余和廣，張俊德

(中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

錯(cuò)落是山區(qū)公路建設(shè)中遇到的一種特殊的巖質(zhì)邊坡變形類型，指被陡傾角的構(gòu)造面與后山完整巖體分開(kāi)的風(fēng)化破碎的巖體，因坡腳受沖刷或人工開(kāi)挖而被壓縮，引起的坡體以垂直下錯(cuò)為主的變形現(xiàn)象。錯(cuò)落病害常位于路基挖方邊坡、隧道進(jìn)出口邊坡。文獻(xiàn)[2]指出了錯(cuò)落依附的地質(zhì)基礎(chǔ)條件、外貌特征、演變過(guò)程及變形特征；田義斌等研究了錯(cuò)落體穩(wěn)定性與滑坡轉(zhuǎn)化關(guān)系；文獻(xiàn)[4]、[5]采用有限差分軟件FLAC3D分析了巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性；文獻(xiàn)[6]-[8]進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力錨索框架加固邊坡數(shù)值分析及性能研究。該文針對(duì)青海某公路K8錯(cuò)落病害，通過(guò)建立地質(zhì)邊坡模型、預(yù)應(yīng)力錨索框架結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)有限差分軟件FLAC3D計(jì)算結(jié)果，采取必要的加固措施，以提高錯(cuò)落體的穩(wěn)定性，保證錯(cuò)落體下方公路的長(zhǎng)期安全運(yùn)營(yíng)。

1 工程背景

1.1 病害概況

K8錯(cuò)落體位于青海省某在建公路左側(cè)，為南北走向高達(dá)200 m山脊的一部分，錯(cuò)落體由白堊系河口群厚層礫巖、粉砂質(zhì)泥巖夾薄層砂巖組成，產(chǎn)狀NE60°∠70°/NW14°∠18°，通過(guò)出露巖層顯示，在路基面以上70 m高范圍內(nèi)發(fā)育9組礫巖、砂巖互層，其中6組發(fā)育于后部穩(wěn)定巖層，3組發(fā)育于外側(cè)錯(cuò)落體，錯(cuò)落體與穩(wěn)定巖層之間以寬10 m的斷層破碎帶斷開(kāi)，如圖1所示。公路選線時(shí)未發(fā)現(xiàn)該錯(cuò)落病害，原設(shè)計(jì)公路在錯(cuò)落體前部以路塹形式通過(guò)，路塹開(kāi)挖過(guò)程中，本已壓實(shí)到位的錯(cuò)落體再次出現(xiàn)整體滑動(dòng)變形，錯(cuò)落體變形后沿公路寬120 m，垂直公路長(zhǎng)83 m，前后高差60 m，平均厚約20 m，體積16×104m3。

1.2 變形特征

錯(cuò)落體一般為三段式變形，按先后順序?yàn)椋簤嚎s密實(shí)階段、下錯(cuò)變形階段、轉(zhuǎn)化為滑坡階段。K8錯(cuò)落體變形處于最后階段，以水平位移大于豎向位移的滑動(dòng)變形為主，錯(cuò)落體整體水平位移3～8 m，豎向位移0.5～3 m。

圖1 錯(cuò)落體地質(zhì)斷面圖

錯(cuò)落體平面上分兩級(jí)滑動(dòng)，因斷層破碎帶存在，坡體上發(fā)育3條貫通的后緣拉張裂縫，如圖1所示，裂縫寬1～3 m，可見(jiàn)深度5～6 m，兩側(cè)延伸至側(cè)緣裂縫；東、西兩側(cè)緣均發(fā)育有錯(cuò)動(dòng)裂縫，受兩組節(jié)理(NE50°/SW67°、NW28°/SE73°)控制，裂縫近直線形分布，裂縫下錯(cuò)1.5～2.5 m，寬40 cm左右；錯(cuò)落體前緣可見(jiàn)多處巖體卸荷裂縫，裂縫延伸方向與臨空面基本平行，裂縫寬20 cm左右，開(kāi)挖出露巖體節(jié)理面(NW60°/SE25°)可見(jiàn)滑動(dòng)擦痕，泥質(zhì)夾層附著大量白色石膏。

