張釗瑞，陸海平，周尚志

(1.長沙理工大學 土木與建筑學院，湖南 長沙 410114；2.湖南中大設計院有限公司,湖南 長沙 410075)

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湘西某高速公路滑坡分析與整治設計

張釗瑞1，陸海平2，周尚志1

(1.長沙理工大學 土木與建筑學院，湖南 長沙 410114；2.湖南中大設計院有限公司,湖南 長沙 410075)

摘要:湘西某新建高速公路通過一穩(wěn)定古滑坡體，由于施工開挖導致邊坡坡頂截水溝多處開裂、塌陷，地表出現縱向連續(xù)弧形裂縫，山體產生新的滑移可能；在對該滑坡進行詳細勘察和滑坡失穩(wěn)機制分析的基礎上，利用勘察資料和參數反演分析結果，進行邊坡穩(wěn)定分析；最后決定采用預應力錨索樁相結合的方案進行綜合整治；監(jiān)測結果表明，該治理方案是穩(wěn)妥可靠的。

關鍵詞：古滑坡；滑坡機制；參數反演；穩(wěn)定分析；預應力錨索；抗滑樁

1概況

湖南湘西地區(qū)地形陡峭，存在大量穩(wěn)定古滑坡斜坡體，由于選線需要，在高速公路建設中面臨大量的路基斜坡和古滑坡體的穩(wěn)定性問題；對這類問題的準確判斷和分析研究有助于節(jié)省投資，縮短工期[1-3]。湘西某新建高速公路連接線一段位于風化頁巖山腰地段，坡積碎石土層厚度大。線路橫切山腰，右側人工邊坡高度11.1～24.5m，原設計為一級坡比1∶1，坡頂設截水溝，坡腳為2.8m高漿砌石擋土墻護腳。在坡頂截水溝施工完成，坡腳開挖而擋土墻尚未施工時，該段右側邊坡坡頂截水溝多處開裂、塌陷，距中線約30和40m處地表出現寬約15～55cm的縱向連續(xù)弧形裂縫，坡體出現滑移。

2工程地質與水文地質

2.1地形地貌

本區(qū)為丘陵地貌，線路從一古滑坡體前緣通過，線路距離古滑坡體前緣約50m，距離后緣約110m，后緣以外是坡度近40°陡坡，坡頂標高358.95m，古滑坡體表面為桔林，坡度約15°，古滑坡體兩側為小沖溝，中間為U型坡，坡腳和兩側沖溝內雨后有泉水滲出。古滑坡體前有一小河，前緣向河道凸出，前緣部分被村民整平作為桔園。公路路基邊坡挖方邊坡陡峭，坡上截水溝有多處斷裂，地表多處拉裂塌沉。如圖1～2所示。

圖1　L2K4+750-850右側25處坡頂截水溝開裂Fig.1 Intercepting drain on the top of slope with cracks 25 m on the right of L2K4+750-850

2.2地層巖性

根據勘察揭露，場地內主要出露地層為第四系松散堆積物及志留系頁巖：

第四系全新統(tǒng)(Qh)①種植土：褐紅色等，松散，主要為山坡表土及菜地表土，厚約0.50～1.20m。②碎石土：黃褐色、褐色，坡積及滑坡堆積成因，多呈稍密狀態(tài)，碎石主要成分為強風化頁巖，粒徑一般2～20cm，最大可達60cm。含量約60%～80%。

志留系(S1)③強風化頁巖：黃褐色，泥質炭質粉細粒結構，大部分礦物成分均已風化變質，節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖體破碎，巖芯呈土夾碎石狀。④中風化頁巖：褐色夾灰黑色，泥質炭質粉細粒結構，部分礦物成分風化變質，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖質較軟，巖體較破碎，巖芯呈碎塊狀、塊狀。⑤微風化頁巖：灰黑色，泥質炭質粉細粒結構，巖體較完整，裂隙面有少量黃褐色浸染，屬于較軟巖，巖芯呈短柱狀、柱狀。

