在役软岩边坡变形机理分析及处治技术

陈 记 刘庆元

(1.广东省南粤交通投资建设有限公司，广东 广州 510623；2.中铁科学研究院有限公司 深圳分公司，广东 深圳 518048)

0 引言

路堑边坡工程在山区公路建设中得到广泛应用，尤其是采用加固措施的软岩边坡，随着时间的推移，往往会出现加固结构损伤开裂、坡体局部变形甚至发生坡体整体失稳现象，对道路及行车造成极大威胁。国内外对营运期服役边坡的变形机理开展了一定的研究工作，蒋水华等提出锚固工程随着服役时间的增加失效概率越大的时效特性[1]，熊德国、牛传星、李育枢等提出软岩吸水率更高、软化系数更大、干湿循环对软岩强度损伤不可逆[2-4]；田卿燕、王安怀等对煤系地层在役边坡变形病害进行了加固工程效果评估和坡体变形病害原因分析[5-6]。总的来看，目前研究成果对在役软岩加固边坡的变形破坏机理研究尚不系统，本研究综合分析某营运高速公路变形边坡的工程地质与水文地质条件、坡体变形与深部位移特征、锚固工程应力状态，发现在役软岩边坡具有滑动面深切发展、加固工程分区渐进破坏等特征，可为类似边坡的变形机理研究和工程病害处治提供参考依据。

1 工程概况

1.1 地理环境

某高速公路K167+382～K167+770段路堑高边坡在服役期间，受连续强降雨影响，于2019年5月发生大规模变形。该边坡位于粤北地区，属剥蚀丘陵地貌单元，整体呈北高南低，自然山坡呈下陡上缓状，坡度约15°～35°，植被发育。边坡场区为亚热带季风型气候，气候温暖潮湿，雨量丰沛，雨季长，多有台风暴风雨，年平均降雨量约1 700 mm。抗震设防烈度为Ⅵ度，场地基本地震动峰值加速度为0.05g，基本地震动峰值加速度反应谱特征周期为0.35 s。

1.2 工程地质条件

边坡场区位于赣闽隆起区和粤桂湘赣褶皱带的接界处，地质构造复杂，褶皱与断裂发育，多为北北东～北东向。坡体地层岩性自上至下为坡残积粉质黏土、砾质粉质黏土及碎石，下伏基岩为石炭系下统大塘阶测水组(C1dc)泥质粉砂岩、砂岩、灰岩、页岩、炭质页岩，其中全风化炭质页岩分布较广，地质条件差。

边坡岩层产状变化较大，自小里程往大里程方向岩层产状由125°∠42°逐渐变化至210°∠23°，中间区段为165°∠20°；发育3组节理：347°∠44°，140°∠54°，109°∠28°，节理面间结合程度差，多充填泥质成分。边坡坡向169°。工程地质横断面图见图1。

图1 边坡工程地质横断面Fig.1 Geological cross-ection of slope project

1.3 原设计

该边坡最大坡高约41 m，共5级。在2017年建设期间，其中K167+425～K167+560区段发生滑移变形，变更后分区段设计见表1。

表1 边坡原分段设计一览表Tab.1 List of design of slope original sections

原设计立面示意图见图2。

图2 原设计立面示意图Fig.2 Schematic diagram of elevation of original design

2 变形特征

该边坡于2018年4月完工，高速公路于2018年9月建成通车。受连续强降雨影响，该边坡于2018年5月再次发生大范围严重开裂变形，经现场调查、监测，边坡主要变形特征分述如下。

2.1 地表及结构物变形

该边坡坡面及周边地表变形、加固工程结构物变形情况见表2。

表2 边坡地表及结构物变形特征一览表Tab.2 List of deformation characteristics of slope surface and structure

2.2 深部位移

建设期间，该边坡K167+555断面设置为深部位移监测断面，分别在该断面1级平台布设ZK1、2级平台布设ZK2监测孔，位移监测曲线见图3、图4。该2孔后因边坡治理施工被破坏，营运期在原监测孔位置偏移2 m范围内(孔口标高基本一致)重新布设监测孔ZK3，ZK4，深部位移监测曲线见图5、图6。

图3 建设期1级平台ZK1深部位移监测曲线Fig.3 Deep displacement monitoring curves of ZK1 on 1st class of during construction

图4 建设期2级平台ZK2深部位移监测曲线Fig.4 Deep displacement monitoring curves on 2nd class of ZK2 during construction

图5 营运期1级平台ZK3深部位移监测曲线Fig.5 Deep displacement monitoring curves of ZK3 on 1st class platform during operation

图6 营运期2级平台ZK4深部位移监测曲线Fig.6 Deep displacement monitoring curves of ZK4 on 2nd class platform during operation

