大潮高速公路路堑边坡灾变机理及防治

蔡有信，袁 坤，刘梦佳

(1.广东大潮高速公路有限公司，广东 梅州 514245； 2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081)

0 引言

随着交通建设不断发展，艰险复杂山区的公路工程也越来越多，但山区滑坡灾害频发对高速公路建设与运营安全造成了较大危害，路堑边坡防护问题日渐严峻[1-4]。因此，加强高速公路路堑边坡的防护治理，对交通安全具有十分重大的意义。

国内外在滑坡防治方面已取得了许多研究成果，例如锚索、抗滑桩、预应力锚索框架等诸多防治手段得到了广泛应用[4-6]。但采用上述手段在治理滑坡问题上也存在着施工周期长、治理成本大和施工安全难以得到保障、特殊地层无法适用等诸多不足。因此，根据应急抢险工程的迫切需求，研究施工周期短、机械化程度高、施工安全性高的新型防治技术，是目前边坡灾害防治亟需解决的课题之一[7-10]。此外大量工程实践表明，准确分析和研究滑坡演化机理，准确判断滑坡特征，对滑坡防治工作将起到关键性和决定性的影响。但由于滑坡种类多、滑坡机理复杂、滑坡成因多样化，对滑坡机理有待进一步全面、深入地研究。

本文以大潮高速公路K49+460～+995段路堑右侧边坡为试验工点，采用多次分段控制注浆“竖向钢花管微型桩+斜向预应力钢锚管锚索”组合框架加固新技术，形成了与“锚索抗滑桩”类似的结构，即形成了与抗滑桩类似的竖向钢花管微型桩群，预应力锚索相当于预应力钢锚管锚索结构。经工程实践应用，探讨该新技术在火山角砾岩和少量中粗粒凝灰质砂岩地层的适用性以及分析了对滑坡稳定性的影响。

1 工程地质条件

大潮高速公路K49+460～+995路堑右侧边坡位于广东省潮州市饶平县境内。原边坡为五级路堑边坡，其中一至四级边坡坡高均为8m，五级边坡坡高直达自然形成的山坡坡顶。其中：一至三级边坡坡率1∶1.25，四至五级边坡坡率1∶1.50；第二级平台宽8m，其余各级平台宽4m。滑坡全貌如图1所示。

图1 滑坡全貌

1.1 地形地貌

大潮高速公路K49+460～+995段处于低山丘陵地貌，自然山坡坡度约25°。植被较发育，边坡全长535m，最大坡高41m，线路走向204°，边坡倾向为114°。

1.2 地层岩性

根据该区域有关的地质资料、现场钻探和野外实地调查结果，发现本路段边坡的岩性较复杂，坡、残积土中掺夹着较多集块，其成份多为火山角砾岩和少量中粗粒凝灰质砂岩。基岩是火山角砾岩及其风化层，滑坡体下伏岩层还可能存在燕山三期花岗岩，滑坡2.5km以外为燕山四～五期花岗岩。

1.3 地质构造

滑坡周边区域地质以侏罗系上统兜岭群(J3dl)火山角砾岩为主，地表覆盖第四系坡、残积粉质粘土、夹块石,下伏基岩为燕山期花岗岩。区域工程地质如图2所示。

图2 区域工程地质

1.4 水文地质

路堑边坡所在山体地下水水位较高，通过深部位移监测孔可知，第一级平台处的地下水水位埋深约为1 m。

1.5 地震

结合本区域地质资料及相关规范[15]得出：路堑边坡所在区域地震动峰值加速度为0.15g，特征频率周期为0.40s，地震设防烈度为7度。

2 滑坡病害特征及变形机理

2.1 滑坡病害

从2019年5月开始，由于受到长时间强降雨的影响，该边坡第一级坡体出现冲沟，如图3所示。

图3 第一级坡坡体冲沟

2019年6月，K49+590～+610段(沟谷段)出现滑塌，K49+610～+650段出现裂缝，如图4～图5所示。

图4 二级平台裂缝

图5 三级平台裂缝

目前，坡体左侧界裂缝已贯通，后缘裂缝最高点的里程约在K49+620段处，该处距路中线的距离约为85m，下错距离约为2m，如图6所示。坡体变形范围为K49+550～+700，长150m。坡面发育多条裂缝和局部滑塌，结合现场调查，剪出口尚未发现。

