大型深层牵引式滑坡的处治方案研究

龙 森 刘 品 单 浩

(1. 贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵阳 550007； 2. 河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室， 南京 210098； 3. 河海大学 江苏省岩土工程技术工程研究中心， 南京 210098)

滑坡是路堑边坡在公路建设和运营期间最为常见的工程问题[1，2]，滑坡破坏形式可分为牵引式和推移式两种基本形式[3]．推移式滑坡是中、上部岩体产生了大量位错、滑移、变位和坠覆，前缘松散堆积体将在强大的推力作用下发生变形，最终因滑动面贯通产生大规模的变形破坏；牵引式滑坡一般是边坡前缘在人工开挖的影响下局部失稳，使得后缘支撑削弱甚至临空而变形失稳，最终形成的大型滑坡[4]．滑坡类型的形成和发展过程不同，则处治方案需要相应的产生变化．因此，确定滑坡破坏形式和滑坡类型是进行滑坡治理的基础．关于滑坡成因和处治方案方面的研究[5-8]，国内外学者已经开展了一些研究，并得到有益的结论．杨光华等[9]根据滑坡体的应力场和位移场判断滑坡的破坏类型，从而通过数值分析计算确定了不同破坏类型的滑坡抗滑桩的最优加固位置．王国欣等[10]从地质因素、水的因素以及人为因素3方面分析了滑坡产生的机制，并通过有效的监控动态反馈控制和预报隧道洞口边坡病害．周志军等[11]采用区间模糊分析法构造了边坡治理方案的多层次综合评价模型．周跃峰等[12]通过离心模型试验与应力路径试验相结合的手段，研究了地下水位抬升引发牵引式黄土滑坡的演化模式和力学机理．

目前学者主要通过对地质、水文等因素的分析或数值计算判定牵引式滑坡的成因和类型，虽然这些分析方法具有较强的系统性和准确性，但是对现场工作人员的专业技能有较高的要求，不利于边坡处治方案及时的制定与决策．同时现阶段关于牵引式滑坡具体的工程实例及其深层水平位移的分析较少，且鲜见关于牵引式滑坡的处治方案的研究．工程中深层水平位移监测能够实时掌握坡体变形特征，为路堑边坡的防护加固设计和稳定性评估提供依据[13]．因此，本文以贵州某高速公路滑坡路段为背景，通过对具体工程实例的地质调查和深层水平位移监测确定滑坡成因和破坏类型，针对性地提出3种处治方案，然后运用Plaxis有限元软件建立简化的二维计算模型计算3种滑坡处治方案的稳定性，综合考虑施工工艺确定最佳处治方案，最后采用施工期深层水平位移监测判断滑坡处治效果．

1 工程概况

贵州某高速公路互通B匝道右幅为挖方路基，最大挖方高度约30 m，边坡原设计为4级边坡，第一、二级坡比1∶0.75，第三、四级坡比为1∶1．原设计防护形式为护面墙+框架锚杆防护，开挖至第三级坡面时动态增设了3排框架锚索．

该边坡于2014年6月开挖，2014年9月底开挖至第一级平台，根据开挖揭露，该边坡第四级为碎石土，二、三级为全、强风化泥岩夹砂岩，岩体极破碎，岩石风化强烈．2014年10月2日，边坡后侧约150 m处出现裂缝，其发展速度较快，至10月中旬，滑坡中部出现多条环向裂缝，后缘裂缝已基本闭合成圈椅状，于滑坡体后缘形成错台，最大错台约1 m，坡脚处局部产生鼓胀现象，根据现场位移监测，至2014年11月滑坡处于慢速滑动状态，仍在继续向路线方向滑移，需要立即采取加固措施确保边坡稳定．

2 滑坡类型的确定

滑坡出现以后，立即于边坡典型部位布置测斜管以监测边坡深层水平位移．选取典型断面A-A′进行分析，其中ZK6，ZK5和ZK5+1位于A-A′断面上．A-A′断面横断面图如图1所示．

