邊坡變形破壞及防護措施

1、湖南文理學(xué)院芙蓉學(xué)院2010級土木工程地質(zhì)大作業(yè)題目：邊坡變形破壞的防護措施班級：土木1006姓名：劉文學(xué)號：10190617日期：2012-5-2 邊坡變形破壞的防護措施1 引 言公路建設(shè)是在地質(zhì)體上進行的人類工程活動，在建設(shè)過程中由于忽視或未重視邊坡地質(zhì)體及地質(zhì)環(huán)境的分析與評價常引發(fā)一系列的邊坡變形或邊坡滑動地質(zhì)災(zāi)害等問題。例如四川省境內(nèi)的高速公路及重點公路建設(shè)過程中，國道108線西昌段、成雅高速公路、318國道的二郎山隧道東、西進出口引道段、國道107線岳陽四方嶺段、川藏公路等均不同程度的出現(xiàn)了邊坡（滑坡）地質(zhì)災(zāi)害或產(chǎn)生了邊坡失穩(wěn)的問題，從而嚴重影響了工程建設(shè)及運營的正常進行，也使得對公

2、路邊坡的加固或整治費用遠高于修建道路的費用。國道108線廣元南段公路通過地段大多為低山丘陵紅層分布區(qū)，建設(shè)中遇到了公路路基高填深挖等一些特殊工程地質(zhì)問題。由于該段路線長、跨越地質(zhì)地貌單元較多，從勘察設(shè)計到施工周期短，未能全面地認識沿線的路基工程地質(zhì)條件，及時地發(fā)現(xiàn)和解決存在的工程地質(zhì)問題。沿途的路線邊坡雖在路基開挖期間進行了一定程度的處理，但在工程建設(shè)過程中仍有多處邊坡發(fā)生坍滑、滑動和崩落，嚴重影響了已通車路段的行車安全和公路正常使用，阻礙了當時正在施工路段的路面鋪筑和交通工程設(shè)施等施工工程。廣南段公路路線基本沿著構(gòu)造線方向展布，使得路塹邊坡有一側(cè)構(gòu)成順層坡。盡管這些順層邊坡傾角很小，一般均在

3、十余度，但在施工過程中多處發(fā)生變形或者滑動破壞不僅造成巨大的經(jīng)濟損失，而且延誤了工期。施工中采取了一些加固措施但效果不佳，其主要原因是對工程邊坡的地質(zhì)條件認識不足，尚未查清邊坡變形破壞的主控因素和變形破壞機制，因此治理措施具有盲目性，不能達到治理的目的或有的造成大的浪費。本文對邊坡巖體工程地質(zhì)特征和巖體力學(xué)條件進行充分調(diào)查分析、對緩傾角層狀邊坡的變形破壞機制研究和穩(wěn)定性評價的基礎(chǔ)上，提出了較為合理的邊坡整治、支護方案，通過實施后的工程驗證說明方案是合理有效的。2 研究區(qū)工程地質(zhì)概況2.1 工程概況國道108線廣南段公路邊坡主要以侏羅系砂巖、泥質(zhì)粉砂巖和泥巖為主，第四系只在近河床部位分布較普遍，

4、而在邊坡的中上部只有薄層覆蓋，滑坡的形成與邊坡巖體的性質(zhì)有關(guān)。本文對緩傾層狀邊坡變形破壞的分析研究主要是以國道108線廣南段K24、K28兩段典型邊坡為例進行討論的。K24滑坡位于廣元市盤龍鎮(zhèn)共和村三隊嘉陵江級階地以北，國道108線廣南段K24+850K25+090 ，滑坡地處嘉陵江沖刷岸，地勢南東低北西高從滑體中部通過。從50年代至80年代曾出現(xiàn)過多次小范圍滑坡，未造成較大的危害。1997年6月在滑坡前緣修筑高速公路，由于路基開挖、放炮震動，1998年6月滑坡整體發(fā)生蠕滑變形。1999年4月滑坡中部產(chǎn)生大幅度滑動解體，滑坡堆積物覆蓋路基約三分之二，直接對公路建設(shè)造成危害。K28滑坡位于廣元市

