某公路桥梁堆积体滑坡稳定性分析及处治方案研究

陈云生,赵子鹏,李 林

(广西交通设计集团有限公司,广西 南宁 530029)

0 引言

在地形陡峭的山区,受地震、降雨、风化、人工开挖等因素影响往往会产生崩塌,崩塌后堆积于坡脚形成崩坡堆积体。崩坡堆积体因其结构松散、物质成分复杂、性质不均等特征,导致稳定性较差,工程建设碰到崩坡堆积体时易产生局部甚至整体失稳形成人工滑坡,会对工程建设造成较大的威胁。

对于堆积体滑坡的成因、稳定性及处治方案,国内已有部分研究:冯玉涛等[1]以国内某山区高速公路典型路段为研究对象,认为斜坡地貌、堆载、坡脚临空是堆积体滑坡的成因,提出了上部卸载、中部封水、下部固脚的综合处治措施;郭鹏辉等[2]以贵州某堆积体滑坡为案例,认为降雨是滑坡产生的主要原因,提出排水是堆积体滑坡处治的优选手段;魏刚等[3]以青藏高原康杨滑坡为实例,研究了堆积体滑坡的地质、地形成因及滑坡变形特征;王丰等[4]以京昆高速公路某堆积体滑坡为案例,认为岩土体内部连续黏土富集带、修建高速公路挖坡脚、降雨及地震作用是该滑坡产生复活的原因,经稳定性分析后采用抗滑桩对滑坡进行处治,处治后边坡处于稳定状态;陈云生等[5]以阳鹿高速公路K52滑坡为案例,认为堆积体、人工堆载、降雨、不利地形等是滑坡产生的主要原因,最终采用“卸载+反压+钢管群桩+防排水”的综合处治方案进行处治。

本文以某公路桥梁堆积体滑坡为研究对象,分析了该滑坡的地质、变形特征及成因机理,对其进行了稳定性分析,并提出了有针对性的处治方案。

1 工程概况

如图1所示,某预应力混凝土T梁高架大桥的左幅20#墩、右幅22#墩已完成桩基施工,墩柱已封顶,但承台突然出现开裂,墩柱出现倾斜变形,同时,地表也出现大量拉张、剪切及鼓胀裂缝。经勘察,该变形区分布有崩坡堆积体,桥梁建设过程中堆积体局部发生蠕动变形,形成滑坡,危及桥梁及施工安全,需及时处治。

图1 项目区地形图

2 滑坡特征

2.1 地形地貌特征

桥位区属构造剥蚀低山地貌与构造溶蚀峰丛洼地地貌的过渡地带,地形起伏变化大,相对高差近百米。桥位区自然坡度呈上陡下缓状,后缘灰岩裸露,坡度近垂直呈陡峭悬崖状,中部及前缘坡度相对平缓,后部高笋陡立的灰岩在构造、风化、水及重力的作用下沿不利结构面向临空面产生坠落式崩塌,在坡脚堆积形成扇形地貌。本文所述的滑坡发生在该扇形堆积体的中部,属堆积体滑坡。

2.2 地层特征

根据地调、钻探、物探可知,该区域地层主要由第四系崩坡堆积体、三叠系砂岩夹页岩及二叠系灰岩组成(图2)。崩坡堆积体呈深灰及杂色,成分以中风化灰岩孤石为主,孤石间夹有少量黏土或炭质泥岩,最大揭露厚度为39.90 m;三叠系砂岩夹页岩分布在山体中下部,强-中风化,青灰色,薄层状构造,节理裂隙较发育,岩体较破碎,局部充填石英岩脉,最大揭示厚度为37.30 m;二叠系灰岩分布在山体中上部,青灰、深灰色,隐晶质结构,中厚层状构造,节理裂隙较发育,充填方解石岩脉,岩质硬,岩溶发育。