1.3 變形原因

(1)錯(cuò)落體存在一組陡、緩順傾不利節(jié)理組合(后緣依附面EW/SE65°、主滑段依附面NW60°/SE25°)；

(2)錯(cuò)落體以厚層礫巖、砂巖等硬巖為主要構(gòu)成物質(zhì)，下臥軟墊層以薄層泥巖等軟巖為主要構(gòu)成物質(zhì)，錯(cuò)落體巖層結(jié)構(gòu)屬上硬下軟式結(jié)構(gòu)，節(jié)理面為泥質(zhì)填充物，且含有大量石膏，為軟弱夾層，遇水后抗剪強(qiáng)度急劇降低。

(3)人為坡腳大范圍路塹開(kāi)挖，剪斷錯(cuò)落體前緣支撐，打破應(yīng)力平衡。

(4)錯(cuò)落體后部存在一個(gè)斷層破碎帶，利于大氣降雨后地表水匯集下滲軟化軟弱夾層。

(5)原設(shè)計(jì)未設(shè)防護(hù)措施以及開(kāi)挖后未及時(shí)增設(shè)防護(hù)措施。

在以上幾個(gè)因素影響下，已穩(wěn)定的錯(cuò)落體再次出現(xiàn)大范圍滑動(dòng)變形。

2 穩(wěn)定性分析

2.1 極限平衡理論

極限平衡理論假設(shè)滑體均為剛性體，通過(guò)簡(jiǎn)化力學(xué)模型，當(dāng)滑體處于極限平衡狀態(tài)時(shí)，抗滑力與下滑力比值為穩(wěn)定系數(shù)。當(dāng)滑動(dòng)面為折線形時(shí)，采用傳遞系數(shù)法計(jì)算滑坡的穩(wěn)定系數(shù)。選取最不利主軸斷面，采用傳遞系數(shù)法計(jì)算錯(cuò)落體穩(wěn)定系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，自然工況下，穩(wěn)定系數(shù)為0.933，在暴雨及其他不利因素作用下，其穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)一步降低。

表1 錯(cuò)落體主軸斷面穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

2.2 FLAC3D分析

在有限差分軟件 FLAC3D邊坡穩(wěn)定性計(jì)算中，巖土體采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)關(guān)系，視巖土體為一彈塑性體，且對(duì)c、φ強(qiáng)度同時(shí)進(jìn)行雙折減直至巖土體塑性區(qū)貫通達(dá)到破壞，此時(shí)得到的折減系數(shù)為穩(wěn)定系數(shù)。

以邊坡實(shí)際坡面線、原設(shè)計(jì)開(kāi)挖線、軟弱夾層建立主軸斷面模型，以滑體(HT)、滑床(HC)、節(jié)理面(Interface)創(chuàng)建3個(gè)不同組材料模型。節(jié)理面填充的以泥巖為主的軟弱夾層厚僅2～7 cm，為切合實(shí)際以接觸面(Interface)形式建立。所有單元網(wǎng)格平均長(zhǎng)1.5 m，以達(dá)到計(jì)算準(zhǔn)確精度，模型如圖2所示。滑體(HT)、滑床(HC)主要構(gòu)成物質(zhì)為厚層砂巖、礫巖，滑動(dòng)面為節(jié)理面填充的以泥巖為主的軟弱夾層(Interface)，巖體及軟弱夾層力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表2。由表2可知：砂巖、礫巖的彈性模量為軟弱夾層的6～11倍，黏聚力為軟弱夾層的11～13倍，內(nèi)摩擦角為軟弱夾層的2倍，F(xiàn)LAC3D數(shù)值計(jì)算中巖土體強(qiáng)度參數(shù)選取符合錯(cuò)落體巖層結(jié)構(gòu)屬于上硬下軟式結(jié)構(gòu)。通過(guò)FLAC3D計(jì)算，自然工況下，錯(cuò)落體穩(wěn)定系數(shù)0.927，與傳遞系數(shù)法結(jié)果基本一致，穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果及軟弱夾層剪切應(yīng)力云圖如圖2所示。

圖2 FLAC3D穩(wěn)定性計(jì)算模型及計(jì)算結(jié)果(單位：Pa)

表2 巖體及軟弱夾層力學(xué)指標(biāo)

3 治理措施

3.1 方案考慮

錯(cuò)落體段公路小里程側(cè)100 m為公路隧道，已基本成型，大里程側(cè)60 m為順河橋梁，主體工程已完成大半。受已有工程和路線長(zhǎng)度控制，無(wú)法改線繞避，因此治理錯(cuò)落病害是必然的。