5、中區(qū)盤龍鎮(zhèn)東南部4km，新建國道108線廣南段，滑坡地處嘉陵江沖刷岸，地勢南東低北西高，相對高差106m，地形坡度下緩上陡，坡面傾向嘉陵江，坡度1025°，平臺后緣是巨厚層砂巖形成的陡崖，坡度6580°，高約2532m，滑坡基本上為巖質(zhì)順層滑坡。2.2 工程地質(zhì)條件概述國道108線廣南段屬于四川北部丘陵地貌單元，以渾圓型山丘為主，路基處于嘉陵江沖刷岸，地形坡度上陡下緩，坡面傾向嘉陵江，受巖性影響，在泥質(zhì)含量高的巖性部位為寬緩的平臺或緩坡，巨厚層或厚層砂巖常形成陡崖。該區(qū)出露地層主要為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組和白田壩組砂泥巖，其次是殘坡積層和滑坡堆積層，以及人工填土。地質(zhì)構(gòu)造上位于

6、走馬嶺向斜南翼，為一單斜構(gòu)造，巖層傾向290300°，傾角。構(gòu)造裂隙和卸荷裂隙發(fā)育，總體上平直稍粗糙，多夾軟塑狀的表生夾泥，給邊坡穩(wěn)定帶來直接危害。該區(qū)地下水按賦存狀態(tài)分為基巖裂隙水和松散巖類孔隙水，大氣降雨和江水是地下水的主要補給來源，基巖風(fēng)化裂隙帶富水性強，微風(fēng)化基巖富水性較弱，從開挖基坑出水量來看，旱季孔隙水基本干枯，風(fēng)化基巖裂隙水量較大。3 邊坡變形破壞的概念模型圖1 K24 滑坡I-I'工程地質(zhì)剖面圖研究區(qū)邊坡巖體緩傾向坡外，巖體中發(fā)育有平行于坡面的和近垂直于坡面的兩組節(jié)理，并在多處出露泉水。在風(fēng)化、卸荷作用下，降雨沿裂隙滲入巖體中，使裂隙張開并向深部發(fā)展，加快了巖

7、體的變形破壞進程，最終發(fā)展成滑坡。本文以國道108線廣南段K24、K28兩處邊坡變形破壞實例為研究重點，分析該區(qū)緩傾角層狀邊坡的變形及破壞機理。3.1 K24滑坡的變形與破壞K24滑坡稱為八廟梁滑坡，位于廣元市盤龍鎮(zhèn)嘉陵江級階地以北，國道108線廣南段K24+850K25+090從滑體中部通過。該區(qū)地形北高南低，八廟梁山標高509.60m，最低標高469.65m，八廟梁東北側(cè)為李家溝，西側(cè)為廟子溝，南側(cè)為嘉陵江、級階地，其上為密集的農(nóng)舍。該區(qū)三面臨空，有利于滑坡形成。國道108線在修建過程中，在滑坡中前部挖方、放炮、破壞了斜坡的自然平衡，致使滑坡上裂隙貫通形成連續(xù)滑動面，加之地下水活動頻繁，促

8、使滑坡得以復(fù)活，產(chǎn)生滑動。滑坡的基本特征八廟梁滑坡平面形態(tài)呈碟形，外貌形態(tài)呈羅漢肚形，中部向山外突起，兩側(cè)向山內(nèi)收斂，滑坡邊界北起山頂洼地后緣，標高507.30m。南至楊家院子前，標高474.73m。西邊界以廟子溝（K24+875）為界，東邊界至K25+090?；麦w前緣至后緣高差32.57m，坡向145°，坡度10°20°，縱向呈階梯狀?；w平均長192m，平均寬215m，滑體平均厚10.3m，總方量約32.68×104m3。根據(jù)鉆孔揭示，八廟梁滑坡自上而下可分為殘坡積粉質(zhì)粘土、散粒巖體、層狀碎裂巖體（見圖1）。3. 1.2 滑（面）帶土特征滑面形狀呈

