廖小平,徐風光,周文皎,彭浩然,魏家旭
(1.中鐵科學研究院有限公司,四川 成都 610036;2.中國鐵道科學研究院集團有限公司,北京 100081;3.云南省建設投資控股集團有限公司,云南 昆明 650000)
山區(qū)道路建設引起滑坡災害嚴重且不可避免,尤其是古老滑坡復活變形破壞,往往規(guī)模較大,性質復雜,處理困難,增加投資,延長工期,甚至造成嚴重的災害損失,危害和威脅交通運營安全[1-4]。
為確保路塹邊坡的開挖穩(wěn)定以及針對古老滑坡災害及時做出防護加固工程治理[5-10],近年來,國內外很多專家學者圍繞該類問題做了大量研究工作,并取得了積極的進展[11-14]。
張玉成等[15]結合某水庫古滑坡體工程,研究了古滑坡體在庫水位及滑帶土參數變化下的穩(wěn)定性影響,并對不同加固類型作用下滑坡體應力場和位移場的改變進行對比分析,得到了應重點針對高應力水平區(qū)及大位移區(qū)域實施加固的設計方法;任三紹等[16]采用 FLAC3D數值模擬方法對紅花屯滑坡的穩(wěn)定性進行了研究分析,確定了邊坡開挖及強降雨作用造成該古滑坡發(fā)生局部復活的原因,并采用相應治理措施達到控制成效;王浩等[17-18]基于邊坡穩(wěn)定度反分析思路,利用數值仿真模擬挖方邊坡的卸荷回彈階段、剪切破裂階段和失穩(wěn)破壞階段全過程的演化規(guī)律和發(fā)展趨勢,解釋了路塹高邊坡在開挖卸荷松弛階段的力學機理,總結了邊坡由于開挖擾動、卸荷損傷等引起的失穩(wěn)機制,提供了邊坡病害治理的理論依據;張曉平等[19]以張家口-石家莊高速公路類土質路塹邊坡為例,采用顆粒元程序建立邊坡數值模擬,結合現場監(jiān)測動態(tài)分析邊坡破壞過程,確定了數值分析結合現場監(jiān)測的研究方法,對邊坡變形做出趨勢性預測。
本研究為探究香麗高速公路巖羊村滑坡的演化過程與災變機理,采用Rock Science巖土開挖支護分析有限元軟件RS2,對巖羊村滑坡的自然狀況、開挖卸荷、回填反壓、支擋加固等全過程進行了數值模擬分析,以揭示古老滑坡復活變形破壞機制,并評估其整治工程效果,可以為類似古老滑坡路段路塹邊坡工程的設計計算與病害整治提供參考。
巖羊村滑坡位于云南省香格里拉至麗江高速公路K92+100~K92+600段、金沙江右岸,屬于構造侵蝕中山峽谷地貌,自然斜坡為折線型,上陡下緩,小范圍內橫坡分布多級緩平臺和陡坡,如圖1所示。受路塹邊坡開挖卸荷及持續(xù)降雨影響,2016年11月,邊坡開挖原設計第2級時,K92+365~K92+600段路塹邊坡發(fā)生較大規(guī)模的滑動變形和破壞,該滑坡為路塹邊坡開挖引起的一老滑坡的局部復活。場區(qū)斜坡上覆第四系崩坡積層、殘積土層,下伏基巖為三疊系下統(tǒng)全風化板巖、強風化板巖、中風化板巖夾灰?guī)r,典型地質斷斷面如圖2所示。
圖1 滑坡工程地質平面圖Fig.1 Engineering geological plane of landslide
圖2 滑坡工程地質斷面圖Ⅰ-Ⅰ(K92+451)Fig.2 Engineering geological sectionⅠ-Ⅰ(K92+451) of landslide
老滑坡沿路線縱向里程為K92+100~K92+600段,兩側各發(fā)育一條沖溝,后緣分布一平臺,長約50 m,寬約30 m,距后緣60 m處的滑坡坡面發(fā)育3條裂縫,寬1.5~4 m,長60~160 m,可見深度1.0~1.5 m,植被茂密,出現“馬刀樹”,前緣出現多級小平臺和陡坎,坡面零亂,坡度較緩?;禄瑤槿婏L化板巖,深度為14.3~37 m,平均厚度25 m,滑坡體積約為383×104m3,屬于大型順層巖石滑坡。
