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水敏性软岩挖方高边坡变形机制及其防治 李腾飞 冯明磊 林国涛 孙增奎 中交公路规划设计院有限公司 贵州高速公路集团有限公司 摘 要：高速公路高边坡防护结构的稳定性关乎到运营后的车辆及人员安全。若高边坡岩土体组构表现为水敏性软岩，其在降雨频发区会由于长时间降雨而诱发岩土体产生显著的时效变形，不断增加的变形会直接导致边坡防护结构的变形和破裂，进而引发局部拉裂垮塌甚至滑坡等重大安全事故的发生。基于高边坡岩土体时效变形的机制，并结合原有高边坡的防护结构，通过加强支护的形式来控制岩土体的时效变形。在加强支护实施后，边坡岩土体时效变形的特点规律则直接反映了支护结构的有效性及合理性。以西南地区某高速公路高边坡的变形机制分析、防治对策以及变形监测过程来讨论降雨诱发高速公路高边坡变形机制及其防治方案。 关键词：高速公路;高边坡稳定性;降雨诱发变形;时效变形;防治方案; 基金：国家重点研发计划项目，项目编号2018YFB1600100; 路基边坡变形失稳是由于剪切作用使得岩土体内形成贯通的滑动面，岩土体在外载荷以及自重应力作用下沿弱层发生时效变形并进而发展为滑动，最终会导致整个路基边坡失稳，因此边坡滑动稳定性分析是保证路基安全的主要内容[1]。自从20世纪70年代，由于时效变形引发岩体失稳而导致滑坡逐渐引起了境内外学者的重视，Turner和Van Westen通过监测发现时效变形规律，以此为出发点揭示了加拿大安大略省尼亚加拉边坡的变形过程[2,3]。王思敬等对金川露天矿边坡的边坡时效变形机制的研究揭示了变形的过程及其特点[4]。杨建等则提出了长期时效变形导致地下巷道变形的规律及影响[5]。 边坡灾害与降雨的关系十分密切，公路高边坡由于汛期持续降雨诱发滑坡每年都有大量发生，给公路正常交通以及地区经济发展带来严重影响。Fredlund等研究了边坡中渗流场和稳定性的关系，指出降雨期间出现的负孔隙压力减小导致的斜坡失稳破坏现象[6]。Damiano等通过调查火山碎屑堆积滑坡研究降雨入渗过程及其对边坡稳定性的影响[7]。胡明鉴等从影响滑坡稳定性的环境条件及雨强、降雨量、降雨入渗、土体力学性质改变等多个方面阐述降雨对滑坡的作用过程[8]。 Kim等通过考虑降雨的频率和强度基于非平稳极值分析的方法对降雨诱发滑坡的时间概率开展了评估分析[9]。Cuomo等模拟计算了非饱和土质边坡在降雨作用下引发牵引式滑动的时空过程[10]。本文以西南地区某高速公路高边坡的变形机制分析、防治对策以及变形监测过程，来讨论降雨诱发高速公路高边坡变形机制及其防治方案。 1 工程概况西南地区某高速公路K92+820～K93+130右侧高边坡(图1)最大高度50.486 m, 该路段属丘陵地貌，地形起伏大，斜坡自然坡度为20°～30°。该边坡最大级数5级，第1级边坡采用混凝土挡墙+抗滑桩支挡，第2、3级喷射混凝土封面，第4、5级生物绿化护坡。公路投入运营5年后，K92+890～K92+940段第1级边坡挡墙出现剪出裂缝，且变形呈现明显的时效性，形成较大变形并导致挡墙剪出错开约5 cm～10 cm。路基边沟也出现挤压扭曲，边沟盖板明显反翘，路基邻沟处出现鼓胀裂缝，同样呈现明显的时效变形(图2)。 该高边坡地质构造复杂，岩性主要为粉质黏土、碎石、强～中风化泥岩、强～中风化炭质泥页岩夹灰岩、泥质灰岩等。含炭地层分布广泛是该边坡的主要特点，黑色炭质泥岩呈全～强风化，裂隙发育，岩心呈块状或碎屑状，该层主要物理力学性质指标γ=23 kN/m3,c=65 kPa, φ=24°;灰黑色泥岩呈中风化，节理裂隙发育，裂隙内方解石脉充填，岩心多呈块状，主要物理力学性质指标γ=25 kN/m3,c=115 kPa, φ=26°。泥质灰岩呈中风化，节理裂隙发育，裂隙方解石脉充填，岩心呈柱状、短柱状，主要物理力学性质指标γ=26 kN/m3,c=125 kPa, φ=30°。
图1 K92+820～K93+130段右侧边高坡航拍图片