9、弧形，后緣較陡，后緣傾角20°38°；前緣反翹，傾角0°-13°。次級滑面位于滑坡散粒巖底部和貫通性裂隙巖石底部，深層滑面位于強風(fēng)化泥巖層底面與泥質(zhì)砂巖接觸帶，滑面上泥巖被泥化，泥質(zhì)包裹砂巖角礫，并見摩擦痕跡。滑帶土的物質(zhì)組成為青灰色泥質(zhì)頁巖泥化的粉質(zhì)粘土，夾次棱角狀泥巖碎塊，含水量1023%，呈可塑至軟塑狀，厚1525cm。 滑坡的變形特征八廟梁滑坡從50年代至80年代曾產(chǎn)生過多次小范圍滑坡，未造成較大的危害。1997年6月在滑坡前緣修筑高速公路，由于路基開挖、放炮震動，1998年6月滑坡整體發(fā)生蠕滑變形。1999年4月滑坡中部產(chǎn)生大幅度滑動解體，滑坡

10、堆積物覆蓋路基約三分之二，直接對公路建設(shè)造成危害。3.2 K28滑坡的變形與破壞K28滑坡位于廣元市中區(qū)盤龍鎮(zhèn)東南部4km，新建國道108線廣南段?；碌靥幖瘟杲瓫_刷岸，地勢南東低北西高，相對高差106m，地形坡度下緩上陡，坡面傾向嘉陵江，坡度1025°，平臺后緣是巨厚層砂巖形成的陡崖，坡度6580°，高約2532m。 滑坡的基本特征該滑坡平面形態(tài)呈“蠶豆”狀，外貌形態(tài)呈高陡斜坡?；禄旧蠟閹r質(zhì)順層滑坡?；逻吔缒掀餕28+530公路右側(cè)，北至K28+930公路右側(cè)，平均長約400m；老滑坡后緣位于公路左側(cè)原地面陡壁，前緣位于嘉陵江枯水位以下，寬約90m，滑體平均厚度81

11、0m，總方量約36×104m3。新滑坡后緣位于公路右車道，局部跨超公路中線，前緣進入嘉陵江中。根據(jù)鉆探揭示資料來看，滑坡體從上至下分為人工填土和棄土、粉質(zhì)粘土夾碎塊石、巨石和似層狀碎裂巖（圖2）。鉆孔及勘查資料揭示該滑坡有2個滑面，深層滑面深度810m，淺層滑面深度36m?；瑒用娼嵌壬隙赶戮彛收劬€形或階梯狀。從鉆孔巖心觀察，滑動鏡面不太明顯，但滑帶土清楚；在ZK29孔12.412.6m見到軟塑狀粘土夾碎塊石，根據(jù)投影計算滑面傾角67，滑動面追逐卸荷裂隙發(fā)育。另外，從抗滑樁基坑中可觀察到1215m深度發(fā)育上窄下寬的陡傾滑移拉裂縫，裂縫寬1520cm，內(nèi)充碎石夾泥。 滑坡的變形特征由于

12、嘉陵江水沖刷坡腳，造成邊坡失穩(wěn)，由于滑坡卸荷減載，減少了下滑推力有利于老滑坡的穩(wěn)定，所以滑坡中上部變形小或不明顯，但由于在滑坡中前即公路右車道和右側(cè)邊坡填方加載，原來基本處地穩(wěn)定狀態(tài)的斜坡平臺產(chǎn)生滑移，右側(cè)砌坎置于滑體碎裂巖之上，雨季必然坐船下滑，因此公路右車道及邊坡堡坎變形尤為明顯。3.3 緩傾角層狀邊坡變形破壞機制3.3.1 邊坡變形破壞的模擬研究基本趨于穩(wěn)定，但如果遇到強降雨或地震，其也有可能產(chǎn)生失穩(wěn)破壞。新滑帶土的破壞接近程度一般在1.0左右，個別部位大于1.52.0，說明新滑體在滑坡發(fā)生以后，處于蠕滑階段，必須采取抗滑支擋措施。采用二維有限元計算軟件“2Ds”進行數(shù)值分析，計算所得的

