川东城市道路某顺层高边坡处置方案比选分析

文琪鑫, 吴 强, 毛金龙, 吴 行, 李松林

(中国建筑西南设计研究院有限公司,四川成都 610041)

[通信作者]吴强(1978—),男,本科,高级工程师,主要从事道路桥梁工程方面工作。

0 引言

近年来,随着城市规模的不断扩大,为给已建城市带来新的活力,紧邻老城区建设新城区已成为一种趋势,过去城市的建设往往选在地势较为平缓的区域,但平缓区域总是有限的,山岭重丘区建设新城必然会遇到复杂的地形地质条件[1],将给设计和施工带来极大的挑战。本文从设计的角度出发,依托川东城市道路某顺层高边坡的分析,对砂泥岩互层的顺层高边坡设计理念进行探讨。

1 工程概况

1.1 道路概况

川东某城市道路自北向南,起点与某规划道路相交,终点与现状环城路相交,道路全长2 592.805 m,道路等级为城市支路,设计车速为30 km/h,红线宽度为20 m,双向4车道。受现状道路平面和高程限制,K1+650～K1+950段需开挖现状山体坡脚,若按顺层坡率开挖,将形成约90 m高顺层边坡(含坡顶自然边坡高度),在保证山体稳定和道路安全的情况下,尽量减少对原地貌的破坏,需对该段高边坡进行专项支护设计。

1.2 研究区地质概况

拟建道路所处地貌类型主要为丘陵和沟谷地貌,区内地势起伏,丘谷相间,山体坡度变化较大,陡缓不均,顶部基岩多直接裸露。拟建场地位于川东褶皱带华蓥山穹褶束的达县—大竹向斜西翼,构造线延向N15°～20°E,无大断裂构造通过。出露侏罗系中统上沙溪庙组紫红色粉砂质泥岩、灰色砂岩,呈互层状产出。岩层产状100～130°∠18～28°。

研究区地层岩性主要有:侏罗系中统上沙溪庙组砂岩、粉砂质泥岩。现将各岩层工程地质基本特征分述。

(1)粉砂质泥岩(J2s):紫红色—紫褐色,泥质结构,薄层—厚层状构造,主要矿物成分为黏土矿物,含钙质结核,局部夹灰色砂岩条带和团块,构造裂隙不发育。在钻探深度范围内按风化程度可分为强风化、中风化和微风化3个亚层。

(2)砂岩(J2s):浅灰色,细粒结构,中厚—厚层状,主要成份为长石、石英等,部分夹杂一些泥质成分,节理裂隙不发育。在钻探深度范围内按风化程度可分为强风化、中风化和微风化3个亚层。

2 原状边坡情况

通过地表工程地质测绘及调查,挖方区斜坡岩土体稳定,在斜坡后缘和斜坡体上未出现变形迹象,斜坡现状稳定,斜坡自然坡面倾斜角度与岩层产状角度相近。从上至下岩土层依次为:强风化砂岩、中风化砂岩、微风化砂岩、微风化粉砂质泥岩、微风化砂岩。砂岩和泥岩的产状均为120°∠22°,岩层的视倾角为21°58'22'',岩层走向(SW210°)几乎和道路走向(SW217°)一致。边坡从道路中线绵延至山顶水平距离最大约280 m,竖向高差最大约90 m,天然边坡主要坡率为1∶3～1∶8,局部坡率为1∶0.33～1∶1.2。道路设计高程位于砂岩和泥岩的交界面处,边坡竖向和横向跨越砂岩泥岩的不同风化层及砂泥岩互层界面(图1)。

3 开挖边坡稳定性分析

3.1 潜在失稳特征

为便于研究,对该段道路高边坡按常规岩质边坡开挖方式进行潜在失稳特征分析,即按1∶1的坡率进行放坡,每级坡高8 m,每级设2 m宽坡中平台,每3级设5 m宽坡中平台。边坡倾向127°,岩层倾向120°,两者基本一致,属于典型的顺层边坡;再者边坡坡角45°,岩层视倾角21.97°,岩层视倾角小于边坡坡角,即岩层具备从临空坡面剪出的风险,属不利组合。一般层面倾角在15°～30°之间时,发生沿层面的顺层滑坡概率较高[2],边坡岩体可能发生大规模的滑动(图2)。

图2 边坡赤平投影

该段边坡还存在2组节理裂隙,节理裂隙结构面L1倾向与边坡倾向切向相交,为有利结构面;节理裂隙结构面L2倾向坡内,为有利结构面;LI和L2结构面的组合面倾向坡内,属有利结构面。故此段边坡存在的潜在失稳特征为沿层面发生顺层滑动失稳破坏。