新滑坡為路塹邊坡滑坡,并誘發(fā)老滑坡中后部的局部復活,主要原因為路塹邊坡開挖卸荷及持續(xù)降雨,沿路線縱向里程為K92+365~K92+600。路塹邊坡滑坡后緣張拉下挫,拉張裂縫寬1~2 m,可見深度1~2 m,滑坡周界已貫通,側界剪切裂縫寬0.5~1.2 m,可見深度1~2 m,前緣沿順傾的板巖似層面剪出,滑帶深度5~25 m,平均厚度15 m,滑坡體積約為36×104m3,屬于中型堆積層滑坡。
巖羊村滑坡自2016年3月路塹開挖施工以來,直至2019年12月通車運行,經歷2次較大的變形破壞,并相應實施了系統(tǒng)的工程治理。
(1)第1次災變過程及防治工程對策
香麗高速公路K92+100~K92+600段左側路塹邊坡原設計5級開挖,第1,2級坡率為1∶0.5,第3,4,5級坡率為1∶0.75,單級坡高10 m,平臺寬度2 m,采用全坡面預應力錨桿框架加固。2016年11月,受開挖卸荷及持續(xù)降雨影響,邊坡開挖第2級邊坡時,K92+365~K92+600段邊坡發(fā)生較大規(guī)?;瑒?,后緣拉裂下錯,周界貫通,前緣沿順傾板巖似層面剪出。為了防止滑坡規(guī)模進一步擴大及對路基路面工程造成破壞,立即在滑坡前緣進行了應急反壓,并進行了方案變更設計,主要采用刷方卸載、預應力錨索抗滑樁支擋和預應力錨索框架加固等措施。
(2)第2次災變過程及防治工程對策
2019年9月,在K92+100~K92+600段左側路塹邊坡支擋加固措施已施工完成的基礎上,邊坡局部再次發(fā)生變形破壞。K92+210~K92+280段邊坡發(fā)生塌方,K92+428~K92+600段4~6級邊坡出現不同程度下沉變形,造成45根錨索錨具脫落,第4,5級平臺出現大量裂縫和水溝下沉現象。為防止邊坡變形進一步擴大,在第5,6級平臺增補了抗滑樁和預應力錨索地梁等補強加固工程措施。
根據勘察設計資料,結合滑坡現場調查,按圖2所示典型工程地質斷面(K92+451),并對其地形區(qū)域進行了相應延伸,建立圖3所示的二維平面應變數值計算模型。
圖3 滑坡數值計算模型Fig.3 Numerical calculation model of landslide
該滑坡模型從上到下地層分別為第四系堆積層、全風化板巖、強風化板巖、中風化板巖,模型底部為雙向零位移邊界,兩側采用水平零位移邊界,模型材料為理想彈塑性Mohr-Coulomb本構模型?;轮锌紤]了老滑動面影響,采用節(jié)理單元,在全風化板巖和強風化板巖分界面模擬了老滑動面,不考慮其他巖體結構面,地下水的作用和影響綜合體現在其巖土強度參數中。
滑坡巖土體和老滑動面的力學參數由該滑坡相關試驗成果及穩(wěn)定狀態(tài)反分析方法綜合確定,如表1和表2所示。
表1 巖土物理力學參數Tab.1 Physical and mechanical parameters of rock and soil
表2 老滑動面力學參數Tab.2 Mechanical parameters of old sliding surface
首先,計算了自重條件下原始斜坡初始應力場,采用強度折減法計算其穩(wěn)定系數為Fs=1.25,邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài),與現場實際情況相符(該滑坡在路塹邊坡開挖之前未發(fā)現任何變形活動跡象)。
然后,按初始設計方案,模擬分析路塹邊坡逐級開挖卸荷過程(降雨對邊坡的影響,通過巖土體強度參數折減考慮),重點研究開挖過程中的應力松弛特征、最大剪應變及塑性區(qū)的變化規(guī)律,并采用強度折減法計算其穩(wěn)定系數,觀察潛在破裂面的發(fā)育、發(fā)展和貫通過程。
