陷性特性以及红黏土的不透水特性等因素，提出采用卸载+支挡+截排水组合方案。

先对滑塌坡面进行削坡减载处理，削坡由上而下进行，边坡分级高度均为8 m。分别在第2级、4级、8级、12级设置宽大平台，缓解边坡坡脚应力集中，改变了边坡的剪应力及剪应变的分布，有利于提高边坡整体稳定性，方便施工，对于排水及植物防护均较为有利。完善排水系统设计，每级边坡平台根据平台宽度设置不同尺寸的截水沟，坡面设置相应尺寸的急流槽，平台截水沟外侧采用30 cm厚2∶8灰土进行封闭，以防止雨水下渗。第2、5级、9级、13级边坡坡面采用3.5 m高的护面墙进行防护，第3、4级边坡坡面采用拱形骨架+植草防护，其余各级坡面采用喷播草、灌籽防护[3]。如图4所示。

图4 治理后边坡

4 结语

本文结合实体工程探讨了黄土-红黏土二元结构深路堑边坡失稳孕育的过程和特征，分析了其失稳破坏机制，具体得到了以下成果：

a）黄土-红黏土组合地层属二元结构边坡，开挖卸载会影响土体内应力场及位移场的变化，在降雨下渗条件影响下，会逐渐改变路堑边坡的稳态情况。其失稳破坏总体上会经历降雨入渗→抗剪强度降低→蠕动变形→红黏土受挤压→滑面形成贯通→黄土边坡滑移→整体失稳滑动，共7个阶段[4-5]。

b）黄土-红黏土组合型地层深路堑边坡的结构特点、地层岩性决定了其失稳变形机制，无论发生沿黄土界面剪出的圆弧形滑动，还是发生沿结合面剪出的牵引式滑坡，都是由于水体的作用。随着降雨入渗和土体含水量增加，在黄土与红黏土交界面形成一层滑动带，从而引发边坡失稳的发生，所以该类型的边坡做好综合排水系统是保证边坡稳定的关键。