复杂条件下路堑边坡失稳变形机制分析和治理设计

王瑞春 王雪彤

（广州市市政工程设计研究总院有限公司，广东广州 510060）

0 引言

山区公路建设和运营经常遇到滑坡等地质灾害，需对滑坡机制进行分析并采取相应的治理措施。针对含软弱夹层斜坡稳定问题，任 超等[1]分析了重庆某砂岩顺层滑坡的地质成因及滑动机理，并采用抗滑桩结合预应力锚索作为主要抗滑支挡结构进行滑坡处治；方仁印等[2]通过对某山区高速公路顺层滑坡的成因分析，介绍了采取预应力锚索抗滑桩技术在滑坡中的成功应用；孙建国等[3]对某高速公路深路堑顺层边坡稳定性及其影响因素进行了较为全面的分析，提出了滑坡综合治理措施；陈观明[4]以杭深线某顺层路堑边坡为例，通过模拟分析顺层岩质边坡应力场、位移场及剪切区分布情况，研究了顺层岩质边坡的滑坡机理；傅旭东等[5]对含软弱夹层的岩体强度及破坏模式进行了理论和试验研究。关于存在多级滑面的滑坡治理问题，罗永忠等[6]以国道108 线广（元）南段某特大型滑坡为例，阐述滑坡体内多级滑面特征，分析该滑坡前期工程治理失败的原因，提出了综合防治措施； 杨建成等[7]提出一种新的局部强度折减法，可以求得多级边坡的潜在滑动面，通过算例验证了该方法的可行性；赵建国等[8]从工程地质和数值分析角度对某堆积体滑坡形成机制及稳定性展开了研究。

对于顺层边坡，如同时存在软弱夹层和多级滑面，则其失稳变形机制更为复杂，治理难度加大；一旦发生滑坡，经反压应急处理之后，如何利用反压体实施永久防护，也需反复进行技术经济比选，考虑周密。同时具备上述复杂条件的路堑边坡滑坡治理方面的研究和工程实例较少。此外，以往滑坡治理采用的抗滑桩大多是矩形桩，圆形抗滑桩由于受水平力性能较差、配筋计算复杂、桩后土拱效应差、技术指标不经济等缺点，应用得较少。但机械成孔圆形抗滑桩施工也有安全、快速、污染小等优点，在特定条件下适合采用，国内学者对此也进行了相关研究[9-13]。本文以广州某高速公路滑坡病害治理为研究对象，分析其失稳变形机制，结合场地制约因素提出了合理可行的治理方案，可为类似的工程提供参考。

1 工程概况

广州市花都区某双向六车道高速公路K10+710-K10+790 为路堑段，紧邻广佛环线城际铁路。长约150 m，最大坡高 34 m。原设计为三级放坡，每级坡高10 m，坡率均为 1∶1.25，一级坡采用挂网喷射砼防护，二级坡采用人字形骨架+喷播植草防护，三级坡采用喷播植草防护，分级平台宽 2 m。该边坡于2019 年11 月完成施工。

1.1 地形地貌和地质构造

本边坡所在区域属丘陵地貌，位于飞来岭东北侧斜坡，后侧分水岭标高122 m。由坡残积土和强风化岩构成，属土质边坡和Ⅳ类岩质边坡。坡体植被茂密，生长乔木、灌木、杂草等，坡度约10°～30°，总体倾向15°～ 16°。

边坡位于粤中增城隆起区西侧，北东向、北西向和东西向区域性断裂构成区内构造主体格架。根据区域地质资料和钻孔揭露，边坡所在区域无断裂经过。距离本区域较近的断裂为西北部约0.5 km 的广从断裂，及东南部约1.7 km 的次生断裂龙陂断裂，对本边坡无影响。

1.2 地层岩性

边坡岩土层按地质年代、成因类型自上而下可划分为坡积土层（Qdl，层号1）、残积土层（Qel，层号2）、下白垩统白鹤洞组（K1b，层号3）三大部分，与滑坡有关各岩土层的分布和特征分述如下：