图2 K92+895～K92+930段挡墙剪出以及坡脚土路肩、边沟盖板隆起 项目区气候属亚热带温暖湿润的季风气候，年降水量1 378.9 mm, 降水充沛，每年4月中旬至10月为雨季。该边坡处地表水主要为降雨，雨季水量较大，以地表径流及下渗排泄为主。降雨时滑坡体地表水下渗转换为地下水，沿岩土界面径流，软化岩土界面岩土体，降低其抗剪强度指标。地下水主要为覆盖层孔隙水及基岩裂隙水，孔隙水主要赋存于第四系含碎石粉质黏土、碎石土层中，接受大气降水补给，以地下径流形式排泄为主，大部分沿基岩面、滑动面及风化岩层面下渗至地势低洼的沟谷部位；基岩裂隙水主要赋存于炭质泥岩、泥质灰岩等岩层的节理裂隙中。 2 边坡稳定性分析2.1滑坡变形机制该边坡时效变形直至局部失稳的主要原因为路基开挖在斜坡体中下部形成一定的临空面，改变原有的坡体平衡。雨水浸泡后炭质泥岩软化发生蠕变，而岩体结构中存在泥质含量高且富水的软弱泥化夹层、贯通性好的节理面，雨水的下渗使岩土层抗剪强度指标降低，抗滑能力降低，下滑力增大，导致斜坡体局部失稳发生滑塌。因此，该段边坡因边坡开挖导致牵引式滑塌，在汛期降雨作用下加速变形，在不采取加强支护的情况下会由于集中降雨等情况而导致滑塌失稳。经过勘察发现变形滑动带主要为泥质含量高且富水的软弱夹层、贯通性较好的节理面等，岩性主要为全风化、强风化炭质泥岩，岩芯多呈泥状、土状(图3)。滑床主要为强风化炭质泥岩、中风化炭质泥岩及泥质灰岩等，多呈炭泥质、隐晶质结构，岩芯多呈块状、短柱状，勘察中未发现滑动迹象(图 4)。根据布置的10个钻孔获得地质信息，共设计4个剖面开展稳定性计算分析(图5)。
图3 变形滑动带钻孔岩芯状态
图4 滑床钻孔岩芯状态
图5 勘察钻孔位置以及稳定性计算剖面示意 2.2稳定性分析滑坡稳定性计算选择自重+暴雨非正常工况来进行分析，按传递系数法公式计算，以图5中由左至右4条剖面1-1′、2-2′、3-3′、4-4′分别进行计算。滑体主要为含碎石粉质黏土、碎石土及全～强风化炭质泥岩、泥质灰岩等，滑体饱和重度取γsat=20.5 kN/m3,主滑剖面滑带土综合抗剪强度指标：黏聚力c=22～23 kPa、内摩擦角φ=11°～13°。各工况下的稳定性分析计算成果如表1。 表1 主要滑面稳定性计算成果汇总
根据稳定性计算结果，为边坡开挖诱发的中型中层牵引式工程滑坡，滑坡在雨季处于不稳定～基本稳定状态，目前处于蠕动、挤压变形阶段。分析认为降雨入渗导致边坡岩土抗剪性能逐步降低，使得挡墙墙背及抗滑桩桩背土压力增大，导致局部路段支挡结构以蠕变模式向路基侧位移，推挤边沟及路面变形。 3 滑坡治理及监测3.1滑坡治理坡脚开挖改变了原有的坡体平衡，而开挖后施加的支挡结构强度不够，在持续降雨入渗情况下边坡岩土体抗剪强度指标降低，边坡稳定性降低。按自重+暴雨非正常工况计算滑坡推力，安全系数取值1.25,坡脚剩余推力如表2。 综合考虑该段边坡变形破坏情况以及公路运营条件，采用新增抗滑桩支挡处治方案。抗滑桩断面尺寸为2 m×3 m和2.3 m×3.3 m两种，同时桩身悬臂端预留锚索孔，该方案工程可靠性、耐久性高。完善边坡地表、地下截排水系统，减少地表水下渗软化坡体岩土，并尽量疏干地下水。 表2 主要滑面稳定性计算成果汇总表
(1)K92+948～K92+989原挡墙段落，挡墙挤出变形明显，墙背受力较大，采用2.3m×3.3m抗滑桩支挡，间距6m，共设置7根；第1级平台其余段落，采用2m×3m抗滑桩支挡，间距6m，共设置27根。 (2）第1级碎落台、第2、3级平台之上30cm高度布设深层仰斜式排水管，间距6m，长度20m；第1级挡墙增设浅层排水孔，排除墙后积水。 3.2滑坡监测边坡变形监测是判断边坡处治后稳定性的重要手段，一方面可以了解边坡体变形破坏特征；另一方面可以针对实施的工程进行监测，以直接了解工程实施的效果。根据该边坡病害特征和衰变模式，对边坡及抗滑桩进行深孔位移监测。边坡中共布设监测孔11个(JCZK001～JCZK011,图6),抗滑桩中布设3个(012～014)。图7为该边坡变形最显著断面JCZK006、JCZK009两个深孔位移监测结果，监测时间为2019年11月～2021年10月，其累计最大位移量分别达到-166.6 mm、-78.69 mm。根据现场情况，该断面前缘第1级抗滑桩施工日期为2020年8月份。 根据JCZK006深孔位移监测结果，从2019年11月开始监测～2020年8月前缘抗滑桩施工前，边坡一直处治蠕动变形阶段，最大变形位置处于第1级边坡平台下5.5～8.5 m处。根据现场情况，2020年8月前缘18号抗滑桩施工时发生塌孔情况，导致临近的JCZK006孔出现严重变形。待抗滑桩施工完成，抗滑桩的支挡作用立即显现，边坡变形趋势很快变小，截止2021年10月底，变形基本稳定。