若考慮刷方清除錯(cuò)落體，則刷方后在200 m高斜坡上形成一高60 m左右的人工邊坡，一則對(duì)高邊坡處治費(fèi)用較高，再則該段巖層存在不利的軟弱夾層，大范圍刷方勢(shì)必造成新的病害。因此在治早、治小的原則下，設(shè)計(jì)對(duì)錯(cuò)落體加固治理。

通過(guò)計(jì)算，錯(cuò)落體下滑力為1 380 kN/m，下滑力相對(duì)較大。若采用抗滑樁支擋方案，造價(jià)較高，故選擇預(yù)應(yīng)力錨索框架分級(jí)加固方案，其治理總體方案為：先行實(shí)施應(yīng)急回填反壓搶險(xiǎn)工程，在錯(cuò)落體變形得到有效控制后，在已有坡型基礎(chǔ)上適當(dāng)順坡，上部設(shè)置兩級(jí)錨索框架分擔(dān)下滑力，坡腳設(shè)置腳墻，同時(shí)輔以截排水進(jìn)行綜合治理。

3.2 治理措施

由于錯(cuò)落體已出現(xiàn)劇烈滑動(dòng)變形，隨時(shí)有可能從高空滑下，為保證施工安全，首先考慮應(yīng)急搶險(xiǎn)工程，待錯(cuò)落體穩(wěn)定后實(shí)施永久治理工程。

(1)應(yīng)急搶險(xiǎn)工程

采用已有隧道棄方對(duì)錯(cuò)落體前緣回填反壓，回填高10 m，頂寬5 m。反壓后經(jīng)地表位移監(jiān)測(cè)，錯(cuò)落體無(wú)新增裂縫，已有裂縫無(wú)進(jìn)一步發(fā)展，達(dá)到反壓預(yù)期效果，可實(shí)施下一步永久治理工程。

(2)永久工程

在實(shí)施應(yīng)急反壓工程后，采取預(yù)應(yīng)力錨索框架、坡腳擋墻、地表排水、填實(shí)裂縫綜合治理，如圖3、4所示，且嚴(yán)格按照由上至下逐級(jí)開(kāi)挖加固的順序施工。

圖3 錯(cuò)落體治理平面圖

圖4 錯(cuò)落體治理斷面圖

4 效果評(píng)價(jià)

4.1 FLAC3D分析

(1)穩(wěn)定系數(shù)對(duì)比

以治理后設(shè)計(jì)開(kāi)挖線，沿公路長(zhǎng)度以單片預(yù)應(yīng)力錨索框架寬6 m重新建立工后效果評(píng)價(jià)數(shù)值分析模型，結(jié)構(gòu)單元為錨索單元(Cable)、框架單元(Beam)，加固分2級(jí)，共計(jì)2片框架、12孔錨索。每孔錨索拉力為770 kN，錨索結(jié)構(gòu)單元參數(shù)見(jiàn)表3，框架結(jié)構(gòu)單元參數(shù)見(jiàn)表4，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。通過(guò)對(duì)比可知：治理前邊坡穩(wěn)定系數(shù)為0.927，治理后為1.537，治理后邊坡穩(wěn)定系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 錨索結(jié)構(gòu)單元參數(shù)

表4 框架結(jié)構(gòu)單元參數(shù)

圖5 治理后穩(wěn)定系數(shù)及滑動(dòng)帶剪切應(yīng)力云圖(單位：Pa)

(2)位移量對(duì)比

通過(guò)計(jì)算，治理前位移云圖見(jiàn)圖6、7，錯(cuò)落體啟動(dòng)變形瞬間，滑體水平位移基本上位于60～70 mm區(qū)間，最大位于坡腳，為84 mm；豎向位移基本位于25～45 mm區(qū)間，最大位于后緣，為64 mm。計(jì)算位移量與實(shí)際錯(cuò)落體啟動(dòng)滑動(dòng)變形時(shí)基本相符。治理后位移云圖見(jiàn)圖8、9，滑體水平、豎向位移數(shù)據(jù)相對(duì)較小，可以忽略不計(jì)，說(shuō)明治理后錯(cuò)落體變形已徹底消除，治理后穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 治理前水平位移云圖(單位：m)