13、斜坡變形網(wǎng)格和破壞接近程度等值線。當斜坡形成以后，在各種表生地質(zhì)的長期作用下，斜坡已顯示出變形特征。從破壞接近程度等值線圖中可以看出，在老滑帶上，滑帶土的破壞接近程度一般在0.81.0之間，其中間局部部位的破接近程度大于1，說明老滑體在新滑坡滑動以后，3.3.2 邊坡變形破壞機制分析（1）滑移拉裂型變形破壞。該類型邊坡的特點是坡度小、坡高也不大，以廣南K24邊坡為典型及其它類似邊坡等。邊坡巖層層面和兩組陡傾裂隙構(gòu)成的不利結(jié)構(gòu)面組合，是控制這類邊坡變形破壞的主要因素之一。其中，軟弱的層面緩傾坡外，施工開挖過程中極易暴露，由此產(chǎn)生典型的滑移拉裂型滑坡。（2）塑流拉裂型變形破壞。該類邊坡的特點是邊坡

14、高陡，在巨大的自重應(yīng)力和卸荷回彈作用下，極易產(chǎn)生滑移壓致拉裂變形，從而在邊坡巖體中產(chǎn)生一系列的下寬上窄壓致拉裂縫。當然，在暴雨作用下，若后緣拉裂縫發(fā)育，也可能產(chǎn)生平推式滑坡。由于邊坡下部巖體由軟弱泥巖、頁巖構(gòu)成，在長期自重應(yīng)力作用下，也可能產(chǎn)生塑流拉裂變形破壞。4 滑坡穩(wěn)定性計算及整治措施研究4.1 穩(wěn)定性計算根據(jù)前期勘察資料和現(xiàn)場調(diào)查，利用室內(nèi)試驗資料，在校核原有資料的基礎(chǔ)上，對K24、K28滑坡分別進行了穩(wěn)定性評價。本次計算采用不平衡推力法進行穩(wěn)定性評價，計算中考慮了地下水引起的孔隙水壓力和動水壓力，分滑帶土飽水和天然狀態(tài)兩種方案進行評價。計算結(jié)果表明，K24滑坡淺滑面在天然和飽水情況下均

15、處于不穩(wěn)定狀態(tài)，深層滑面在天然狀態(tài)下處于穩(wěn)定狀態(tài)，但飽水狀態(tài)下穩(wěn)定性系數(shù)大大低于安全系數(shù)（1.25），這與野外地質(zhì)調(diào)查和觀測的跡象吻合。對于淺層滑坡體，應(yīng)采取排水和增強淺層滑坡抗剪力的防治工程措施。對于深層滑坡體，由于天然狀態(tài)下穩(wěn)定性很好，飽水狀態(tài)下穩(wěn)定性系數(shù)大大低于安全系數(shù)，從安全角度也需對其進行加固處治?？紤]該滑坡體后緣山體平緩單薄，兩側(cè)溝谷發(fā)育，大氣降雨是滑坡體地下水的唯一補給來源，只要設(shè)置完善的地表截排水系統(tǒng)，即可大大提高深層滑坡體的穩(wěn)定性。因此，構(gòu)筑完善的截排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，僅針對淺層滑面采取抗滑支擋措施，可以降低處治工程費用。 對K28滑坡計算結(jié)果表明，在飽水狀態(tài)，淺層滑面、中層滑

16、面的穩(wěn)定性系數(shù)皆小于1.0。它們的滑動破壞，將會對路基的穩(wěn)定性構(gòu)成威脅。在天然狀態(tài)下，該滑坡的上游段將會發(fā)生失穩(wěn)，這已被現(xiàn)場的變形和破壞特征所證實。嘉陵江水位的上漲將會對滑坡的穩(wěn)定性造成影響，枯水位起，隨著水位的上升到洪水位，滑坡上游段穩(wěn)定性將會逐漸降低，到洪水位降到最小。因此，應(yīng)使滑坡體中地表水的有效排出，防止水的入滲，避免因滑帶飽水而降低穩(wěn)定性系數(shù)致使滑坡再次失穩(wěn)。同時，增加滑坡底滑面的抗剪強度，防止坡體沿滑面發(fā)生剪切破壞。4.2 緩傾角層狀邊坡整治措施研究廣南高速公路巖質(zhì)邊坡大多為緩傾層狀巖層。由于路線基本沿著構(gòu)造線方向展布，使得路塹邊坡總有一側(cè)構(gòu)成順層邊坡，如廣南K24、K28邊坡，過

