城市复杂条件下边坡稳定性分析

夏 雨

(中国十九冶集团有限公司, 四川成都 610000)

0 引言

城市复杂环境下混合边坡是指,在已有人工改造的情况下,因城市建设需要,对原有基岩的边坡支护进行调整形成的新边坡,该类边坡因周边建设情况复杂,存在道路,小区,学校,停车场等多种公共设施,原边坡支护资料不全,回填情况不清楚等情况,新边坡稳定性分析需考虑情况较多,本文研究对象主要为此类边坡,属于基础设施建设过程中挖填方工程形成的产物。填土部分一般由孤石、块石、碎石和粘性土组成较松散,容易渗水,黏土有弱膨胀性,基岩为全风化-中风化花岗岩。它是一种受人工改造及其存在环境、组成成分、结构及气候所影响的人工改造边坡,具有不连续性,非均质性和各向异性的具有复杂特性的力学介质,因为具备这些以上特性,让该类边坡稳定性的研究具有复杂性。

在类似攀枝花市区这种具有大量基础设施建设项目的区域,因其地质条件的特殊性,在基础设施建设过程中形成大量此类边坡,遇到强降雨天气仍然发生开裂沉降滑坡等地质灾害,给市区人员生活安全、市政道路、市政建筑等生产生活设施造成巨大的威胁,这些情况都需要对该区域的堆积体边坡进行治理,以满足人民安全生产生活需要。

1 工程概况

1.1 地形地貌

场地原始地形属于典型的经过长期剥蚀切割的山地沟谷陡坡地形,局部为陡坎。现经过几次人工改造场地形成了一标段西侧边坡、佳联路及行人梯步,地形呈西高东低,高差最大约 53 m。该场地大范围上属于剥蚀切割型的中低山地貌,微地貌上属于陡坡及台地地貌。

1.2 气象条件

攀枝花市东区气候属南亚热带为基调的干热河谷气候,具有夏季长、温度日变化大、四季不分明、气候干燥、降雨集中、日照多、太阳辐射强、气候垂直差异显著,以及高温、干旱等特点。

1.3 地层岩性

攀枝花市东区出露地层较全,远古界、前古生界、中生界及第四系较发育,新生界分布较零星。研究区主要分布为第四系现代堆积物及远古界花岗岩。

1.4 地质构造

1.4.1 新构造运动与地震

1.4.1.1 新构造运动

区内挽近构造主要表现为普遍的强烈抬升和第三纪的水平运动,于河流沿岸可见高出河谷数十米的基座阶地分布,另还可见第三系地层中褶皱和断裂发育,局部有老断裂复活的现象,且地震活动频繁。

1.4.1.2 地震

研究区位于我国南北地震带中南段, 晚第四纪时断裂有明显的活动显示,特别是离场地最近的拉鲊—新九段为全新世活动段。区内主要遭受外围地区历史强震和场地附近中强地震的影响,影响较大的共有10次,主要沿鲜水河—小江地震带和滇西(腾冲—澜沧断裂)地震带分布(图1)。

图1 研究区地质构造

1.5 水文地质特征

1.5.1 地表水

研究区内以中山河谷地貌为主,径流值相对较低,多年平均径流深在70～300 mm之间。

1.5.2 地下水

研究区主要地下水类型分为2种,松散堆积层孔隙水及基岩裂隙水。

2 已破坏边坡破坏机理分析

2.1 岩土体分布特征

根据对破坏段段边坡的钻孔揭露,边坡的岩土体从上到下的分布与力学特征:沥青混凝土面层(Q4ml):该面层强度高; 素填土(Q4ml):由原路基填筑而成,本为中密—密实状态,但由于填料不均匀,有大块石,碎石和漂块石层,由于雨水渗漏及污水管裂缝影响,细颗粒部分被带走,呈松散—稍密状态,力学性能差,主要分布在西侧、衡重式挡墙内侧,厚度不一; 毛石混凝土(Q4ml):修建衡重式挡墙时回填而成,低压缩性,力学性能好; 漂块石土(Q4ml):主要分布在填土底部,呈稍密—中密状态。 全风化花岗岩:该层力学强度中等,力学性能较好,厚度较大,局部分布,是较好的边坡地层。 强风化花岗岩:压缩性较低,该层力学强度较高,厚度较大,整场分布,可以作为支护结构基础持力层,也是较好的边坡地层; 中风化花岗岩:根据钻探揭露和室内试验,低压缩性土,该层力学强度较高。

2.2 岩体结构面特征

场地岩层为花岗岩,通过地面地质调查和钻探揭露可知,场地内岩体构造节理(裂隙)较发育,据野外调查分析场地基岩中主要发育为3组裂隙(6-3):J1:产状 330°～340°∠68°～75°,裂 面较平整,延伸可达 10 m,张开度 1～3 mm, 无胶结,结合一般, 结构面起伏粗糙,岩屑充填,裂隙间距 0.2～1 m,为硬性结构面,优势节理为 330°∠68°。 J2:产状18°～25°∠30°～35°,裂面呈 舒缓波状,延伸长 2～4 m , 张开度 1～3 mm、少量岩屑充填,结合一般,裂隙间距 0.2～1 m,为硬性结构面。优势节理为 20°∠30°。J3:产状 111°～115°∠66°～68°,裂面较平整,延伸可达 10 m,张开度 1～3 mm,无胶结,结合一般,结构面起伏粗糙,岩屑充填,裂隙间距 0.2～1 m,为硬性结构面。优势节理为 111°∠66°(图2)。