（1）粉质黏土（Qdl）：土黄色，可塑-硬塑状，主要由粉黏粒构成。分布于边坡表层，层顶埋深为0.00 m，厚度2.10～3.40 m。

（2）粉质黏土（Qel）：褐黄、紫红、灰白色，稍湿，硬塑状，黏性一般，遇水易软化崩解，为泥质粉砂岩残积土。本层分布于边坡顶部，层顶埋深为0.00～3.40 m，厚度1.70～3.00 m。

（3）全风化岩带（K1b，3-1）：岩性为泥质粉砂岩，紫红色，岩石风化强烈，呈坚硬土状，遇水易软化崩解。层顶埋深0.00～6.40 m，层厚2.50～3.80 m。

（4）强风化岩带（K1b，3-2）：岩性包括砾岩和泥质粉砂岩，褐黄、灰褐、紫红色，风化较强烈，强风化砾岩多呈土夹碎块状、碎块状；泥质粉砂岩多呈半岩半土状、少量短岩柱状，土状遇水较易软化崩解，产状近水平。层顶埋深为0.00～10.20 m，厚度1.00～20.30 m，其中泥质粉砂岩层厚0.70～1.50 m。

（5）中等风化岩带（K1b，3-3）：岩性主要为砾岩，部分为泥质粉砂岩。砾岩岩芯呈青灰、褐黄色，泥质粉砂岩岩芯呈紫红色，岩体基本质量等级为Ⅳ类。揭露 层 顶 埋 深 为 6.70～25.20 m， 揭 露 厚 度 为3.90～29.00 m。

（6）微风化岩带（K1b，3-4）：岩性主要为泥质粉砂岩，紫红色，岩质较软，岩石较完整，岩体基本质量等级为Ⅳ类。揭露层顶埋深为10.60～43.70 m，揭露厚度为1.90～9.80 m。

1.3 气象和水文地质条件

（1）气象

本区域位于北回归线以南，属南亚热带季风气候区。每年的4 月-9 月为本区的雨季，强降雨或连续降雨对边坡的稳定性造成不利影响。

（2）水文地质条件

本区域位于丘陵斜坡中，区内地表水系不发育，现场调查未见湿地及泉水，但降雨会形成短时坡面流水。第四系孔隙水不发育，富水性贫乏，补给来源主要为大气降水。雨水形成的坡面流对坡体存在渗透、冲刷作用，构成坡体的强风化岩多呈土夹碎块状、碎块状，岩石破碎，裂隙发育，有利于雨水下渗，对边坡的稳定性存在不利影响。

基岩裂隙水补给来源主要为大气降水补给，并向坡脚排泄。由于本区地形起伏较大，排泄条件较好，径流途径和循环途径均较短。

地下水位埋深为2.20～38.20 m。枯水期边坡稳定地下水位低于人工边坡坡脚，但降雨期间（特别是连续强降雨）雨水可通过坡面流下渗至坡面以下约3 m形成短时水位。根据区域水文地质资料进行分析，勘察区地下水位动态变化约3～10 m。

1.4 地震

根据钻探揭露和《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）（2016 年版），勘察区建筑场地类别为II 类，抗震设防烈度为7 度，设计基本地震加速度值为0.10g，设计地震分组为第一组，地震动反映谱特征周期0.35 s。本区属低震级地震多发区，地震基本烈度Ⅶ度区，区域地壳稳定性属基本稳定。