17、境段K10和崔家埡隧道進口邊坡。在這種緩傾層狀巖質(zhì)邊坡中開挖，邊坡巖體的變形破壞特征與厚層狀巖體或陡傾邊坡有著明顯不同。緩傾坡外的層面構(gòu)成理想的底滑面，而陡傾坡內(nèi)的裂隙構(gòu)成后緣邊界，與邊坡走向近于垂直的陡傾裂隙構(gòu)成側(cè)向邊界。這種結(jié)構(gòu)面不利組合，極易導(dǎo)致邊坡巖體整體失穩(wěn)。巖層有兩個對邊坡穩(wěn)定具有重要意義的工程性質(zhì)：第一，是其垂直于層面方向上的抗拉強度較低，出現(xiàn)陡傾裂隙的地方甚至為零；第二，是層面處的抗剪強度遠比完整巖石低。這兩個特性決定了層狀巖層對開挖產(chǎn)生的特殊力學(xué)反應(yīng)，開挖后邊坡的應(yīng)力分布與破壞同均質(zhì)巖體有著明顯差異。邊坡開挖后，邊坡中緩傾角結(jié)構(gòu)面和陡傾角結(jié)構(gòu)面控制著邊坡的變形破壞方式，在邊坡

18、治理和施工控制中應(yīng)針對緩傾結(jié)構(gòu)面（即層面）進行。4.2.1 邊坡整治方法適宜性分析邊坡加固處治方法有削方減載、截排水系統(tǒng)、抗滑擋墻、抗滑樁以及錨固措施等，在各種地質(zhì)環(huán)境和工況條件下均有成功和失敗的例子。究其原因，主要在于對工程邊坡的地質(zhì)條件認識不足，對邊坡變形破壞的主控因素和變形破壞機制研究不夠深入。導(dǎo)致加固處治設(shè)計具有盲目性，不能達到治理的目的，或造成過大浪費。下面在對邊坡變形破壞機制及影響因素研究的基礎(chǔ)上，對各治理措施的適用性和處治效果進行評述。（1）削方減載。 削方減載是一種通常的、行之有效的邊坡加固處治方法，但其約束條件比較嚴格。首先，必須有可供減載的施工場地。因削方減載應(yīng)在潛在滑移面

19、的“主滑段”進行，而這些地段常常坡度較陡，場地狹窄。其次，應(yīng)有足夠的棄渣場。最后，對于已通車的公路邊坡，削方減載將影響正常交通。K24邊坡二維有限元計算分析結(jié)果表明，由于邊坡坡度較小，最大及最小主應(yīng)力的應(yīng)力集中不太明顯，僅在坡體底部滑動帶上有一定的剪應(yīng)力集中。顯然，削方減載對改變邊坡應(yīng)力狀態(tài)，提高邊坡穩(wěn)定性的作用不大。但部分削方減載可減小殘余下滑推力，降低支擋結(jié)構(gòu)的工程費用。K28邊坡二維有限元計算分析結(jié)果表明，由于邊坡坡度較陡，最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力和剪應(yīng)力的應(yīng)力集中均較明顯。此時，削方減載可以降低邊坡坡度、改善邊坡應(yīng)力狀況，從而提高邊坡的整體穩(wěn)定性。但由于棄渣場問題，加之K28邊坡清方后會