图6 后缘下错形成后缘陡壁

2.2 深部位移监测及滑面位置的确定

2.2.1 深部位移监测

根据滑坡变形发育特征和位置，在该工点共布设了3个断面13个钻孔，其中在主轴断面II-II'断面上布设5个钻孔，分别为K5～K9钻孔，钻孔监测平面布置如图7所示。根据钻孔相对位移的监测数据，剖面2上的K6、K7、K8位移明显，如图8所示。

图7 滑坡监测钻孔平面布置

图8 典型监测曲线

2.2.2 滑面位置

根据监测曲线可以看出，II-II'断面靠山顶K6监测孔监测错台位置深度19m，K7监测孔浅层滑动面深度7m，一级平台K8监测孔浅层滑动面深度8m。现场调查表明，浅层土在K8钻孔孔口剪出。根据K7和K8孔口剪出的土层可以认为浅层主滑动面倾角15°，另外根据K6孔监测处的变形位置并结合浅层滑动面的倾角可以确定深层滑动面。II-II'断面如图9所示。

图9 II-II'滑动断面

2.3 滑动机理数值模拟分析

2.3.1 边坡断面模型的建立

通过分析监测数据确定了滑动面的位置，采用plaxis2D有限元软件建立II-II'数值模型。土体本构模型采用摩尔库伦模型，采用强度折减法模拟滑坡滑动过程。模型边界条件为底部固定，两边约束水平方向位移，上部保持自由。模型参数根据室内试验结果选取(表1)，模型的网格划分如图10所示。

图10 II-II'断面网格

表1 岩土力学参数

2.3.2 数值模拟计算结果

数值模拟计算结果如图11所示。从滑坡演变过程中可以看出，在滑坡蠕动阶段，滑动面塑性应变区主要出现在主滑段，另外后缘牵引段存在轻微的塑性变形；在滑坡挤压阶段，由于此时塑性区显著增大，并不断向牵引段发展，主滑段塑性区域也逐渐增大；当再次对滑动面土体力学参数折减后，抗滑段也出现塑性区域，此时整个滑动面接近贯通，坡体处于不稳定状态。

图11 II-II'断面模拟演变结果

本文数值模拟较好地再现了边坡由蠕动阶段到滑动阶段滑动面塑性区逐渐由主滑段向后牵引，并不断挤压抗滑段的全过程。

3 滑坡整治工程措施

3.1 滑坡推力计算

3.1.1 强度指标的确定

本文以II-II'断面为例进行了滑动带土强度指标的反算。结合现场调查发现，滑坡后缘裂缝已经形成并贯通、边坡坡面均出现多道裂缝，结合滑坡防治工程经验，可以判定此时边坡处于微动阶段，对主滑带岩土体强度指标参数进行反算(本文边坡取稳定性系数Ks=0.95)。具体的反算结果见表2。

表2 滑带土强度指标反算结果

3.1.2 滑坡推力计算

3.1.2.1 正常工况

本文采用不平衡推力法对滑坡推力进行了分析。根据工程的重要性并按《建筑边坡工程技术规范》(GB50330-2013)的要求，取该段的高速公路稳定性系数Ks为1.2。在未考虑钢锚管劈裂注浆加固工况下，滑坡推力计算结果见表3。

表3 正常工况未考虑注浆滑坡推力计算结果

通过劈裂注浆提高滑动带土体强度是目前常采用的方法，根据边坡劈裂注浆前后取样的室内岩土直剪试验结果，可以看出劈裂注浆后该边坡滑带土强度指标φ2提高了1°，主滑带内摩擦角为13°，滑坡剩余水平下滑力的计算结果见表4。

表4 正常工况考虑注浆滑坡推力计算结果

3.1.2.2 地震工况

根据该区7度地震烈度和水平地震力计算公式Ge=aw·G(式中:Ge为结构总水平地震作用标准值，aw为结构基本自振周期的水平地震影响系数值，G为结构等效总重力荷载)，并依据《公路滑坡防治设计规范》[15](JTG/T 3334-2018)的要求，取地震工况下设计稳定性系数Ks=1.15对水平下滑力进行了计算。计算所采用的主滑段粘聚力C2=15kPa，内摩擦角φ2=13°，计算结果见表5。

