膨胀岩路堑滑坡机理分析及稳定性验算

刘顺林

（河北省张承高速公路筹建处，河北 张家口 075000）

0 引言

根据社会发展需要，各项工程建设波及范围越来越广，规模也在不断扩大。由于我国地域广阔，地质条件复杂多样，所涉及和面临的各种工程地质问题逐渐凸现出来。与此同时，膨胀岩边坡工程随之增多，因膨胀岩所带来的边坡失稳、滑坡等问题也被提上日程，引起了广大工程技术人员的高度重视。

张承高速公路是河北省高速公路网布局“五纵、六横、七条线”中“线1”的重要组成部分，它与京藏、张石、宣大高速公路有机联接，对于河北省高速公路网的形成，增强路网综合功能具有十分重要的作用。同时该项目即将列入北京大外环高速公路网，将与东北及沿海高速网连接，对建立京张承一体化的旅游格局，促进旅游业发展，带动沿线矿产的开发，加快坝上地区的脱贫致富，促进区域经济的协调发展，加速建设沿海经济社会强省的实现具有重要的意义。它的建设不仅对发展张家口与承德地区经济，而且对国家的经济、政治和国防建设都具极其重要的现实意义和长远的战略意义。该项目RK18+045～RK18+170段为膨胀岩路段，在开挖刷坡后，受降水等影响，产生了大面积滑坡。为制定合理可行的处理方案，针对膨胀性岩土这一不良地质条件下边坡的加固工程展开研究，详细分析出现问题的内在原因和机理。

1 滑坡工程地质特征

1.1 滑坡形态

该滑坡位于张家口市里东窑西部约1km处，由于路堑开挖对原始地貌的影响，造成了膨胀岩（斑脱岩）的滑坡。呈典型的“圈椅状”地貌形态，前缘在开挖平台上鼓起、突出，形成明显的滑坡舌，后端形成了高约2～3m的陡坎，滑体后端由于张拉产生的裂隙较多，宽度约20～30cm。在路堑边坡坡面形成了明显的滑床与滑体分界，从路堑坡面上可见，该滑坡呈圆弧形滑动面，但后部受到了流纹岩的限制，因此，整体呈现出非典型的圆弧滑动形态。滑坡全貌如图1所示。

图1 滑坡全貌

1.2 滑体岩土特征

分别在滑坡的前缘中部、右侧及右侧缘上部、中部和下部等七个位置分别进行探坑取样，进行测试，剪切试验采用了直剪快剪试验方法进行，所得结果如表1所示。

表1 滑体土物理力学性质指标统计表

2 滑坡变形机理分析

2.1 在主滑动方向上截取剖面，采用bishop法进行圆弧滑动法分析

根据《公路路基设计规范》（JTG D30—2004），计算了饱水状态下滑坡稳定性。利用极限平衡法进行滑坡稳定性计算一般要提供滑坡土体的重度，滑动面的内聚力和内摩擦角。该滑坡为类土质滑坡，滑体土不均匀，天然状态下滑体土的重度参考土工试验成果取17.57kN/m3。

滑面强度参数取值根据土体室内试验值及反算综合考虑。由于该滑坡目前处于蠕动挤压状态，实际的安全系数应该小于1，对路堑边坡坡面的滑动痕迹调查可知，滑动基本上为圆弧滑动。以试验数据为基础，计算安全系数可得到：Fs＝0.464，该安全系数明显偏小，由最不安全滑动面搜索结果可见，滑动面基本符合现场情况。实际上，按试验所得到的参数对原始坡面进行稳定性演算，也会得到稳定性小于1的结果，即原始边坡也是不稳定的。实际上，原始的结构未坡坏的岩体强度要远远好于现在受到扰动岩体的保护剪切强度，因而原始边坡是稳定的，膨胀性岩体的长期暴露及大气降水是成本膨胀岩滑坡的基本条件。

同时根据野外调查和勘探，该滑坡是在刷坡过程中产生的，开挖高程至980m附近时，产生了斜向沟内的滑坡，滑坡方向与路线方向斜交，向沟内方向滑动。

2.2 造成滑坡的原因分析

2.2.1 由于该处斑脱岩具有遇水膨胀，力学性能差的特点，从而形成滑体，使其具备了滑坡的条件。

2.2.2 由于开挖后坡面长期得不到封闭，造成膨胀岩的风化、松弛，力学性能降低，同时，开挖后长期不封闭，造成雨水的下渗，卸荷后的松弛作用使岩体产生裂隙，同时，膨胀岩中对于流纹岩的夹杂使变形不均匀，从而进一步形成裂隙，形成了雨水下渗的通道，从而为本滑坡产生创造了条件。

2.2.3 高边坡开挖过程中，由于放炮及土方开挖等工程因素，造成土体结构松动，边坡前缘形成高陡临空面，边坡土体发生应力重分布，是形成滑坡的另一重要因素。

3 滑坡稳定性分析

3.1 参数的敏感性分析

以试验为基础资料，分别对c和Φ进行了参数的敏感性分析，其中，根据试验结果，设定Φ平均值设定为3.53°，最小2°，最大10°，c值平均设定为17.57kPa，最小9kPa，最大44kPa，敏感性分析的结果见图2和图3。