通过现场踏勘确定边坡后缘裂缝和坡脚鼓胀位置，连接深层水平位移最大位移点，作出如图1所示的滑动面．滑体面积约为68 000 m2，最大影响厚度30 m，平均厚度约20 m，滑坡体体积约为1.36万m3．

图1 A-A′断面横断面图

地质勘查表明，滑坡区覆盖层与下伏基岩层间夹软弱夹层，其岩体较破碎，局部风化强烈，受到较为发育的地表水及地下水影响，强风化泥岩和软弱夹层的力学强度迅速劣化，抗滑力急剧减小．分析深层水平位移监测结果，ZK6，ZK5和ZK5+1依次位于A-A′断面上部、中部和下部．下部的ZK5+1总位移量最大，为67 mm，且剪断时间最早；上部的ZK6总位移量最小，为48 mm，剪断时间最晚．测斜管由下至上依次被剪断，表明滑动面由下向上逐渐发展，边坡前缘带动后缘发生错落现象，从而滑坡体整体产生滑动破坏．该滑坡面积和滑块体积大、影响土层厚，为大型深层牵引式滑坡．

3 备选处治方案

根据现场的地形地质条件和滑坡推力计算以及牵引式滑坡的特点进行处治，提出在立即停止边坡开挖的同时，选择合适的边坡加固方案处治滑坡，确保边坡稳定性．现提出3个具体处治方案以供比选．

1)方案1：分级支挡．分级支挡的主要措施如下：A-A′断面断面下滑力大，可采用分级支挡．即在坡口线外120 m左右设置一排抗滑桩，桩截面2 m×3 m，桩间距6 m，桩长26 m，为全埋式抗滑桩，桩顶标高为地面以下6 m；在第一级平台位置设置另一排抗滑桩，桩截面3 m×4 m，桩长22 m，桩间距6 m，为控制桩顶位移和改善抗滑桩受力，桩上设一排锚索．

2)方案2：双排h型桩．考虑方案1需设置两排抗滑桩，方案2采用在第一、二级边坡设置h型抗滑桩方案，主要措施如下：对于A-A′断面下滑力大的区域，采用h型抗滑桩．h型抗滑桩主桩长24 m，辅桩长20 m，桩截面均为3 m×4 m，主桩和辅桩净间距5 m，采用3 m×3 m横梁相连，主桩设置3排锚索．

3)方案3：清方减载．考虑在滑体中部分清方，减小滑坡推力的思路．主要措施如下：在边坡下滑力大的A-A′断面区域，坡口线外35～100 m的范围内进行清方减载．为避免产生清方过程中的次生滑坡灾害，须在清方边线靠山一侧设置一排抗滑桩，桩截面2 m×3 m，桩间距6 m，桩长26 m，共30根．清方减载后，A-A′断面的最大剩余下滑力为3 100 kN/m，第一级平台处设置截面3 m×4 m的抗滑桩，桩长22 m．

4 计算和比选处治方案

针对以上提出的3种方案，本文运用Plaxis有限元软件建立简化的二维计算模型计算3种滑坡处治方案的稳定性，综合考虑施工工艺以确定最佳的处治方案．计算中作出如下假设：1)坡体的受力和变形为平面应变问题；2)计算中各土体均服从Mohr-Coulomb屈服准则，桩体服从线弹性屈服准则；3)忽略地下水压对边坡稳定性的影响．

4.1 模型及参数的确定

4.1.1 模型的建立

模型的尺寸按照图1所示的地质横断面选取，即模型尺寸为300 m×100 m，模型自上向下分别为碎石土、全风化泥岩和中风化泥岩，各土层厚度根据地质勘查结果确定．本文计算中对模型两侧边界约束水平向位移，竖直向自由，模型底面边界约束水平和竖直方向位移．数值计算模型和网格划分如图2所示．

图2 数值计算模型和网格划分

4.1.2 土体参数的确定

根据地勘资料，该滑坡区岩土体的物理力学指标见表1．在Plaxis中，边坡滑坡面以界面单元模拟，其可以模拟裂隙的张开和滑动，界面强度因子取1．

表1 土体物理力学参数

4.1.3 桩体模型的简化

Plaxis有限元软件中桩体以板单元模拟，软件中默认板单元为垂直计算平面的连续墙，因此在以板单元模拟抗滑桩时需对桩体的刚度和厚度以及重度进行等效简化．

抗滑桩的等效处理为简化前后抗滑桩与板单元的刚度和面积相等．即

(1)