综合分析图3～图6深部位移监测曲线，可发现以下规律：

(1)建设期变形规律：在2018年5月雨季之前，边坡仅有局部调整变形，最大位移量约20 mm；在连续强降雨作用下，边坡发生快速变形，位移增量超过20 mm，与边坡地表显著变形吻合。

(2)建设期滑面深度：ZK1在15 m深处存在明显拐点，ZK2在6，15 m处存在拐点，表明建设期坡体存在两层滑面，浅层滑面深度约6 m，深层滑面深约15 m。

(3)营运期滑面深度及变形特征：ZK3在17 m处存在拐点，ZK4在5.5，20 m处出现拐点，表明边坡浅层滑面深约5.5 m，深层滑面对应1级平台和2级平台分别深为17 m和20 m。

(4)滑面变化特征：边坡营运期间浅层滑面与建设期基本保持一致，深层滑面深度较之建设期向下发展2～5 m，表明原坡体抗滑桩、钢管微型桩和预应力锚索格梁加固后，在遭遇连续大气强降雨作用后，岩土体软化作用仍在继续发展[7]，受加固荷载抑制后向纵深发展，引起深层滑面下切，导致原加固措施安全储备不足，诱发边坡进一步变形失稳。

3 锚固工程当前应力状态检测

边坡发生变形后，为了解在役加固工程的性能状况，分别按断面选择15根设计荷载500 kN、12根设计荷载400 kN锚索进行当前持有荷载检测，检测结果见图7、图8。

图7 设计荷载500 kN锚索持有荷载分布图Fig.7 Distribution of holding loads of anchor cable when design load is 500 kN

图8 设计荷载400 kN锚索持有荷载分布图Fig.8 Distribution of holding loads of anchor cable when design load is 400 kN

从锚索当前应力状态分布图可以看出，K167+382～K167+560段锚索设计荷载500 kN，少数孔荷载处于正常至超设计水平，大部分荷载处于不同程度损失状态，最大超值约121%，最大损失约90%；K167+560～K167+770段锚索设计荷载400 kN，基本呈两极分化，超设计荷载或荷载大幅损失，最大超值约120%，最大损失约90%。分析其原因，可归纳为3个方面。

(1)边坡岩土体饱水后，锚索孔周岩土体强度降低[8-10]，黏结剪应力降低，锚索荷载也随之降低。

(2)坡体地层岩性软，锚索张拉锁定后处于高应力状态，地层徐变量大，造成锚索回缩、荷载降低。

(3)边坡岩土体饱水后下滑荷载增大，抗滑荷载降低，稳定性也随之降低，边坡产生变形，锚索外锚头也随之产生位移并引起锚固荷载增大，呈现出渐进破坏特征：开始时少数锚索荷载超过极限能力发生破坏，再逐渐向周边发展，锚索破坏数量不断增加，直至边坡大规模滑动破坏。锚索最大超限能力大于121%，破坏后锚索持有荷载水平只有10%左右。

4 机理分析

4.1 变形机理

在大量收集、分析资料的基础上，经充分踏勘、专项补充勘察、检测试验及监测，参考国内外边坡失稳机理研究成果[11-14]，从坡体结构、加固效应和外因等方面，对该边坡的变形机理定性分析如下。

(1)内部损伤。该边坡在建设期因坡脚开挖后遭遇连续强降雨，导致支挡加固工程实施滞后，诱发边坡发生较大规模变形，在坡体内形成贯通软弱面，虽采取加固工程予以抑制，但在服役期间易受不利作用发生恶化。

(2)地形地貌。堑顶以上自然斜坡较缓，延伸长度近300 m，汇水面积较大；边坡范围分布有两道U形冲沟，沟底纵坡平缓。地表汇水在缓坡段流速减缓，大量渗入坡体，降低坡体稳定性。

(3)地层岩性。边坡地层岩性主要为第四系坡残积粉质黏土和下伏石炭系下统大塘阶测水组(C1dc)全～强风化富含高岭石泥质砂岩、炭质页岩，岩性极软，亲水性强，水解、水化、崩解作用强烈，属于煤系易滑地层。

(4)软弱结构面。岩层产状与边坡同向小角度斜交，为顺层边坡，并与顺坡向陡倾贯通节理面140°∠54°组合，易发生顺层滑动。

(5)水的作用。在连续降雨条件下，大量地表水下渗进入坡体，一是造成坡体地下水位快速升高，坡体静水压力快速增大；二是增加岩土体重度；三是强风化泥质砂岩、炭质页岩泡水后崩解、软化，强度显著降低。水的作用大幅削弱边坡稳定程度，是边坡变形失稳的主要诱因。