2 滑坡变形过程、特征和原因分析

2.1 滑坡变形过程

2020 年 5 月 22 日，现场巡查发现K10+710 附近右侧边沟局部坍塌。6 月 8 日，K10+740-K10+760 右侧边沟沟壁发生倾斜，碎落台出现裂缝，堑顶线外侧约4 m 处发现较长裂缝，连夜对碎落台裂缝进行砂浆封闭，对坡顶裂缝进行黏土回填压实后采用彩条布覆盖。6 月 9 日下午，K10+740-K10+760 右侧边坡坡脚水沟发生坍塌，立即疏通坡脚排水沟，并采用塑料布对坡脚覆盖。6 月 10 日，参建单位联合对边坡进行现场巡查，在坡顶外约 40 m 位置发现长大裂缝，决定立即对 K10+720-K10+820 边坡坡脚采用碎石进行反压，根据常规经验，反压体宽 7 m、高4 m，当天完成施工。随后开展补勘和监测工作，在约2 个月的监测期内，测得边坡深层位移最大值为13 mm，后不再发展。

2.2 滑坡调查和变形特征分析

滑坡平面示意见图1。

图1 滑坡平面示意图

滑坡体位于道路南侧，主滑方向约为NE15°，滑坡主轴长约85 m，最大宽度约80 m。因变形轻微，滑坡周界不清晰，平面形态大致为圈椅状。小桩号一侧为广清城际铁路，大桩号一侧为冲沟（见图1）。

滑坡前缘位于坡脚排水沟位置，沟壁已局部倒塌，路肩未发生隆起，坡脚以上3～5 m 高度范围坡面钢筋网砼护面发生轻微鼓起，坡面多处出现张拉裂缝，具体描述见表1。前缘剪出口和裂缝情况见图2-图4。

图2 滑坡后缘裂缝L2

图3 一级平台裂缝L4

图4 边沟处滑坡前缘剪出口

表1 裂缝调查情况一览表

经坡脚反压，变形基本不再发展，立即对滑坡范围进行补勘。沿主滑方向布置一条勘探断面共计四个钻孔（编号为ZK1-ZK4，其中一个是既有钻孔）；沿一级平台布置一条勘探断面共计三个钻孔（编号为ZK5、ZK3、ZK6）。随后利用钻孔ZK1-ZK3 进行深层水平位移监测，每个孔设置8 个固定式测斜仪。监测结果表明，从6 月27 日至8 月25 日，1#孔位移突变处埋深约4 m，最大水平位移13 mm；2#孔位移突变处埋深21 m，最大水平位移12 mm；3#孔位移无明显突变，深度0～6 m 水平位移3 mm，深度6～10 m 水平位移1～2 mm。

结合地表裂缝分布情况、勘察和深孔位移监测结果，可以推断：本滑坡存在多层滑面，浅、中层滑面可视为圆弧形，深层滑面大致为折线形；剪出口集中于坡脚位置。浅层滑面埋深约3～6 m，中层滑面埋深约12～17 m；深层滑面位移最大，最大埋深约23 m，应按此滑面进行抗滑支挡计算。滑坡体积约1.2×105m3，为中型厚层滑坡。滑体主要由坡残积土和强风化砾岩组成。典型地质剖面和推断滑面分布情况见图5。

图5 典型地质剖面图

治理施工过程中，在一级坡锚索孔钻进约20 m时（相当于上述中层滑面位置），发现该处土体含水量高，近似软泥，导致钻进困难，可知该处为一滑面，符合上述判断。

2.3 失稳变形机制分析

2.3.1 地形地貌因素

边坡地貌单元为低山丘陵，南高北低，坡度较缓，约为10°～30°，倾向与道路走向大致垂直，该坡度易产生牵引式滑坡。坡顶植被茂密，强降雨时，地表雨水吸收量大，不利于坡体稳定。

2.3.2 地层岩土体因素

坡体上部覆盖层为粉质黏土和强风化砾岩。这两种土体结构松散，易透水。滑床为中等风化砾岩，深层滑面呈折线形。滑床前部，强风化砾岩与中等风化砾岩层面发育有一层水平状的半岩半土状泥质粉砂岩，层厚0.70～1.50 m，该层遇水易软化崩解，成为软弱夹层。滑床后部，中等风化砾岩层面倾向15°～16°，与道路走向大致垂直，倾角约34°～39°，为顺倾层面，当外部条件合适时，易发展成为滑面。

