含碎块石粉质黏土边坡变形特征及支护效果研究
2022-07-07许昕
许 昕
(中国土木工程集团有限公司,北京 100038)
0 引 言
我国公路、铁路等基础设施的建设近年来大幅递增,截至2020年,全国公路通车里程(不含在建)已超过500万km,而这些通行或在建的公路70%以上穿越的是山区丘陵地带,在此区域修建公路,需要面临公路边坡治理防护等问题。
国内外学者在此方面做了较为深入的探讨,张倬元等[1]调研了大量失稳边坡的工程案例后,提出了边坡失稳的6大经典模式;王庚荪[2]提出了岩土体边坡的失稳破坏过程不是一个瞬时的过程,而是一个时间较长的渐进过程;陈国庆等[3]将边坡变形的内在形成条件、发育环境、发展过程、滑动特征纳入考虑,概括出了3种边坡滑动破坏机理;毛彦龙等[4]将边坡变形的失稳破坏过程分为累进破坏、启程剧动、行程高速和堆积停滞四个阶段;吴江鹏等[5]以华安县大坑村滑坡在边坡开挖和大气降雨的因素影响下的变形特征,采用极限平衡法探讨了这一滑坡的变形破坏机理。总体来说,如何对不稳定边坡或欠稳定边坡进行有效防护措施的设计,是保证边坡长期稳定的关键。边坡的支挡防护措施可分为两大类:第一类是以减小边坡下滑力或消减下滑因素为主[6-8];第二类是以增加抗滑力为主[9,10]。但实际上,我国南方地区多见碎块石粉质黏土边坡,具有遇水软化、裂隙发达等不良工程地质特性,在叠加人类工程活动(如开挖)的扰动后,坡体抗剪强度迅速降低并严重影响边坡稳定性。但是对此类边坡防护的有意义的研究成果相对较少,所以需要深入研究此类边坡变形破坏特征以获得更为有效的支护方法。
本文以某隧道公路(里程K22+900—K23+320)即将穿越的魏家大院某不稳定边坡为例,分析该滑坡变形破坏特征;并耦合公路荷载作用,对拟采用的抗滑桩+锚索联合支护措施的支护效果运用有限元软件PLAXIS 3D进行分析。研究成果对该地区边坡防护设计具有重要的工程意义,也为以后其他的相关工程的处理提供有效的参考和借鉴。
1 工程地质条件
魏家大院不稳定边坡行政区划上属于四川省广元市利州城区,如图1所示,地理坐标为东经105°22′00″~106°10′22″,北纬32°17′20″~32°40′42″。
图1 研究区地形地貌图
滑坡区段广泛分布在第四系上更新统坡积层(dlQ3),基岩为侏罗系中统遂宁组(J2sn)泥质砂岩、泡砂岩、泥岩、砂岩不等厚互层,其中以泥岩为主。地层由老至新的顺序为:
①粉质黏土混碎块石层(dlQ3):可塑且中密,其中砾石含量为20%~80%,粒径为3~15 cm;分选性差。该层主要分布于山体斜坡表部,层厚为1.0~7.5 m。
②黏土层(dlQ3):由硬向软可塑渐变,该层主要分布于山体斜坡中下部及坡脚地面以下,层厚为5.4~16.2 m。
③侏罗系中统沙溪庙组基岩(J2s)泥岩:泥质结构,薄层~巨厚层构造。场地附近出露岩层调查显示,该处岩层产状为162°∠22°。顶板埋置深度较平坦。
2 滑坡形态及规模
滑坡段长约220 m,高约100 m,坡脚砌筑了高度为4~5 m的干砌块石挡墙。平面上呈半弧形,后缘及两侧边界拉张裂缝清晰、连贯,主滑方向同边坡坡向,坡脚线长约500 m,滑坡体地表坡度为15~25°,前缘稍缓、后缘渐陡。