圖2　L2K4+700-750右側45 m處地面裂縫Fig.2 Surface cracks 45 m on the right of L2K4+700-750

2.3地質構造及邊坡巖體結構

勘察區(qū)覆蓋層厚度一般小于20m，下部基巖主要為頁巖，根據永順幅1∶20萬區(qū)域地質資料、線路詳勘報告及現場地質調查，本段路線位于沙達溪倒傳背斜的西翼，與區(qū)域斷層苗兒洞-卡塔壩張性斷裂相距遠，斷裂對本場地穩(wěn)定性影響不大。

本場地基巖為頁巖，產狀14°∠12°，主要發(fā)育2組節(jié)理：①220°∠55°；②55°∠60°。其中節(jié)理①強烈發(fā)育，裂隙連接性較好，對路基邊坡穩(wěn)定性影響較大。

2.4地下水及其影響

滑坡區(qū)水文地質條件較簡單，地下水主要為第四系覆蓋層中的孔隙潛水及基巖裂隙水。上層滯水主要賦存于種填土中，含水貧乏；潛水主要賦存于碎石土中，水量中等?；鶐r裂隙水主要強風化巖及中風化巖層裂隙中，因巖體裂隙大多呈半張開-閉合狀，因此基巖富水性差，主要接受大氣降水及相鄰含水層的垂直向補給，受氣候季節(jié)影響較大。

2.5滑坡巖土物理力學性質

為了準確評價各土層的物理力學性質，現場主要對碎石土②、強風化頁巖③、中風化頁巖④進行相關測試與試驗，主要指標見表1～3。

表1　碎石土的主要物理力學性質指標統(tǒng)計表

表2　原位測試成果統(tǒng)計表

表3　巖石抗壓強度指標統(tǒng)計表

3邊坡變形特征及成因機制

3.1自然因素

1)不利的坡體結構：邊坡覆蓋層土體是古滑坡堆積體，以碎石土為主，透水性好，下伏基巖頁巖作為相對隔水層，阻礙了地下水繼續(xù)下滲，邊坡施工開挖后，地表水下滲到坡體碎石中，受頁巖的阻隔，多聚集在土石分界面附近，導致碎石土下部的黏土層長期受地下水的浸泡，從而降低了土層的抗剪強度，使土石分界附近形成一個連續(xù)分布的軟弱面，奠定了坡體上的碎石土層沿此軟弱面產生蠕動變形的基礎。

2)降水作用：滑坡之前，因由于邊坡開挖在夏季在湘西北地區(qū)屬于雨季，滑坡之前出現連續(xù)強降雨，降雨導致地下水環(huán)境的惡化也是誘發(fā)滑坡的因素之一。

3.2人為因素

邊坡開挖后，坡腳卸載，部分卸除了邊坡的抗滑段，即破壞了古滑坡已穩(wěn)定的力學平衡條件，為坡體產生新的滑移提供了良好臨空面。在上述不利因素條件組合下，首先是滑坡前緣失穩(wěn)，引起上部坡體失穩(wěn)，從而導致坡體產生整體滑移，形成了滑坡體。

綜上所述，該滑坡的自然地質條件是產生滑動的內因，工程開挖和大氣降水是滑坡產生的直接誘發(fā)因素。依據其成因和特征分析判斷：該滑坡屬工程施工引起的牽引式滑坡[4]。

4穩(wěn)定性分析

通過勘察及分析發(fā)現古滑坡體目前處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，本次施工引起的工程滑坡僅是其滑坡體內的局部滑塌，在將其處治后，將不會對古滑坡造成影響。故以下的滑坡穩(wěn)定性分析、計算及處治均只針對工程滑坡。

4.1滑坡體滑移面的確定

目前邊坡整體處于蠕滑狀態(tài)，前緣淺層已崩塌。根據坡頂裂縫、此次勘探和滑坡剪出口位置及鉆探情況，滑動面主要位于碎石土層中，變形雖然表現為坡體的逐級塌滑失穩(wěn)，但在反演過程中視為整體變形破壞。故得到滑移面的大致位置如圖3～6所示。

圖3　(斷面1-1)判定滑面圖Fig.3 Determined sliding surface (1-1)

圖4　(斷面2-2)判定滑面圖Fig.4 Determined sliding surface(2-2)

4.2滑移面抗剪參數的確定

對于滑動面上巖土抗剪參數的確定，是進行滑坡穩(wěn)定分析的重點和難點，根據現場調查，工程邊坡目前的穩(wěn)定狀態(tài)、勘察所取得的地質資料等情況，選取典型斷面，采用最小二乘原理反演滑動面的抗剪強度參數[5]。