图2 参数Φ的敏感性分析

图3 参数c的敏感性分析

敏感性分析可知，Φ对稳定系数影响较大，当Φ为13.28时，安全系数就可达到1.015，而对于c值变化敏感性较小。

3.2 参数反演

根据以上综合分析可知，虽然按室内试验结果进行滑动面搜索时可以得到与现场较为相似的滑动面，但计算所得安全系数偏小，不符合工程实际要求，而根据敏感性分析可知，滑坡的稳定性安全系数对Φ较为敏感，而对c值不太敏感，因此，采用试验所得到的平均c值，以实际调查所得滑动面作为现在滑动面进行参数反算，即：参数c按试验值为17.57kPa，由于滑坡仍处于蠕动状态，设定安全系数Fs＝0.95，反算Φ。

由计算（表3）可知，Φ＝12.3°。

结合试验、工程实际情况及反算值，推荐设计参数：c＝17.57kPa，Φ＝12.3°。

其他值按试验结果采用。

3.3 滑坡区域稳定性计算

结合工程地质勘察确定的本处滑坡体形成原因、地质特征和坡坏形式，根据《公路路基设计规范》（JTG D30—2004），膨胀土高边坡可采用简化Bishop法计算其稳定性，边坡稳定性验算时，其稳定安全系数需满足表2要求。

表2 高速公路路堑边坡稳定安全系数

3.3.1 原有滑体稳定安全系数计算

计算剖面图如图4所示。

图4 计算剖面图

根据地质勘查确定的滑带土体抗剪设计参数和地质剖面图4所示（即滑体滑动方向）坡面开挖情况，采用理正边坡稳定分析软件对已开挖完毕的路堑边坡进行了验算，结果显示该路堑若以原设计的坡率进行开挖，坡体的稳定安全系数仅为0.93。

3.3.2 上部滑体卸载+路堑整体刷坡后边坡稳定安全验算

采用刷坡卸载后，标高为980处坡脚的剩余下滑力为-139.221kN，由此可见采用刷坡卸载可使目前已出现的滑体达到稳定性状态；但是目前施工并未完成，仍有约8m的路堑坡面（最下一级）尚未进行开挖，由于剩余的刷坡施工必然会扰动该坡面，开挖坡面扰动力极易使原有坡面潜在危险滑动面张拉开裂，产生新的滑动面，导致路堑坡面失稳坡坏，因此有必要验算刷坡减载后整体路堑的稳定性。

采用里正软件对刷坡减载后的坡面土体进行了边坡稳定验算，对非正常工况I条件下路堑边坡稳定安全系数达不到1.2的滑动面进行了确定（如图5所示）。

图5 坡体卸载、刷坡后稳定性计算简图

3.3.3 演算结果分析

3.3.3.1 根据坡体的现有滑坡情况，对影响坡体稳定性的敏感参数进行了确定，结论是，Φ对稳定系数影响较大，当Φ为13.28时，安全系数就可达到1.015，而对于c值变化敏感性较小。以实际调查所得滑动面作为现在滑动面进行参数反算，推荐设计参数：c＝17.57kPa，Φ＝12.3°。

3.3.3.2 采用反演得到的参数结合实验得到的其他力学参数对坡体的原有坡体稳定性安全系数及下滑推力和上部滑体卸载、刷坡后的坡体安全系数采用理正软件进行了计算。计算结果说明原有坡体安全系数只有0.93，处于不稳定状态，坡体上部卸载+路堑整体刷坡（挖除最后一级路堑）后，部分段落的边坡安全系数只有0.97，仍然存在潜在滑移面，因此需要采取加固处理措施。

4 处理方案

结合理论计算成果，并考虑本路段施工可行性，本着尽量降低造价原则，我们对该段滑坡提出采用刷坡减载+浆砌片石封面+抗滑桩的处置方案，首先，根据设计坡率和刷坡线对目前的滑体进行减载，对滑体削坡至设计坡面后，立即采用M7.5级浆砌片石对已削成的坡面进行封闭，浆砌片石以下设置10cm石灰土垫层，石灰含量控制在（6%～8%），为保证路堑顶以外雨水渗入边坡范围造成膨胀土边坡抗剪强度降低，对路堑顶以外10m范围坡面均进行浆砌片石封面处理，同时加强该段的截水、排水系统；其次，在设置抗滑桩的对应位置放样，按照设计标高清理出抗滑桩的施工场地，挖孔、支护，并灌注混凝土；最后，待抗滑桩混凝土达到设计强度后，再进行桩前土体的开挖、刷坡。具体各路段治理方案见表3。

表3 具体各路段治理方案

［1］贾东亮，丁述理，等.膨胀土工程性质的研究现状与展望［J］.河北建筑科技学院学报，2003，20（1）：33－39.