图2 施工改变地形后实测滑坡地质横断面图

2.3 水文地质特征

桥位区汇水面积大,主要接受大气降水,在大到暴雨时可形成地表径流,从桥位区负地形集中冲刷排泄。地下水主要有第四系孔隙水、基岩裂隙水和岩溶水,受地表水补给,向低洼处以泉水或暗河形式排泄。勘察期间地下水贫乏,各钻孔均未见地下水。崩坡堆积体结构松散,为中-强透水层,黏土夹层为弱透水层;砂岩夹页岩为弱透水层;灰岩岩溶强发育,属强透水性。

2.4 构造特征

桥位区发育两条区域性断层。断层F1与桥梁大角度相交,切割二叠系地层(P);断层F2切割三叠系(T)与二叠系(P)地层,走向与桥梁近平行。受断层影响,桥位区岩体破碎,岩溶发育。桥位区岩层产状为212°∠58°,自然坡属切层顺层坡。

2.5 滑坡变形特征

桥墩变形区地表裂缝主要分布在滑坡后缘、中部及前缘的生活板房内。后缘拉张裂缝呈弧形,裂缝宽0.2～0.4 m,延伸长度为15～30 m,裂缝两侧下错台阶高度为0.1～0.5 m,裂缝面粗糙;滑坡中部可见拉裂缝,出现时间最早,呈弧形,裂缝宽0.2～0.5 m,延伸长度为20～50 m,为滑坡中裂缝最密集区域;鼓胀裂缝发育于滑坡前缘生活板房内,出现时间在中部裂缝之后,裂缝走向与滑坡滑动方向垂直,缝宽0.4～0.8 m,延伸长度为10～20 m,隆起最大高度约为0.5 m。

2.6 滑坡形态、规模及结构特征

滑坡位于山体斜坡地带,主滑动方向约200°～220°,与桥梁斜交。滑坡平面呈长条形,长约420 m,宽约150 m。根据钻探,该滑坡从横剖面上可分为A区和B区,对应存在两个滑面,滑面1及滑面2均呈上陡下缓状。滑带土主要为堆积体中的黏土,滑体为崩坡堆积体,后缘、中部滑床为中风化灰岩、强风化砂岩夹页岩,前缘滑床为堆积体。滑面平均埋深为16.6 m,滑体体积为95.0×104m3,属于中层大型堆积体滑坡。

2.7 滑坡成因及机理分析

(1)地质因素:该处存在不良地质崩坡堆积体,结构松散,不利于工程建设;项目区处于两断层交汇处,构造发育,且位于岩性交界带影响范围内,岩体破碎,岩溶发育;堆积体内部含软弱夹层黏土,为滑带的形成创造了有利的物质基础。

(2)人工因素:桥梁施工便道开挖及填筑改变了原始应力状态,使斜坡部分地段临空或堆载,改变了原地表水径流路径,大量地表水沿便道渗入堆积体内部,不利于斜坡稳定;滑坡中部堆载了桥梁建设的大量钢材、机械设备,增大了滑体A的下滑力。

(3)降雨因素:崩坡堆积体为中-强透水层,有利于地表水的下渗,堆积体中的软弱夹层黏土属弱透水层,水易在黏土中集中,软化黏土层,降低了黏土的力学参数,故降雨是滑坡产生的催化剂。

(4)机理分析:从裂缝出现的先后顺序可知,滑坡中部在不良地质、堆载、降雨、便道开挖的综合作用下出现拉张裂缝,裂缝逐步向坡脚贯通,使前缘生活板房出现鼓胀裂缝,故滑体A为推移式滑坡;滑体A变形后使滑体B临空,进一步牵引滑体B,最后出现最后缘的拉张裂缝,滑体B为牵引式滑坡。综上所述,该滑坡属前段推移后段牵引式综合滑坡。

3 稳定性分析

项目区地震基本烈度为Ⅵ度,依据《公路滑坡防治设计规范》(JTG/T 3334-2018),该工程无须考虑地震工况下的稳定性,故仅计算天然及暴雨工况下的稳定性,计算剖面采用施工扰动后的剖面(图1),采用的计算公式如下:

(1)

Ψi=cos(θi-θi+1)-sin(θi-θi+1)tgφi+1

(2)

Ri=Nitgφi+cili

(3)