2.3.3 水文地质因素

上覆粉质黏土和强风化砾岩易透水，而中等风化砾岩不透水，在强降雨作用下，雨水迅速下渗，沿着中等风化砾岩层面汇聚于坡体下部；由于一级坡采用了喷射砼护面，加上泄水管排水效果有限，地下水无法及时排出，导致地下水位迅速上升，孔隙水压力增大的同时，坡脚部位发生软化，不利于边坡稳定。

土体含水量增加，重度增大，抗剪强度减低，而且雨水下渗产生的动水压力会增大下滑力，于是边坡稳定系数不断下降，边坡便会发生失稳迹象，继续发展便会产生滑坡。

2.3.4 工程建设因素

高速公路从北侧坡脚通过，最大开挖宽度70 m，最大开挖高度34 m。路基开挖之后，抗滑段减小，边坡稳定性降低；同时，临空面的存在，使潜在滑面下移和后移，与前述几个因素结合，当条件合适时，触发抗剪强度最薄弱面，从而导致边坡变形失稳。

根据上述分析，可知本滑坡为牵引式滑坡。滑坡前部先产生变形，中后部滑体失去支撑，同时受到牵引，跟随滑动，从而出现多层滑面。

3 滑坡稳定性判别和计算参数

3.1 稳定性判别

根据《公路滑坡防治设计规范》（JTG/T 3334-2018）第5.1.5 条，结合滑坡形态特征，判定路堑边坡在暴雨工况下，边坡不稳定，稳定系数约为0.98～1.0；坡脚实施反压之后，边坡处于欠稳定状态，稳定系数约为1.01～1.02。碎石反压体可提供的抗滑力约250 kN。

根据《公路滑坡防治设计规范》（JTG/T 3334-2018）第5.2.3 条，取正常工况安全系数为1.25、暴雨工况安全系数为1.15，进行滑坡治理设计。根据《公路工程抗震规范》（JTG B02-2013）第8.2.1 条，不作抗震稳定性验算。

根据补勘成果，结合暴雨工况下反压前后边坡稳定性判别，反算抗剪强度参数，确定岩土体参数。

3.2 计算参数

结合土工试验、反算和本地经验，确定边坡岩土体主要物理力学参数（见表2）。

表2 岩土体主要物理力学参数

4 滑坡治理计算与分析

（1）由于征地困难，无法采用放缓坡的方式，考虑采取抗滑桩、锚索框架等坡体加固方案。

（2）为了降低施工措施费用，应充分利用现有的碎石反压体作为施工作业平台，抗滑桩桩顶宜设在反压体顶面附近，即坡高5 m 的位置。

（3）由于悬臂段长度只有5 m 左右，为了防止滑坡越顶，需在坡体中上部设置预应力锚索，在消减部分下滑力的同时，可有效阻止中浅层滑面的产生。

由于该滑坡条件复杂，采用极限平衡法（传递系数法）和有限元法两种方法分别进行计算分析，求解剩余下滑力和稳定系数，验证对于滑面位置的判断是否合理，并计算边坡土体、支护结构的内力和变形，分析边坡加固效果。

4.1 极限平衡法

采用《公路滑坡防治设计规范》（JTG/T 3334-2018）第5.4.9 条公式计算剩余下滑力：

确定滑坡治理方案时，考虑以下制约因素：

式中：Ti、Ti-1分别为第i和第i-1 滑块剩余下滑力，kN/m；Wi、Wi-1分别为第i和第i-1 滑块自重，kN/m；αi、αi-1分别为第i和第i-1 滑块对应滑面的倾角，（°）；φi为第i滑块滑面内摩擦角，（°）；ci为第i滑块滑面黏聚力，kN/m2；Li为第i滑块滑面长度，m；ψi为传递系数；Fs为稳定（安全）系数。