20、影響后坡的穩(wěn)定性，故不宜采用這種措施。（2）截排水系統(tǒng)。據(jù)地面地質(zhì)調(diào)查，國道108線廣南段緩傾角層狀邊坡在施工過程中多處滑坡基本上均在雨季產(chǎn)生，表明該類邊坡的失穩(wěn)與地下水的物理地質(zhì)作用密切相關(guān)。此外，K24、K28邊坡二維有限元分析結(jié)果表明飽水狀態(tài)下，邊坡巖體應(yīng)力集中程度、剪切位移量等較之天然狀態(tài)要大。而邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果也更直接顯示，這類邊坡在飽水狀態(tài)下穩(wěn)定性明顯降低。事實上，這類看似穩(wěn)定的緩傾角層狀邊坡在天然狀態(tài)下穩(wěn)定性一般較好，頻繁地發(fā)生滑坡只能說明地下水物理地質(zhì)作用的影響較大。因此，針對這類邊坡，設(shè)置完善的截排水系統(tǒng)不僅是有效的，而且是必須的。應(yīng)注意的是，截排水系統(tǒng)應(yīng)在路基施工前期完成

21、，有效保證施工的安全，并抑制邊坡開挖可能導(dǎo)致的邊坡穩(wěn)定狀況惡化。截、排水系統(tǒng)失敗不僅浪費人力物力，且可能導(dǎo)致地表水集中下滲，使邊坡穩(wěn)定狀況更差（如廣北K33邊坡）。故需在截排水系統(tǒng)設(shè)計中，必須充分考慮邊坡巖土體的特點及其變形破壞機制，設(shè)計盡可能有效的方案。（3）抗滑樁及抗滑擋墻?？够瑯都翱够瑩鯄ζ渥饔脵C理、設(shè)計理論和施工技術(shù)都比較明確和成熟，在工程實踐中應(yīng)用比較廣泛。這種邊坡加固措施的缺點在于：被動受壓，不能充分發(fā)揮巖土體的自身強度；對地基巖土體強度要求較高；工程造價較高；機械化程度較低（人工挖孔樁），施工周期較長；對深層滑動面無能為力。根據(jù)K24這類坡度較低的緩傾角層狀邊坡二維有限元計算分析

22、，邊坡巖體應(yīng)力集中不明顯，設(shè)置完善的截排水系統(tǒng)和采用抗滑樁無疑是一種行之有效的方法。K28邊坡二維有限元計算分析及邊坡變形破壞機制以滑移壓致拉裂為主，發(fā)育的傾拉裂縫（間距約1-3m）和較陡的邊坡坡度的特點，抗滑樁雖起到一定程度的抑制變形的作用，但不能完全消除邊坡巖體變形?？梢哉J為，對這類邊坡坡度較陡的緩傾角層狀邊坡，抗滑樁的功能不能有效發(fā)揮。（4） 錨固措施。錨固技術(shù)因其獨特的加固效應(yīng)、簡便的加工及施工工藝、經(jīng)濟的造價在巖土工程中鞏固其重要地位。尤其在現(xiàn)今技術(shù)條件下，無論塊狀巖體還是土體（硬土層或軟土層），都可以使用錨固技術(shù)來加固。K24、K28邊坡的二維有限元分析和物理模擬結(jié)果都顯示出，巖體

23、應(yīng)力最集中部位、位移變形最大部位均在邊坡表層巖體中。針對這種情況，在邊坡表面設(shè)置短錨桿，抑制邊坡表部巖體變形是行之有效的。但值得注意的是，上述錨固措施僅使得邊坡表部巖體應(yīng)力集中程度降低、變形量減小。對于深部巖體應(yīng)力狀況和變形沒有明顯的改善，不能阻止整個邊坡巖體的滑移壓致拉裂變形。因此，上述短錨桿支護宜作為處理邊坡表部不穩(wěn)定巖體，或作為施工臨時支護措施。對于K24類邊坡由于坡度較小，不適宜施作錨桿。K28這類邊坡，錨固措施可限制邊坡巖體累進性破壞，對改善邊坡穩(wěn)定狀況是有作用的。 整治措施的實施通過對K24類邊坡整治方法綜合分析的基礎(chǔ)上，采用了抗滑樁和構(gòu)筑完善的截排水系統(tǒng)的加固處治措施。通過對K28類高陡邊坡的整治方法綜合分析的基礎(chǔ)上，對左側(cè)高陡上邊坡采用了短錨桿工程整治措施；公路右側(cè)滑坡