3.2 计算工况与评价标准

3.2.1 计算工况

采用CJJ194-2013《城市道路路基设计规范》[3]中挖方路基边坡稳定计算的工况,因该区域的地震基本烈度为Ⅵ度,不进行抗震验算,故选用正常工况和非正常工况Ⅰ对边坡进行稳定分析:①正常工况:边坡处于天然状态下的工况;②非正常工况Ⅰ:边坡处于暴雨或连续降雨状态下的工况。

3.2.2 边坡稳定性判别

稳定性判别标准见表1。

表1 稳定性判别标准

本项目道路等级为城市支路,设计稳定安全系数取值为:正常工况安全系数Fs=1.20;非正常工况Ⅰ安全系数Fs=1.10。

3.3 计算参数确定

边坡地层主要为砂岩和粉砂质泥岩,粉砂质泥岩和砂岩容重差别较小,计算时容重取两者中较大的砂质泥岩,根据地区经验,由砂岩和粉砂质泥岩构成的顺层边坡的一般的破坏形式为沿结构面滑动,本边坡滑动面一般为层面,粉砂质泥岩和砂岩层面的抗剪强度指标采用地勘建议值,如表2所示。

表2 层间结构面抗剪强度指标

3.4 计算与方案分析

从图1原始边坡可以看出,边坡的潜在滑动面为砂岩内部层面、砂质泥岩内部层面和砂质泥岩与砂岩接触面,结合滑动面的形态,根据GB 50330—2013《建筑边坡工程技术规范》[4],该边坡采用平面滑动面的边坡稳定性计算方法进行计算:

(1)

R=[(G+Gb)cosθ-Qsinθ-Vsinθ-U]tanφ+cL

(2)

T=(G+Gb)sinθ+Qcosθ+Vcosθ

(3)

式中:T为滑体单位宽度重力及其他外力引起的下滑力(kN/m);R为滑体单位宽度重力及其他外力引起的抗滑力(kN/m);c为滑面的粘聚力(kPa);φ为滑面的内摩擦角(°);L为滑面长度(m);G为滑体单位宽度自重(kN/m);Gb为滑体单位宽度竖向附加荷载(kN/m);θ为滑面倾角(°);U为滑面单位宽度总水压力(kN/m);V为后缘陡倾裂隙面上的单位宽度总水压力(kN/m);Q为滑体单位宽度水平荷载(kN/m)。

本项目边坡为地块边界边坡,属于绿化用地,计算时考虑坡顶附加荷载10 kN;边坡岩体裂隙不发育,滑体后缘无陡倾裂隙面,计算时可不考虑滑面和裂隙面的水压力;上述不考虑地震作用,即计算时不考虑水平荷载。选取对该段边坡稳定起控制作用的剖面CX24和CX26进行计算(表3、表4、图3、图4)。

表3 CX24正常工况剩余下滑力(坡率1∶1)

图3 剖面CX24放坡开挖断面

图4 剖面CX26放坡开挖断面

为尽量减少对现状自然边坡的扰动破坏,首先按前述边坡开挖方式进行计算分析,即采用坡率1∶1,每级坡高8 m,每3级设5 m宽坡中平台,其余坡中平台宽2 m。经过计算,最危险滑面位于泥岩内部和砂岩泥岩界面处,最大的剩余下滑力为19 254 kN/m,计算结果见表3、表4。

因坡率1∶1计算出最大的剩余下滑力为19 254 kN/m,为进一步减少剩余下滑力,将第三级坡以上坡率调整为1∶1.5,其余坡率及坡中平台宽度与上一组计算保持一致,按同样的计算办法进行计算,最危险滑面位于泥岩内部和砂岩泥岩界面处,最大的剩余下滑力为16 234 kN/m。

按同样的计算办法对CX26进行计算,采用坡率1∶1时,最危险滑面位于泥岩内部和砂岩泥岩界面处,最大的剩余下滑力为52 kN/m;采用坡率1∶1～1∶1.5时,最危险滑面位于泥岩内部和砂岩泥岩界面处,最大的剩余下滑力为0 kN/m。

通过以上计算,剖面CX24的坡率由1∶1变至1∶1.5,剩余下滑力减少约16%,通过放缓坡率对减少剩余下滑力的作用不佳;剖面CX26的坡率由1∶1变至1∶1.5,剩余下滑力减少100%,通过放缓坡率对减少剩余下滑力的作用明显。