圖5　(斷面3-3)判定滑面圖Fig.5 Determined sliding surface (1-1)

圖6　(斷面4-4)判定滑面圖Fig.6 Determined sliding surface(2-2)

穩(wěn)定性分析時，不考慮地震作用，采用水土合算；通過分析所得滑移面，采用《巖土工程勘察規(guī)范》中滑坡穩(wěn)定計算公式(1)，對于失穩(wěn)斷面取k=1.0，可得到4組關于tanΦ和c的線形方程(2)；然后用最小二乘法，在Matlab中利用相應公式進行計算，得到tanΦ和c的最優(yōu)解：tanφ=0.284 7，即φ=15.89o，c=15.37kPa。

(1)

(2)

由于滑移面土樣在鉆探取樣時很難取到完整的試樣，所以該力學參數應根據破碎的土體殘余強度試驗、參數反分析及工程經驗類比綜合確定，同樣需對c和φ進行敏感性分析，結果如表4所示?？梢钥闯瞿Σ两敲舾行暂^大。

表4滑移面巖土參數反演與敏感性分析

Table4Parameterinversionandsensitivityanalysisoftherockontheslidingsurface

c/kPa1515151820φ/(0)1817161515安全系數1.1061.0461.0020.9050.997

由于該坡已出現較大裂縫，c不宜過大，取8～18 kPa為宜，摩擦角φ取100～200為宜。認為在未受到雨水等不利條件下滑移面上巖土材料此值比較能反映其實際情況，并按此值進行古滑坡穩(wěn)定計算與分析。

4.3古滑坡穩(wěn)定性分析

根據上述參數，對古滑坡進行自然工況下穩(wěn)定性驗算，公路未切方之穩(wěn)定系數為1.31，切方之后穩(wěn)定系數為1.11。計算安全系數采用1.25，則剩余滑坡推力為618.9kN/m。采用圓弧滑動法對失穩(wěn)邊坡進行驗算，穩(wěn)定系數在0.99～1.02左右；可以看出新滑體處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，這與整個滑坡體實際情況。前緣淺層已崩塌也較為接近，其滑動速度及范圍受大氣降水影響明顯。隨著大氣降雨的增加以及時間的推移，邊坡的變形、滑動程度必將進一步加劇，滑動范圍必將進一步擴大，最終導致邊坡整體失穩(wěn)，甚至造成古滑坡復活。

5滑坡治理設計

根據本工程的自然地層地質和水文地質情況，綜合考慮安全性、適用性、經濟性和施工方便等要求[6-9]，采用預應力錨索抗滑樁支擋加固，并且輔助以排水等措施。

5.1預應力錨索抗滑樁設計計算

預應力錨索抗滑樁具有“主動加固、柔性支護、概念明確、經濟合理”的特點。對錨索施加預應力后，一端與抗滑樁相連接，另一端穿過滑坡體后錨固于滑床內穩(wěn)定巖體，從而使抗滑樁和預應力錨索組成一個聯(lián)合受力體系。用錨索拉力和樁體共同平衡滑坡推力，徹底改變了一般抗滑樁大懸臂受力的受力機制，改變了抗滑樁單一靠嵌固段地基抗力平衡滑坡推力的機理。這樣作用的結果，使得樁內彎矩大大減少，樁截面變細，樁埋深度變淺，達到了結構受力合理、節(jié)省投資、縮短工期的目的。

5.1.1錨索及樁的選型及布置

錨索選用7Φ5鋼絞線，傾角為20°，采用1 500kN級預應力；抗滑樁的截面尺寸采用1.5m×2m，長度根據實際滑移面深度確定，示意圖如圖7所示。

圖7　預應力錨索結構設計圖Fig.7 Pre-stressed cable structure design diagram

5.1.2錨索拉力、錨固力及錨固長度計算

樁錨受力圖如圖8所示，通過錨索伸長量與樁的位移之間的變形協(xié)調最終確定錨固力大小。通過錨固力調整鋼絞線的直徑以及數量。根據水泥砂漿與錨索張拉鋼材黏結強度確定的錨固段長度為lsa，根據錨固體與孔壁的抗剪強度確定錨固段長度為la，錨索的錨固段長度采用lsa和la中的較大值，從而確定錨索總長度。