(1)開挖應力松弛
基于作者前期研究成果[2],以開挖過程中的大主應力增量變化來研究其開挖卸荷的應力松弛規(guī)律。開挖歷時過程中的大主應力增量Δσ1變化如圖4所示(各開挖時步云圖變化量值范圍一致)。
圖4 路塹邊坡開挖過程中大主應力變化量云圖(單位:kPa)Fig.4 Nephograms of large principal stress variation during cutting slope excavation(unit:kPa)
邊坡開挖1級后(從上至下,下同),應力就開始調整,主要表現為坡腳局部范圍應力集中,路基面附近受開挖卸荷影響,應力逐漸松弛(下同,不再贅述)。
邊坡開挖2級后,應力調整明顯增大,此時步第1級邊坡(自下而上,下同)上部表層應力松弛,坡腳應力集中,并發(fā)現在表層應力松弛外側和坡體內部沿老滑動面形成2個應力集中區(qū)。
邊坡開挖3級后,應力繼續(xù)調整,在邊坡第1級和第2級中上部之淺表層形成明顯的應力松弛區(qū),應力松弛區(qū)左下側形成1個應力集中區(qū);路基下方靠近老滑面附近也出現1個應力松馳區(qū),相應地,坡體內沿老滑動面的應力集中區(qū)向上延伸,范圍增大。
邊坡開挖4級后,應力調整急劇加大,邊坡第1~3級開挖面淺表層形成1個“貫通”的應力松弛區(qū),坡體內部沿第四系堆積體和全風化砂質板巖交界面、老滑動面、強風化和中風化交界面形成3個帶狀應力集中區(qū)。
由上述分析得到,該路塹邊坡逐級開挖過程中,邊坡淺表層應力松弛范圍逐漸向內和向上擴大,同時在坡體內部、堆積界面、老滑動面形成3個應力集中帶,并不斷向上擴展,這些應力狀態(tài)的調整和變化將成為其變形破壞發(fā)展的起源和控制。
(2)塑性區(qū)的形成及發(fā)展
路塹邊坡開挖過程中的塑性區(qū)發(fā)育與分布云圖如圖5所示。
圖5 路塹邊坡開挖過程中塑性區(qū)云圖Fig.5 Nephograms of plastic zone during cutting slope excavation
邊坡開挖1級后,坡面卸荷松馳,局部受拉進入屈服。
邊坡開挖2級后,出現明顯塑性區(qū),主要在邊坡表層(對應邊坡卸荷松弛區(qū))和路基面卸荷回彈區(qū)。
邊坡開挖3級后,塑性區(qū)發(fā)展擴大,邊坡淺表層出現貫通的塑性區(qū)(對應邊坡卸荷松弛區(qū)),同時在其下部對應老滑面附近開始形成塑性區(qū),并在坡體上部產生屈服拉裂。
邊坡開挖4級后,淺表層大面積出現貫通的塑性區(qū),沿堆積層和全風化交界面向上延伸,同時邊坡開挖頂部自然斜坡局部多處出現受拉塑性區(qū)。
(3)最大剪應變的發(fā)展趨勢
路塹邊坡逐級開挖過程中的最大剪應變云圖如圖6所示。開挖1級后,邊坡變形以坡面松馳和路基回彈變形為主;開挖2級后,坡面松馳和路基回彈變形范圍持續(xù)擴大,并依附堆積面和老滑面產生剪切變形帶;開挖3級后,主要表現為依附堆積面和老滑面的剪切變形帶向后向上延伸和擴大;開挖4級后,路塹邊坡坡體內的滑裂面貫通,沿第四系堆積層和全風化交界面產生較大的滑動變形。
圖6 路塹邊坡開挖過程中最大剪應變云圖Fig.6 Nephograms of maximum shear strain during cutting slope excavation