表5 地震工况下剩余水平下滑力计算结果

3.1.2.3 暴雨工况

依据《公路滑坡防治设计规范》(JTG/T 3334-2018)，在暴雨或连续降雨状态下稳定性安全系数取1.15,滑体按饱和重度γ=22kN/m3取值，主滑段粘聚力C2=15kPa，内摩擦角φ2=11.3°进行计算。

从表6可以看出，天然工况下滑坡推力为990kN/m，地震工况下滑坡推力为1 853kN/m，暴雨工况下滑坡推力为1 332kN/m。本滑坡处治工程按最不利工况(地震工况)计算滑坡推力并进行加固设计。

表6 暴雨工况滑坡推力计算结果

3.2 处治设计方案

3.2.1 设计方案的选取

由于坡体残坡积层较厚，且为松散碎块石土，地表水易下渗，因此考虑采用劈裂注浆技术。通过劈裂注浆来对松散碎石土的空隙区域进行充填和挤密，提高滑带岩土体整体强度指标。此外考虑到边坡已经滑动，为了提高边坡的稳定性，还需增加边坡抗滑力，因此还考虑了边坡锚固。

为了将劈裂注浆技术和锚固技术相结合，本文认为多次分段控制注浆预应力钢锚管锚索组合结构加固新技术较适用，该技术通过以往工程案例的实际效果，表明对边坡处治具有较好的适用性。

3.2.2 设计方案

根据现场调查和模拟结果分析，采用竖向钢花管微型桩群+斜向预应力钢锚管锚索组合框架梁对滑坡面进行加固。竖向钢花管微型桩群采用混凝土板浇筑并与边坡框架梁现浇成一个整体，这也是将微型桩与预应力钢锚管锚索形成了预应力锚固+微型桩群组合结构的新技术。

II-II'支挡加固的断面如图12所示。

图12 II-II'支挡加固断面

3.3 滑坡加固后的数值模拟

采用“预应力锚固+微型桩群组合结构”新技术对原始滑坡进行加固后，本文采用数值模拟方法对加固效果进行了数值计算。加固后的计算模型如图13所示。

图13 II-II'支挡加固断面网格

图13中各土层的类别及计算参数取值见表1，模型的边界同上文所述一致。

从数值模拟计算结果可以看出，在滑坡的不同阶段进行支护加固，相同的支护结构得到的支护效果是不一样的。模拟结果表明，在滑坡演变的早期阶段(蠕动阶段)进行支护，能够取得较好的支护效果。与滑坡挤压阶段、滑动阶段相比，滑坡区域土体的稳定性更好。

图14所示为在滑坡演变不同阶段支护加固中一根钢花管的位移分析结果，可见钢花管管顶的位移随着滑坡的不断演变逐渐增加，该现象和以往实际防护工程的检测数据一致，这也验证了本文数值模型的准确性。

图14 II-II'支挡加固断面钢花管位移

4 结论

(1)结合本工程地质条件，边坡为残坡积层，坡残积厚度大，路基面以上未见基岩，坡面见松散的碎块石，本文边坡滑坡发生的主要原因是人工开挖坡脚，造成坡脚临空，外加降雨和地表水下渗，导致坡体滑动。

(2)通过劈裂注浆对松散碎石土空隙进行充填、挤密，提高了滑带岩土体的强度指标，大大提升了滑带的抗滑力，基于此，本文采用锚固技术来提高边坡的稳定性。通过现场数据监测和模拟结果可以看出，劈裂控制注浆技术和锚固技术相结合的竖向钢花管微型桩群+预应力钢锚管锚索组合加固新技术，在该工况下可以得到较好的应用效果，对该边坡处治具有较好的适用性。

(3)本工程采用多次分段注浆预应力钢锚管预应力锚索加固，可有效地解决锚索安装难度大的技术问题。

(4)通过对滑坡演变过程进行模拟，可以发现在滑坡的不同阶段进行加固，相同的支护措施取得的支护效果相差较大。因此，滑坡支护应在滑坡演变的早期或中期进行，此时支护效果较好且工程成本较低。