在一级坡高度5 m 处拟设置抗滑桩，在桩顶以上设置预应力锚索框架梁，锚索共5 道，横、竖向间距均为3 m。计算在有锚索和无锚索两种条件下拟设抗滑桩处的剩余下滑力。

根据马克思的观点，生产资料所有制是划分人类社会发展阶段的根本标志。随着生产力的提高，人类社会从原始社会到社会主义社会经历了从无阶级到有阶级再到无阶级以及生产资料公有、私有再到公有的循环过程。与此类似，人与水的关系亦经历从和谐到矛盾再到和谐的过程。其中，社会水生产力水平是决定人水关系发展阶段的关键。

暴雨工况1 表示坡脚实施反压的欠稳定状态，暴雨工况2 为稳定状态。计算结果见表3。

表3 下滑力计算

可见，安全系数取1.15 时，设置5 道锚索可提供约43%的抗滑力，作用在抗滑桩上的剩余下滑力约627 kN。选取抗滑桩桩径2.2 m、间距4 m、长15 m、悬臂长度5 m，桩身砼采用C30，桩顶位移计算值为48 mm，满足规范要求。

4.2 数值模拟

4.2.1 建立模型

采用MIDAS SOILWORKS 软件进行二维有限元建模和计算。边坡稳定分析采用强度折减法（SRM），求取最不利滑动面和安全系数；采用静力非线性分析求取边坡土体和支护结构内力和变形。

边坡高度为67 m，宽度为95.35 m。岩土体采用摩尔-库仑本构模型，根据不同岩土层划分网格，并赋予相应的地基特性。岩土层参数取值见表2。水位线设置同极限平衡法，充分模拟降雨对边坡稳定性的影响。抗滑桩采用梁单元，锚索采用植入式桁架结构，采用抗拉强度标准值为1860 MPa 的高强、低松弛的预应力钢绞线。假定锚索与抗滑桩均在弹性状态下工作。设置边界条件时，底面为固定约束，侧面约束法向位移，顶面为自由边界。

加固前后边坡二维模型网格图分别见图6、图7。

图6 加固前边坡计算模型

图7 加固后边坡计算模型

4.2.2 计算结果分析

未加固时，在暴雨工况下边坡的总位移云图见图8，塑性剪切应变云图见图9。

图8 加固前边坡总位移云图

图9 加固前边坡塑性剪切应变云图

采取加固措施之后，边坡塑性剪切应变和最大剪切应变云图见图10、图11。从图中可看出，与未加固相比，滑带的塑性剪切应变大为减小，最大塑性剪切应变减小了约18%；最大剪切应变集中于滑面中后部最上层锚索锚固段附近，但最大值约为0.1～0.3，变形轻微，说明抗滑桩加锚索加固措施发挥了明显作用。

图10 加固后边坡塑性剪切应变云图

图11 加固后边坡最大剪切应变云图

加固后边坡水平位移和竖向位移云图见图12、图13。从图中可看出，抗滑桩桩顶水平位移计算值为70 mm，稍大于传递系数法计算结果，但满足规范位移允许值。滑坡后缘位置水平位移为50～70 mm，竖向位移为30～50 mm。这说明，由于滑体前部设置了支挡结构，可以对滑体位移进行有效约束；由于建筑红线限制，滑体后部未采取支挡措施，所以暴雨工况下位移稍大，可通过完善截排水设计，快速疏排雨水，避免由于土体饱和导致边坡失稳状况发生。

图12 加固后边坡水平位移云图

图13 加固后边坡竖向位移云图

5 滑坡治理设计和施工

根据上述计算分析，确定采取以下治理措施（治理剖面见图14）：

图14 滑坡治理设计横断面示意图

（1）在一、二、三级边坡设置预应力锚索框架梁。锚索一共5 道，150 束；锚固岩层为中等风化砾岩，长32～43 m，锚固段长度8 m，横向和竖向间距均为3 m，设计抗拔力400 kN，锁定值320 kN。钻孔过程中，由于穿越滑面钻进困难，采用钢套管跟进；采用二次注浆工艺。