可見,隨著邊坡逐級開挖,路塹邊坡受開挖卸荷影響,淺表層開始出現變形,老滑坡后緣逐漸形成張拉裂縫,坡體內部滑裂面沿第四系堆積層與全風化層交界面和老滑動面向上逐漸貫通(與開挖過程中坡體內部應力增高帶對應),從而誘發(fā)路塹邊坡變形破壞和老滑坡局部復活,即路塹邊坡滑坡后緣拉裂縫貫通下錯,老滑坡后部坡面出現多條拉裂縫,此時計算穩(wěn)定系數Fs=1.01。
香麗高速公路巖羊村滑坡是內外因多重因素共同作用引起的,自身復雜地質條件是引起滑坡的關鍵因素,路塹邊坡的開挖卸荷作用和外界持續(xù)降雨是誘發(fā)滑坡產生的主要原因。
(1)不良地質基礎
該段斜坡體為一古老滑坡堆積體,其斜坡初始穩(wěn)定性差。在老滑坡堆積體前部開挖路塹邊坡時,易引起路塹邊坡的變形滑動,誘發(fā)老滑坡的復活。
(2)脆弱坡體結構
該段路塹邊坡的上部地層主要為第四系堆積碎石土,碎石主要為中風化的板巖和灰?guī)r塊,以粉質黏土充填,土體松散,強度低。這些都為滑坡的形成提供了必要的物質基礎。
邊坡中下部為滑動過的全風化板巖、強風化板巖,為薄片狀或板狀,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖塊松脫,板理面呈絲絹光澤,含絹云母,綠泥石,呈碎裂結構,巖芯呈碎塊石、角礫或土狀,親水性強,地質條件差。坡腳揭露的巖層產狀為215°∠15°~250°∠25°,與邊坡坡向基本一致,為邊坡的變形滑動提供了潛在依附面。
(3)開挖卸荷作用
巖羊村滑坡受前部路塹邊坡開挖卸荷作用,打破了原有斜坡的力學平衡,在路塹邊坡開挖面附近形成了1個“貫通”的卸荷松弛區(qū),卸荷松弛區(qū)內巖土體首先進入塑性屈服,同時坡體內沿老滑動面和堆積界面向上形成應力集中區(qū),使邊坡內部巖土體沿老滑動面和堆積界面或風化界面產生蠕動變形,后緣張拉裂隙逐漸形成。
(4)大氣降雨影響
邊坡上部堆積層碎石土,土體松散,空隙大,在持續(xù)降雨作用下,雨水極易沿孔隙入滲,使邊坡上部碎石土含水量增加、重度增大,滑坡下滑力增大。同時老滑動面和堆積界面受雨水入滲浸水軟化,以及滑動面孔隙水壓上揚,致使抗剪強度降低,滑坡抗力減小,加劇了邊坡的變形和滑動。
基于上述滑坡主要原因分析和滑坡演化過程數值模擬結果,可以總結巖羊村滑坡的災變機理如下:
邊坡開挖1級后,開挖坡腳部位出現應力集中現象;坡面出現應力松馳,局部進入屈服;邊坡變形以坡面松馳和路基回彈變形為主。
邊坡開挖2級后,除了坡腳應力集中和坡面應力松弛外,可以清晰發(fā)現在表層應力松弛外側和坡體內部沿老滑動面形成兩個應力集中區(qū);這時邊坡出現明顯塑性區(qū),主要在邊坡淺表層和路基卸荷回彈區(qū),并且依附堆積面和老滑面產生剪切蠕滑變形帶。
邊坡開挖3級后,應力調整持續(xù),在邊坡第1級和第2級中上部之淺表層形成明顯的應力松弛區(qū),應力松弛區(qū)左下側形成1個應力集中區(qū);相應地,塑性區(qū)發(fā)展擴大,在邊坡淺表層出現貫通的塑性區(qū)(對應邊坡卸荷松弛區(qū)),同時在其下部對應老滑面附近開始形成塑性區(qū),并在坡體上部產生屈服拉裂;主要表現為依附堆積面和老滑面的剪切蠕滑變形帶向后向上延伸和擴大。
邊坡開挖4級后,應力調整急劇擴大,邊坡第1~3級開挖面淺表層形成1個“貫通”的應力松弛區(qū),坡體內部沿第四系堆積體和全風化砂質板巖交界面、老滑動面、強風化和中風化交界面形成3個帶狀應力集中區(qū);相應地,淺表層大面積出現貫通的塑性區(qū),沿堆積層和全風化交界面向上延伸,同時邊坡開挖頂部自然斜坡局部多處出現受拉塑性區(qū);進而導致路塹邊坡體內形成貫通滑裂面,產生路塹邊坡滑坡變形破壞;同時,沿第4系堆積層界面和老滑動面產生明顯的滑移變形,從而誘發(fā)老滑坡中后部的復活,老滑坡后緣多處拉裂、下錯。