5.1.3樁身內力計算與設計

由于滑坡滑床也就是錨固段為巖質邊坡，故本設計采用“K法”計算樁的變形系數，通過計算得知：所有樁均為彈性樁。對樁不同深度的位置進行內力計算，計算所得到數據擬和成曲線，如圖9所示；由于樁身內力變化比較大，考慮節(jié)省材料，不采用通長配筋，而采用分段配筋。

圖8　錨索樁結構計算圖Fig.8 Pre-stressed cable and pile structure calculation diagram

圖9　樁身彎矩圖Fig.9 Pile bending moment diagram

5.2防排水設計

滑坡整治中，對于滑坡體內的水應以“截、排和引導”為原則修建排水工程。在此工程中，首先需對現有地面各類大小裂縫進行填塞整治；然后采用截水天溝、樹枝狀排水溝以及平孔排水措施：截水天溝控制滑坡體外的地表水，防止其進入滑坡體內；排水溝將坡面水引離坡體范圍，防止坡面水進入坡體；排水孔將坡體里的地下水排出坡體，減小滑坡隱患，設置軟式透水管，孔徑Φ80，孔深為8m，仰角為10o。

5.3監(jiān)測設計

由于邊坡內部巖土力學的復雜性，從地質勘察到整治不可能完全考慮邊坡內部的真實力學效應，設計都是在很大程度的簡化計算上進行。為了反映邊坡巖土真實力學效應、檢驗設計施工的可靠性和整治后的邊坡穩(wěn)定狀態(tài)，滑坡工程監(jiān)測具有極其重要的意義[10]。

在此工程監(jiān)測設計考慮采用2種方式進行，一是在線路中央穩(wěn)定地層設觀測站，對開挖邊坡進行變形及位移監(jiān)測，二是在開挖完成后的邊坡上設置多點位移計對邊坡進行監(jiān)控。

6結論

1)滑坡失穩(wěn)的機制是進行滑坡治理設計的前提，通過分析可得本滑坡屬老滑坡體上因工程開挖引起的牽引式滑坡。

2)對滑動面的判斷和滑動帶巖土強度參數的選取是滑坡整治設計的難點和關鍵，采用最小二乘法反演強度參數不失為一種有效可靠的方法。

3)通過對巖土參數的敏感性反分析表明：內摩擦角的取值對滑坡穩(wěn)定性影響較大，計算分析時應謹慎選取。

4)對于中小型堆積體滑坡而滑床為較完整巖石邊坡，采用預應力錨索樁的處治措施是基于對該邊坡工程地質狀況和失穩(wěn)機理的判斷，且達到了結構受力合理、節(jié)省投資、縮短工期的目的。

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* 收稿日期：2015-12-16

基金項目：湖南省大學生研究性學習和創(chuàng)新性項目(湘教通[2016]96號) ；橋梁工程湖南省高校重點實驗室開放基金項目﹙13KA01)

通訊作者：陸海平(1963-)，男，江蘇無錫人，高級工程師，從事巖土工程研究；E-mail:1293669013@qq.com

中圖分類號：TU472.3

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)06-1068-07

Analysis of landslide of highway and treatment in western Hunan

ZHANG Zhaorui1, LU Haiping2, ZHOU Shangzhi1

(1.SchoolofCivilAndarchitecturalEngineering,ChangshaUniversityofScienceandTechnology,Changsha410114,China;2.HunanZhongdaDesignInstituteCo.Ltd,Changsha410075,China)

Abstract：A new-constructed highway in western Hunan went through an ancient landslide. Due to the slope excavation, cracking and subsidence appeared in intercepting drain on the top of slope and continuously curved longitudinal cracks appeared in surface, a new landslide might occur. Based on instability mechanism of slope, the stability of slope was analyzed by using survey results and the inversion parameters. Pre-stressed cables and piles were used to prevent the slide of the slope. The monitoring result indicates that this treatment is reliable and safe.

Key words：ancient landslide; mechanism of landslide; parameter conversion; stability analysis; pre-stressed cable; anti-slide pile