圖7 治理前豎向位移云圖(單位：m)

圖8 治理后水平位移云圖(單位：m)

圖9 治理后豎向位移云圖(單位：m)

(3)切應(yīng)力對(duì)比

通過(guò)計(jì)算，治理前滑動(dòng)帶切應(yīng)力基本位于220～248 kPa區(qū)間，最大位于坡腳約20 m附近，最小位于滑動(dòng)帶后緣。治理后滑動(dòng)帶中后部切應(yīng)力基本位于90～180 kPa區(qū)間，中前部位于0～90 kPa區(qū)間，坡腳附近基本為0，說(shuō)明治理后滑帶土不會(huì)發(fā)生剪切破壞。

4.2 實(shí)用效果

病害治理工程從2011年11月完工至今，經(jīng)歷多次連續(xù)暴雨及多次強(qiáng)烈地震的不利影響，已完工工程措施完好無(wú)損，邊坡未出現(xiàn)新變形，經(jīng)受了時(shí)間的考驗(yàn)，保障了公路安全運(yùn)營(yíng)，治理工程取得了成功。

5 結(jié)論

(1)巖石具有很強(qiáng)的各向異性、非均質(zhì)性、非連續(xù)性，巖質(zhì)邊坡的模型建立及參數(shù)選取應(yīng)切合實(shí)際以得到準(zhǔn)確的數(shù)值分析結(jié)果。

(2)錯(cuò)落體為巖質(zhì)坡體，錯(cuò)落體后部穩(wěn)定地層巖石的黏結(jié)強(qiáng)度較好，可提供滿足設(shè)計(jì)要求的錨固力；錯(cuò)落體巖層結(jié)構(gòu)屬于上硬下軟式，即使滑動(dòng)后，硬質(zhì)巖體整體性好且厚度大，利于框架通過(guò)錨索拉力將滑體整體約束并錨固至穩(wěn)定地層，治理效果安全可靠。

對(duì)該錯(cuò)落病害治理，若采用傳統(tǒng)的抗滑樁措施，其效果安全可靠，但造價(jià)高，治理費(fèi)用大，工期長(zhǎng)；若置不良地質(zhì)條件于不顧，考慮不周全，貿(mào)然選擇刷方清除錯(cuò)落體，在軟弱夾層和不利節(jié)理面綜合影響下必然引起更大范圍的病害，增加治理費(fèi)用及難度。

(3)嚴(yán)格貫徹“從上而下，開(kāi)挖一級(jí)，支護(hù)一級(jí)”的施工原則。

原路塹開(kāi)挖后，形成寬120 m、高25 m邊坡未及時(shí)支護(hù)，引發(fā)錯(cuò)落體大范圍變形，新增錯(cuò)落病害治理工程，增加工程投資；錯(cuò)落病害治理施工期間，施工方為加快進(jìn)度，追趕工期，框架梁坡面連續(xù)開(kāi)挖，高15 m坡面成形不足一個(gè)月，在軟弱夾層、不利節(jié)理面、卸荷作用等多種不利因素影響下，錯(cuò)落體再次出現(xiàn)大范圍滑動(dòng)變形。在錨索已預(yù)埋的前提下，錨索頂端增設(shè)鋼墊板，及時(shí)張拉鎖定才得以控制變形，防止滑動(dòng)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。

(4)預(yù)應(yīng)力錨索是治理錯(cuò)落病害關(guān)鍵工程，應(yīng)通過(guò)鉆孔嚴(yán)格校核地質(zhì)情況，判斷地層是否滿足設(shè)計(jì)要求。在錨索施工過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格核對(duì)地層巖性及軟弱夾層位置。如該文錨索錨固段設(shè)置于中后部的穩(wěn)定巖層中，根據(jù)施工過(guò)程中鉆孔揭露的地質(zhì)情況，避免因地層發(fā)生變化，錨索錨固于斷層破碎帶或者不穩(wěn)定的滑體導(dǎo)致錨固力不足，造成錨索工程失效從而導(dǎo)致整個(gè)治理工程失敗。

(5)防患于未然，對(duì)未變形段坡體坡腳及時(shí)增設(shè)坡腳抗滑擋墻支擋，邊坡加固范圍延伸至錯(cuò)落體東、西兩側(cè)，確保公路內(nèi)側(cè)邊坡長(zhǎng)期穩(wěn)定。