图6 坡体及抗滑桩中深孔位移监测点布置
图7 坡体中典型监测点JCZK006、JCZK009的监测位移量 根据JCZK009深孔位移监测结果，该监测点位于山顶位置，对坡脚抗滑桩支挡抑制边坡变形不敏感，坡体总体上还表现为一定的蠕动变形。 综上，深孔位移监测结果反映了抗滑桩在控制坡体变形方面发挥重要作用，而坡体中水敏性软岩由于频繁降雨作用而导致蠕动变形依旧存在，并呈现出明显的时效特点。 4 结语对于炭质泥岩等水敏性软岩边坡，频繁降雨入渗是导致边坡蠕动变形、破坏的主要原因。该类边坡的处治主要采用坡脚强支挡(抗滑桩或挡土墙)+坡面封闭地表水+疏干坡体地下水的处治原则。开展边坡处治全过程深孔位移监测，监测结果说明采用抗滑桩处治后该边坡已处于稳定状态，这有助于边坡变形破坏机理的分析，同时也便于对工程处治措施实际效果进行验证。 参考文献[1] 黄润秋，张倬元，王士天.高边坡稳定性研究现状及发展展望[J].水文地质工程地质，1991,18(1):31-34. [2] Turner D P,Koerper,H Gucinski,C Peterson.Monitoring global change comparison of forest cover estimates using remote sensing and inventory approaches[J].Environmental Monitoring and Assessment,1993,(26). [3] Van Westen,C J,A C Seijmons bergen,F Mantovan.Comparing landslide hazard evaluation:three case upport system for landslide hazard monitoring[J].Natural Hazards,1999,20 (23). [4] 王思敬，杨志法，刘竹华，著.地下工程岩体稳定性分析[M].北京：科学出版社，1984. [5] 杨建，杨建宏.工程地质综合分析技术的开发和应用研究[J].水力发电，2001,(8):34-35. [6] Fredlund D G,Rahardjo H.Soil mechanics for unsaturated soils[M].Int J Biol Stress,1993. [7] Damiano E,Greco R,Guida A,et al.Investigation on rainwater infiltration into layered shallow covers in pyroclastic soils and its effect on slope stability[J].Engineering Geology,2017,220:208-218. [8] 胡明鉴，汪稔，张平仓.斜坡稳定性及降雨条件下激发滑坡的试验研究—以蒋家沟流域滑坡堆积角砾土坡地为例[J].岩土工程学报，2001,(4):454-457. [9] Kim H,Lee J H,Park H J,et al.Assessment of temporal probability for rainfall-induced landslides based on nonstationary extreme value analysis[J].Engineering Geology,2021,294. [10] Cuomo S,Di P A,Martinelli M.Modelling the spatio-temporal evolution of a rainfall-induced retrogressive landslide in an unsaturated slope[J].Engineering Geology,2021,294.  |
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