香麗高速公路巖羊村滑坡在建設施工期間,先后經歷了兩次較大的變形破壞和工程治理。
本研究采用RS2有限元軟件對巖羊村滑坡整治工程對策進行分階段全過程數值模擬分析,其中包括坡腳回填反壓、第1次支擋加固和第2次補強加固等主要工程治理階段。
(1)坡腳回填反壓模擬
2016年11月該路塹邊坡滑坡產生后,立即在坡腳進行了反壓回填(原設第2級邊坡),設計反壓高度4 m,寬度18 m。反壓后的穩(wěn)定系數從1.01提高到1.08,坡體穩(wěn)定性得到了明顯提高,有效地控制了裂縫的發(fā)展和擴大,滑坡處于相對穩(wěn)定狀態(tài),為后續(xù)整治工程的實施贏得了時間,對該滑坡的治理具有重要的作用和意義。
(2)第1次整治工程對策模擬
在滑坡前緣應急反壓工程實施后,系統(tǒng)地設計和實施了第1次整治工程。首先進行刷方卸載,并逐級設置預應力錨索框架加固,然后在坡腰和坡腳增設預應力錨索抗滑樁和樁板墻支擋加固。
具體地,在K92+360~K92+590段邊坡第1級設置一排2 m×2.5 m預應力抗滑樁板墻,樁出土4 m,樁長15,20,25,30 m不等,樁間距5 m,錨索預應力為710 kN。邊坡在第1級抗滑樁后按1∶1.0坡率刷方卸載,形成9級路塹高邊坡,第2~8級邊坡坡高8 m,第9級為6 m,設置2 m寬平臺,第3級平臺為8 m。各單級邊坡采用預應力錨索框架梁加固,框格梁間距4 m×4 m,錨索長25 m,30 m,預應力為710 kN。在第3級平臺內設一排2 m×3 m和2 m×2.5 m預應力錨索抗滑樁,樁間距5 m,樁長均為30 m,預應力為710 kN。在邊坡坡口線外33 m處設置1排1.5 m×2 m抗滑樁,樁間距5 m,樁長均為30 m。
該滑坡病害經第1次支擋加固工程整治后,在天然工況條件下的K92+451斷面數值模擬計算結果如圖7所示,計算穩(wěn)定系數Fs=1.17。
圖7 第1次整治工程實施后最大剪應變云圖Fig.7 Nephograms of maximum shear strain after the first renovating project
(3)第2次整治工程對策模擬
2019年9月,在巖羊村滑坡支擋加固措施已施工完成的基礎上,邊坡再次發(fā)生局部變形破壞,因此設計實施了第2次補強加固工程,即增設了2排抗滑樁和1排預應力錨索地梁。
具體地,在K92+199~K92+345段左側第5級邊坡平臺上設置1排2 m×1.5 m抗滑樁,樁間距5 m,樁長30 m。在K92+430~K92+510段左側第6級邊坡平臺上設置1排2 m×1.5 m抗滑樁,樁間距5 m,樁長30 m。在K92+360~K92+535段左側第5級邊坡錨索框架梁的中間增加1排錨索地梁,錨索長30 m,預應力710 kN。
該滑坡病害經第2次補強加固工程整治后,在天然工況條件下的K92+451斷面數值模擬計算結果如圖8所示,計算穩(wěn)定系數Fs=1.23。
圖8 第2次整治工程實施后最大剪應變云圖Fig.8 Nephograms of maximum shear strain after the second renovating project
巖羊村滑坡路段由于路塹開挖引起古老滑坡復活變形和破壞,滑坡病害整治歷經回填反壓、改坡刷方、第1次支擋加固和第2次補強加固等工程對策,并且在第1次支擋加固工程實施過程采用了逐級開挖逐級加固的施工工序??v觀其整治歷時過程,可劃分為起始、路塹開挖、回填反壓、第1次整治、局部工程失效和第2次整治等6個主要工程階段,相應地共分為21個工程對策時步,如表3所示。