式中:Ks——稳定系数;

Ψi——第i计算条块剩余下滑推力向第i+1计算条块的传递系数;

Ri——第i计算条块滑动面上的抗滑力(kN/m);

Ti——第i计算条块滑体在滑动面上的滑动分力(kN/m);

Ni——第i计算条块滑体在滑动面法线上的反力(kN/m);

θi——第i计算条块滑体的滑面与水平线夹角(°);

φi——第i计算条块滑动面上岩土体的内摩擦角标准值(°);

ci——第i计算条块滑动面上岩土体的粘聚力标准值(kPa);

li——第i计算条块滑动面长度(m)。

3.1 力学参数

综合工程地质类比、室内试验及反算成果,本滑坡计算所采用的参数如表1所示。

表1 岩土体物理力学参数表

3.2 计算结果

选取典型剖面(图2)进行计算,计算结果如表2所示。

表2 防护前滑坡稳定性计算结果表

由表2计算结果可知,滑面1在天然工况下处于稳定状态,在暴雨工况下处于欠稳定状态,不满足规范要求,需进行处治;滑面2在天然状态下安全储备不足,处于欠稳定状态,在暴雨工况下处于不稳定状态,需进行处治。

4 处治方案

根据滑坡的地质特征、变形特征、破坏机理及稳定性分析,推荐两种治理方案,具体如下:

方案一:卸载+锚固+防排水方案。该方案卸载滑坡后缘部分堆积体直至滑坡稳定,卸载后对边坡进行锚固确保边坡稳定,同时对滑坡区域的裂缝、开挖面进行防排水设计,该方案工程造价约为1 080万元。

方案二:抗滑桩+桥梁群桩+防排水方案。该方案在滑坡区的桥梁两侧分别设置两排抗滑桩,在滑坡前缘设置一排抗滑桩,桥梁桩基改用群桩,同时对滑坡区的裂缝进行封闭,完善地表防排水措施,工程造价约为1 450万元。

经比选,方案一相比方案二施工技术难度小,施工工期短,且造价相对方案二低,处治彻底,故采用方案一进行处治。处治设计典型横断面见图3。具体处治方案如下:

图3 滑坡处治典型横断面图

(1)清除滑坡中部的钢材、机械设备,减小下滑力。

(2)在高程为710 m处设置一外倾3%的宽平台,对滑坡后缘部分堆积体进行卸载,卸载坡率为1∶1.25,从下到上每10 m一级,每级边坡设置2 m宽的级间平台,平台内侧设置截水沟。

(3)卸载后桥梁内侧将形成56 m的高边坡,顶部三级边坡存在沿岩土分界面滑动的可能,采用锚索护面墙进行防护,锚索长度为25 m,预应力为450 kN;底部三级边坡岩性为中风化灰岩,局部破碎,结构面被泥质充填,存在楔形体小型掉块的可能,采用锚杆格梁进行防护,锚杆长度为12 m,锚固力为120 kN。

(4)全坡面采用挂网喷混凝土封闭,坡顶设置截水沟并往山脚引排,坡面设置急流槽。

(5)边坡要求逐级卸载、逐级防护。

按照以上方案处理后,滑坡的稳定性计算结果见表3。

表3 防护后滑坡稳定性计算结果表

由表3计算结果可知,处治后的滑面1、滑面2在天然工况和暴雨工况下均处于稳定状态,满足规范要求。

5 结语

(1)依托工程桥位区滑坡发育于崩坡堆积体中,滑带主要为堆积体中的黏土层,属中层大型堆积体滑坡。

(2)滑坡从剖面上可分为两个区及两个滑带,A区为推移式滑坡,B区为牵引式滑坡;A区先变形,B区后变形,属前段推移后段牵引式综合滑坡。

(3)滑面2在暴雨工况下处于失稳状态,在天然状态下处于欠稳定状态,滑面1在暴雨工况下处于欠稳定状态,需对滑坡进行处治。

(4)经采用“卸载+锚固+防排水”的方案进行综合处治后,本滑坡稳定性系数满足规范要求,处于稳定状态。