图2 边坡岩体结构面发育特征

3 边坡破坏、挡土墙变形特征及分析

通过对边坡、挡土墙的变形破坏特征及发展演化史进行分析,总结出边坡、 挡土墙变形破坏机制,从而针对性地提出边坡的加固措施。

3.1 挡土墙变形特征

边坡顶佳联路道路出现2条较长裂缝,分别位于加筋挡土墙区域和既有重力式挡墙区域,如图3所示。根据现场实测,边坡加筋挡土墙区域的道路裂缝距坡顶边的水平距离约 19.33 m,距坡脚红线的水平距离约 39.56 m;既有重力式挡墙位置道路裂缝距挡墙顶边缘约 17.25 m。已破坏段边坡挡土墙出现了开裂,根据现场调查发现,挡土墙发生整体倾斜(向外侧),最大水平错距约 10 cm,但是墙身较为完整,未出现明显的变形破裂特征,仅在伸缩缝处出现水泥掉块。已破坏段边坡挡土墙墙脚处的梯步出现了明显的变形错动迹象,同时,部分梯步扶手出现了拉裂现象,从变形迹象上来看,挡土墙整体发生了变形,但是挡土墙本身未出现明显的开裂变形,同时,挡土墙外侧的梯步发生竖向变形及向外侧的水平变形;挡土墙上方的路基的变形裂缝主要集中在路基内侧靠近佳联梦苑小区部位,因此初步判断,路基内侧的裂缝和挡土墙墙脚处的变形裂缝是同一个破裂体系。

图3 挡土墙变形区的分布与开挖面的位置关系特征

3.2 边坡开挖过程中的地下水变化特征

前期项目勘察期间在钻孔内未测得地下水位,坡体内有少量地下水渗出以及西侧地表水下渗变成地下水从中风化花岩里流出。佳联路下面埋有市政排污管道,根据现场调查,该管道已发生泄漏,导致污水渗入到佳联路路基及挡土墙下覆风化岩体。2017年7月进场地勘发现西北侧毛石挡墙有渗水情况。附近居民告知该处挡墙常年渗水(图)。2018年3月19日,开挖至1 215 m标高, 西侧边坡1 210 m～1 230 m平台在开挖时已破坏段南侧发生局部滑塌,至2018年3月25日停止(期间均为晴天)。滑塌后,当时开挖面底部有大量水流出,且有臭味。2018年4月13日,开挖至1 200 m 标高后,西侧边坡已破坏段中部发生局部滑塌。边坡坡脚处在开挖过程中有水体汇集,无明显径流方向。2018年后6月4日开挖至1 194 m标高后,发生局部垮塌,垮塌处及坡脚开挖过程面,可见少部分水体汇集。6月11日有雨,6月12日坡脚汇集大量水体,重力式挡土墙中上部水呈线状流出综合边坡开挖过程中的地下水变化特征,可以初步得出如下结论:

边坡中无明显的地下水位线,佳联路市政排污管道发生渗漏,市政污水已经渗入到边坡,边坡排水不畅;边坡中的裂隙水力系统已经有完整的补给途径,可以接受降水的补给;地下水参与了边坡及挡土墙的变形,在一定程度上促进了挡土墙的变形发生。

3.3 边坡破坏模式分析

边坡挡土墙的滑移-张裂变形的形成演化模式如下:初始阶段,公路下方的市政管道存在污水泄漏,坡脚的风化岩体因荷载作用以及地下水的软化作用而发生压缩变形,但是坡脚临空条件有限,未发生沿着坡脚风化岩体及缓倾坡外结 构面发生明显的剪切变形。这一阶段,挡土墙处于基本稳定状态。随着边坡开挖,渗入路基的水对挡土墙形成静水压力;同时,边坡中下部岩体发生卸荷变形, 衡重式挡墙衡重挡墙衡重式挡墙沿着已有的结构面发生垮塌,导致边坡上部的风化岩体发生松动,从而发生变形, 变形沿着结构面向上扩展;同时,挡土墙下部岩石较大的压缩变形,进一步为挡土墙张裂提供了变形空间。 可以推断,在边坡继续开挖或极端工况下,边坡的变形破坏将继续沿着 J2 结构面(18°～25°∠30°～35°)向上发展,同时,边坡上部分的挡土墙及路径会继续向下压缩变形,最终会和结构面贯通,形成贯通性破裂面。

由以上分析可知,已破坏段边坡挡土墙及路面开裂的主要诱发因素是边坡开挖,诱发因素是路基地下水管网的破裂导致污水入渗。

4 已破坏段边坡加固措施建议

通过现场地质调查及室内分析,边坡的总体变形较为稳定,边坡的的变形及破坏主要受控于 J2 和 J3 这2组结构面,该2组结构面为一陡一缓,可以组合为不稳定性块体。边坡开挖过程中的几次局部垮塌均为这2组结构面切割的块体滑移导致,但是考虑到结构面的延续性,这2组结构面难以形成较大的块体,因此,在已有的支护条件下,应加强对边坡的坡面的清理,同时,宜采用喷射混凝土或主动网对坡面随机块体进行支护。

对诱发边坡变形的因素是路基地下水破裂管网进行及时维修,接入城市排水系统,防止污水再次大量进入。