（2）出于高速公路保通需要，且边坡处于欠稳定状态，须加快施工进度，结合场地施工条件，抗滑桩采用旋挖灌注桩，干作业成孔。

（3）锚索张拉完毕后，为便于旋挖钻机施工，将碎石反压平台降低2.5 m，并从一级坡高度为5 m 处，垂直开挖边坡2.5 m，加宽平台至13 m，硬化平台表面。

（4）临时边坡采用土钉加钢筋网喷射砼防护。土钉设置两道，分别长2 m 和6 m，喷射砼厚10 cm。

（5）从中间往两侧施工抗滑桩，嵌入中等风化岩层4 m，共19 根。抗滑桩采用不均匀配筋形式，根据《滑坡防治设计规范》（GB/T 38509-2020）第10.3.1.7-第10.3.1.10 条进行配筋计算。受拉钢筋圆心角120°，受压钢筋圆心角65°，矩形截面相对界限受压区高度ξb为0.53。计算下滑力产生的弯矩设计值为18733 MPa，受拉区选用ϕ32 钢筋3 根1 束，共15 束；受压区选用ϕ32 钢筋11 根，其他区域设置ϕ32 构造钢筋16 根（见图15）。

图15 抗滑桩不均匀配筋横剖面图

（6）挡土板通过植筋在外侧与抗滑桩相接，先施工平台以上2.5 m 高度的挡土板。出于操作空间需要，临时坡面与抗滑桩之间有约50 cm 的空隙，采用C20 砼回填密实，使抗滑桩得以充分发挥作用，且可避免锚索承受过大拉力。然后施工冠梁，高度140 cm。

（7）拆除反压平台，清除桩前土，施工下部挡土板。

（8）修复排水沟和截水沟。在桩顶位置增设一排泄水孔，长40 m，间距6 m。采用黏土封闭坡顶裂缝。

目前该滑坡治理工程已竣工半年，完工照片见图16。根据施工和运营期间深部水平位移监测数据（见图17-图19），1#和2#孔的水平位移几乎没有发生变化，只有3#孔在竣工时累计有8 mm 的水平位移，竣工后无变化，推算桩顶位移约40 mm，小于计算值。可知边坡支护体系安全，治理措施经济合理，达到预期目标。

图16 滑坡治理竣工图

图17 1#孔深层水平位移历时曲线

图18 2#孔深层水平位移时程曲线

图19 3#孔深层水平位移时程曲线

6 结论

（1）边坡地层存在层面接近于水平的半岩半土状强风化泥质粉砂岩，遇水极易软化，为一潜在的软弱结构面；滑体大部分为强风化砾岩，透水性较强，滑床为中等风化砾岩，不透水；一级坡面采用喷射砼防护，排水不畅，在强降雨作用下，雨水迅速下渗，汇聚于坡体前部，坡脚软化；土体饱和之后，重度增加，抗剪强度下降，加上坡体前部开挖削减了抗滑力，导致稳定系数降低；几个因素叠加，造成了牵引式滑坡的发生。

（2）坡脚反压是滑坡在蠕变、挤压或微滑阶段一个有效的应急处理措施。在进行稳定性计算时，可根据反压体提供的抗滑力校核滑面的抗剪强度参数取值是否合理。在进行永久治理施工时，可利用反压体搭设支架、安装设备和施工抗滑桩，以节省措施费用、提高治理方案的可行性。

（3）在无法削坡减载时，锚索、抗滑桩单独或联合使用是滑坡治理的常用方法。对于存在多级、多层滑面的情况下，宜联合使用，防止产生中浅层滑面越顶。

（4）圆形抗滑桩采用旋挖钻施工，速度快，安全性高，可采用在外侧植筋的方式设置挡土板。建议采用不均匀配筋，经济合理。