（二）多形式培养学生说的能力。语言是人类最重要的交际工具。素质教育中的语文教学就应充分重视说的训练。这种说的训练，是学生主动用自己的语言来表达自己思想的技能技巧的练。在课内，主要要求教师以说明理，引导学生懂得说是进行思想交流和感情沟通的最根本途径。教师要想方设法为学生营造说的环境。在课堂内进行叙述，说明等实践，充分锻炼学生说的能力。在课堂外经常举行小型故事会，演讲会，辩论会，诗歌朗诵会等以说为主的活动，培养学生快速思维能力，语言运用能力和思变能力等。

(6)工程加固效果弱化。该边坡在建设期发生较大规模变形并采取加固措施后，边坡稳定系数超过规范要求的1.20，但在营运期间，受连续降雨气候作用后，加固工程随服役环境变化产生弱化效应，表现为几个不利方面：一是地层软化，显著降低锚筋体和孔周地层的黏结摩擦力，导致锚固性能劣化，而且降低抗滑桩前岩土被动土压力，削弱抗滑桩抗滑能力；二是坡体加固工程改变地下水通道，尤其是排水孔堵塞后，迟滞地下水排泄，导致坡体地下水位抬升，滑带土长期饱水，引起滑面向下发展，滑坡规模增大；三是随着坡体下滑力增大、抗滑力减小，在薄弱区域加固措施首先被破坏，并逐渐向周边发展，引发边坡整体变形失稳。

综合分析，受不利地形、地质条件制约和加固工程服役性能下降的影响，在连续降雨引起的水的作用下，该边坡发生长约220 m、宽约150 m、平均厚约20 m、体积约50×104m3的滑动变形，属于牵引式大型滑坡。

4.2 稳定性计算

根据变形特征分析，边坡当前处于蠕动变形阶段，引起岩土体强度降低，考虑强度折减[15]，加固工程主体尚未破坏，考虑到滑面在地下水位线以下，以及加固荷载的差异性，为便于分析，将加固工程与岩土体看成复合岩土体，由此反算该复合岩土体的滑带土综合力学指标，并与室内试验指标比较，结合地区工程类比经验指标复核，最终确定该边坡各区段滑带土综合力学指标，由此计算各区段典型代表断面的剩余下滑力，见表3。

表3 边坡滑带土综合物理力学指标及剩余下滑力一览表Tab.3 List of comprehensive physical and mechanical indicators and residual sliding force of landslide zone soil

典型代表断面K167+575上部卸载后的剩余下滑力计算图见图9。

图9 K167+555断面剩余下滑力计算图Fig.9 Calculation diagram of residual sliding force on K167+555 section

5 处治技术

在深入研究分析边坡变形失稳机理的基础上，根据坡体地理环境和地质条件，变更处治措施针对地层强度饱水劣化、锚固段地层软弱、抗滑桩布加固深度不足以及坡面加固范围不够等问题，充分考虑最不利滑面深度、合理桩间距以及抗滑桩与锚索的协同作用等因素[16-18]，对边坡进行分段针对性加固处治设计。

(1)既有抗滑桩深度不足区段，采取桩前增设1排直径2 m的抗滑桩，桩长24 m。

(2)加固荷载不足区段，根据剩余下滑力大小分布设1～2排直径2 m的抗滑桩，部分区段还增设钢花管微型桩或预应力锚索。

(3)抗滑桩单桩设计荷载800 kN/m，锚索锚固荷载400 kN/孔，钢花管微型桩设计荷载100 kN/m。设计长度均按深切后的滑面并预留3～5 m发展趋势进行控制。

表4 边坡分段设计稳定性系数一览表Tab.4 List of stability factors for slope sectional design

具体分段处治措施见表5。

表5 边坡分段加固处治措施一览表Tab.5 List of slope sectional reinforcement measures

边坡处治完工至今已超过一年，各项监测数据正常，表明边坡变形病害得到有效治理。

6 结论

(1)软岩边坡加固工程在服役期间具有缓慢弱化效应，锚固性能逐渐降低，支挡抗力不断削弱，导致边坡加固能力越来越低。

(2)软岩边坡加固处治后，服役期间在水的作用下，稳定性降低，滑动面有向下发展趋势，下切深度可达2～5 m。

(3)软岩边坡锚固工程在边坡变形时具有渐进破坏特征，表现为先是少数锚索超限破坏，再逐渐发展为更多锚索超限破坏，直至边坡大规模滑动。锚索最大超限能力大于121%，破坏后锚索持有荷载水平只有10%左右。

(4)在役软岩边坡变形机理包括地质条件、大气降雨引起的水作用和加固工程弱化效应，其中地质条件是基础，水的作用是诱因，加固工程弱化效应是主要原因。

(5)在役软岩边坡变形病害应根据变形体规模，以支挡工程为主，结合上部合理刷方卸载与全边坡范围排水系统，锚固工程或注浆加固工程仅适用于局部加强。