目前变形主要发生在滑坡前缘,后缘存在数道裂缝,研究区内仅边坡体发生缓慢下滑,坡脚挡墙外移,坡脚外地面尚稳定,未见鼓起迹象,其主要变形表现形式为局部滑塌。根据各钻孔资料分析,其纵剖面上已发生滑塌以及潜在滑坡体基本呈长方形,最大厚度约为30 m,最小厚度约为3.5 m。基于整个滑坡体的地形地貌、边界条件及变形特征等情况,结合公路路线展布位置,将该斜坡体按最不利工况下划分为2个分区,其整体示意如图2所示。滑坡边界细节如图3所示。
图2 滑坡示意图
图3 滑坡边界情况
3 滑坡变形趋势及支护措施建议
滑坡区已滑部位现状极不稳定,正处于缓慢下滑之中,若遇连续的降雨后,将会加剧、加快已滑坡部位的变形破坏。
建议在滑坡体中部(公路边坡前缘)设置抗滑桩进行支挡,对路基上部蠕变体可采取锚索梁等工程处理措施。设置3种抗滑桩均采用现浇混凝土,混凝土密度为26 kN/m3,弹性模量为3×107kPa,泊松比为0.2。其中B型抗滑桩锚固长度为15 m,设计桩长为42 m,截面积为2×3 m2,水平间距为5 m;E型抗滑桩锚固长度为15 m,设计桩长为31 m,截面积为2.5×3.5 m2,水平间距为5 m;I型抗滑桩锚固长度为15 m,设计桩长为34 m,截面积为3×4 m2,水平间距为5 m。再增设锚杆,锚杆材料密度为26 kN/m3,弹性模量为3×107kPa,水平间距为5 m,垂直间距为3 m。倾角为25°,锚孔直接为130 mm,锚固段长度为8 m。支护措施如图4所示。
图4 滑坡支护措施示意图
4 支护措施效果简析
根据研究区情况,以8口勘察钻孔揭露地层为依托建立计算模型,该模型宽450 m(Y)、长700 m(X)、高200 m(Z),所建立的模型如图5所示。对X、Y方向设置水平向的约束,对Z方向的底部设置固定约束。整个边坡布设了3排抗滑桩,从下往上依次是B型抗滑桩、E型抗滑桩和I型抗滑桩,同时再增设锚杆。岩土体计算参数表1所示。
图5 数值模拟计算模型
表1 岩土体物理力学参数
计算结果同时考虑了未来拟建隧道公路的公路荷载,公路边坡采用分级填筑,添加线性荷载来模拟填筑,按设计最终荷载考虑为198 kN/m。如图6(a)所示,边坡的变形规律同抗滑桩支护结构下的变形规律一致。联合支护结构下,坡体最大水平位移仅为0.9 cm。同时,联合支护结构下的边坡不存在潜在滑动面,如图6(b)所示,可以判断边坡处于稳定状态。
图6 数值计算结果
基于有限元强度折减法计算得到该边坡的稳定性安全系数为1.32,边坡整体处于稳定状态。
5 结 论
(1)本研究区发生滑坡及塌滑区段广泛分布在第四系上更新统坡积层,其中,堆积体的主要成分为粉质黏土混碎块石、黏土和强风化石英砂岩。
(2)边坡变形主要发生在滑坡前缘,后缘存在数道裂缝,坡脚挡墙外移,坡脚外地面尚稳定。在经历较长时期的降雨后,滑坡体发展快速,产生了极其明显的下滑变形现象,并且坡脚的挡墙亦出现了侧向变形、墙顶开裂现象。
(3)根据边坡变形破坏特征及未来隧道公路穿越形式,建议在滑坡体前缘设置抗滑桩进行支挡,设置3种类型抗滑桩均采用现浇混凝土并联合锚杆对边坡进行支护。
(4)联合支护后,坡体最大水平位移仅为0.9 cm。同时,联合支护结构下的边坡不存在潜在滑动面,稳定性安全系数为1.32,边坡整体处于稳定状态。