表3 滑坡病害整治工程時步及穩(wěn)定性計算結果Tab.3 Calculated time steps and stability of landslide disaster renovating project
如前所述,本研究針對巖羊村滑坡,在宏觀跡象調查評估的基礎上,從災害演化過程到整治歷時過程進行分階段全過程數值模擬分析,研究探討滑坡應力松弛狀況、塑性區(qū)分布特點和最大剪應變發(fā)展趨勢,并采用強度折減法計算穩(wěn)定系數。各時步坡體穩(wěn)定性狀態(tài)如圖9所示。
圖9 滑坡整治工程對策歷時穩(wěn)定性狀態(tài)變化Fig.9 Changes of continual stability state of countermeasures for landslide renovating project
其中,在起始階段,即邊坡開挖之前,計算坡體穩(wěn)定系數Fs=1.25,與該古老滑坡在高速公路建設前歷經多年未發(fā)現任何變形和破壞的宏觀現象一致。
在路塹邊坡開挖階段,當邊坡開挖4級,即開挖第2級邊坡后,路塹邊坡產生嚴重變形和破壞,并誘發(fā)古老滑坡局部復活。此時計算坡體穩(wěn)定系數Fs=1.01,接近極限平衡狀態(tài)。
在第2級邊坡回填反壓階段,反壓后的穩(wěn)定系數達到1.08,宏觀調查反映坡體變形破壞進入一個相對穩(wěn)定狀態(tài),達到反壓的作用和功能。
第1次支擋加固工程實施后,坡體穩(wěn)定系數Fs=1.17,滑坡總體基本穩(wěn)定,局部穩(wěn)定性差。
時至2019年9月,局部工程失效,造成45根錨索錨具脫落,此時計算坡體穩(wěn)定系數Fs=1.07。具體地,K92+210~K92+280段發(fā)生邊坡塌方,K92+428~K92+600段4~6級邊坡出現不同程度下沉變形,第4,5級平臺出現大量裂縫和水溝下沉現象,宏觀變形與數值分析計算結果基本吻合。
第2次補強加固工程實施后,坡體穩(wěn)定系數Fs=1.23,滑坡穩(wěn)定性定量計算結果滿足相關規(guī)范要求。
針對香麗高速公路巖羊村滑坡,采用數值模擬分析方法,反演了滑坡災害的演化過程及整治歷時過程,實現了滑坡災變與治理的全過程模擬,并得出以下結論:
巖羊村古老滑坡路段路塹邊坡開挖產生卸荷應力松馳,在路塹邊坡坡腳附近和中上部古老滑動面及覆蓋土層堆積界面等軟弱不連續(xù)面產生應力集中積聚。在路塹開挖和持續(xù)降雨的共同作用下,開挖邊坡淺表層首先開始松弛屈服,然后是開挖坡面下部對應的古老滑動面及堆積界面相繼進入剪切屈服,產生蠕動滑移變形,并向上牽引發(fā)展和向下推擠擴大直至貫通。從而產生路塹邊坡滑坡破壞、覆蓋土層沿堆積界面滑移、以及古老滑坡體中后部復活變形。
巖羊村古老滑坡病害演化與工程整治歷經路塹開挖、回填反壓、第1次整治、局部工程失效和第2次整治等5個主要工程階段和21個工程對策時步。工程整治對策全過程數值模擬預測評估揭示,其坡體穩(wěn)定狀態(tài)從路塹邊坡開挖失穩(wěn)接近極限平衡狀態(tài),到應急反壓后達到相對穩(wěn)定狀態(tài),充分顯示應急反壓回填工程的有效性;其次,第1次支擋加固工程實施過程模擬和穩(wěn)定性評估結果較好地反映了逐級刷方逐級錨固工序的必要性,并使滑坡總體達到基本穩(wěn)定狀態(tài);最后,第2次補強加固工程實施后,其數值模擬評估結果顯示滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài),滑坡穩(wěn)定性定量計算結果滿足相關規(guī)范要求。對比宏觀變形跡象調查與數值分析計算結果,其各階段工程整治效果評估結果基本相符。