对剖面C24和CX26的岩层分析,不难发现,此类地质中泥岩夹层所处的位置对边坡的稳定性是起控制性作用的。剖面CX24的泥岩夹层从坡脚处一直延伸至坡顶,坡率由1∶1变至1∶1.5后,泥岩夹层未受影响,仅砂岩自重减少,故放缓坡率后剩余下滑力变化率较小。剖面CX26的泥岩夹层从第三级坡中处一直延伸至坡顶,坡率由1∶1变至1∶1.5后,泥岩夹层以上的滑体自重减少,且该剖面影响范围内的山体不高,总下滑力较少,故放缓坡率后剩余下滑力变化率较大。

4 边坡治理方案设计和比选

(1)方案一:综合剖面CX24和剖面CX26的计算结果,该段边坡最大剩余下滑力约为19 254 kN/m,采用多排多级大直径抗滑桩进行刚性支护支护,最不利下滑面埋置深度较深,抗滑桩桩长达30～50 m。

优点:维持原有规划高程。缺点:造价高、风险大、施工难度大、周期长、后期运营风险大。

(2)方案二:采用沿岩层视倾角顺层放坡的方式进行开挖支护,将形成高达10级的边坡,高达90 m,平面延伸长度约270 m。

优点:维持原有规划高程。缺点:开挖量和防护量偏大,并不经济,同时对整个山体造成较大的生态破坏,后期维护成本高,不利于城市的绿色健康发展。

(3)方案三:从剩余下滑力计算可知,该顺层边坡在砂泥岩界面最易滑动,在砂岩内部最不易滑动;对比方案一、二的优缺点,结合公路高边坡的设计思路,对CX24处的线路高程进行调整,使得其所处位置道路高程高于砂泥岩界面不小于5 m,即使最不利剖面CX24位于稳定的砂岩内;同时,由于路线高程的提高和地质界面高度变化,原剖面CX26将位于砂泥岩界面处。现对线路高程提高后的剖面CX24和剖面CX26进行剩余下滑力计算。

剖面CX24道路高程提高后,将全部位于稳定砂岩中,经计算,在1∶1坡率下,剖面CX24剩余下滑力为0 kN/m,采用坡率1∶1放坡+锚杆框格梁进行支护是可行的,能够将边坡总体高度降低;鉴于道路高程提高后,剖面CX26处于不利层面上,现对剖面CX26在1∶1坡率下进行剩余下滑力计算,计算结果见表5、表6。按坡率1∶1放坡,剖面CX26最大剩余下滑力为2 126 kN/m,仅采用锚杆框格梁支护无法抵抗其下滑力,需采用大直径抗滑桩支护才可行。若采用抗滑桩支护剖面CX26,将使整个坡面支护措施不连续,界面存在突变,景观性差。为达到整个坡面支护措施连贯性、景观的一致性,对有限坡长总体高度不高的剖面CX26最上一级边坡按层面放坡,这样既可大幅减少其下滑力,也不会对整个坡面景观性造成影响;经计算,该种方式下最大剩余下滑力为177 kN/m,采用锚杆框格梁支护是可行的。

表5 CX26正常工况剩余下滑力(调纵坡坡率1∶1)

表6 CX26非正常工况Ⅰ剩余下滑力(调纵坡坡率1∶1)

通过方案一、方案二和方案三的对比可知,从方案的经济性和环境保护方面来说,方案三是更为可行的,但与规划高程有冲突,需与规划部门进行沟通协调高程调整事宜。

方案三采用锚杆框格梁能够对边坡进行有效支护,支护方案为:各级边坡开挖坡率为1∶1～1∶1.5,设2 m宽坡中平台,从下至上每8 m高一级,最上一级边坡坡高不足10 m时,一坡到顶,采用锚杆框格梁支护;特别地,剖面CX26影响范围内,第三级至坡顶沿岩层视倾角顺层放坡,坡率1∶2.75,采用挂网喷植生混凝土防护;根据地区经验,该类砂泥岩互层的顺层边坡,在极端情况下极易发生沿砂岩泥岩界面发生滑动,为提高边坡整体安全性,增加构造措施,在第二级平台施作埋入式抗滑桩,桩径φ0.8 m,中心距2.5 m,桩长16 m(图5)。

图5 调整道路纵坡后剖面CX26放坡开挖断面

5 结论

(1)该类砂泥岩互层的顺层岩质边坡,一般对边坡起控制性作用的滑面是砂岩泥岩交界面。

(2)在顺层边坡中,沿岩层的视倾角放坡往往是最有效和最安全的支护措施,但是在高大山体的缓坡顺层边坡采用这种方式会对生态环境造成较大的破坏;若采用抗滑桩多级支挡,工程规模过于庞大,且施工稍有不慎,也存在极大的滑移潜在风险,故此类边坡宜结合现状地形,通过验算边坡剩余下滑力,适当调整道路纵坡高程,从而形成道路、开挖边坡和自然环境的协调稳定。