(2)

其中，E为抗滑桩等效后弹性模量；A为抗滑桩等效后的一个桩间距内的水平截面积；I为抗滑桩等效后的惯性矩；Es和Ep分别为土体和抗滑桩的弹性模量(成层土Es取值为各土层加权平均模量)；As和Ap分别为一个桩间距内土体和抗滑桩的水平截面积；Is和Ip分别为一个桩间距内土体和抗滑桩的惯性矩；a为抗滑桩平行边坡的边长；b为抗滑桩垂直边坡的边长；d为桩间距．

在有限元模型里，墙体是叠加在一个连续体上的，因而是与土体重叠的．为准确计算模型中土和结构物的总容重，应该从墙体材料的容重里减去土的容重．故等效墙的容重为

(3)

w=(γp-γs)×B

(4)

其中B为抗滑桩等效宽度；γp为抗滑桩重度；γs为土体重度(成层土γs取值为各土层加权平均重度)．

喷锚支护中的混凝土面板也采用板单元模拟，本文计算中抗滑桩弹性模量设计值为3×107kPa，重度为25 kN/m3，则板单元计算参数见表2．

表2 抗滑桩计算参数

4.1.4 锚索锚固段参数

本设计张拉预应力为800 kN，分六级张拉，先施工锚孔，后施工锚座．预应力锚索锚固段长度8 m，采用7束φ15.2 mm的钢绞线．采用点对点锚杆和土工格栅分别模拟锚索的自由段和锚固段，且均假设为弹性，根据设计资料参数，自由段和锚固段法向刚度分别为2×105kN/m和2×107kN/m．

4.2 计算结果

4.2.1 滑坡计算

在建立计算模型后，根据假设忽略地下水对边坡稳定性的影响，将地下水位线设立在模型底面．又因为模型表面为非水平面，采用∑M-Weight=1.0的方法计算初始地应力．在初始地应力计算的基础上，边坡开挖过程采用塑性分析，在开挖至二级边坡后激活滑动界面单元，最后通过强度折减法计算边坡的稳定性安全系数．变形网格图如图3所示．

图3 变形网格(放大50倍)

从变形网格图可以看出，开挖施工完二级边坡后，边坡出现失稳破坏，沿滑动面产生滑动，滑坡出口处变形较大，滑坡入口变形位移较小，与本工程牵引式滑坡的特征一致，即滑动面自下向上逐渐发展，表明数值计算可以有效的模拟边坡现场情况，在此条件下，基于强度折减法求得的滑坡时的边坡稳定性安全系数为0.808．

4.2.2 稳定性计算与结果分析

针对从不同角度提出的滑坡处治方案，基于强度折减法计算处治后边坡的稳定性和变形情况，判断各方案的处置效果．

图4 方案1总位移等值线图

图5 方案2总位移等值线图

图6 方案3总位移等值线图

方案安全系数最大位移/mm11.25307.1821.27314.5731.31321.32

计算结果可以发现，方案1安全系数和产生的最大位移均为最小，方案3安全系数和产生的最大位移均为最大，但是3种方案处治滑坡后边坡稳定性安全系数和最大位移相差较小，且均能满足稳定性的要求．

4.2.3 方案比选分析

综合施工工艺、环境等因素分析3种处治方案：方案1施工工艺成熟，技术较可控，施工造价较低；方案2 h型抗滑桩开挖面过大，存在安全隐患，且施工工艺复杂，技术要求高，不可预知因素较多；方案3费用高，弃土困难，不利环保，且清方过程不可控因素较多，风险大．因此，在3种处治方案边坡稳定性安全系数相近的情况下，方案1的操作性更佳，且在已发生滑坡现象的条件下加固边坡的成功的可能性更大，因此本工程中优先选择方案1进行处治滑坡．

4.3 处治后边坡稳定性

监测孔均在施工前被滑坡剪断，处治施工过程中在原监测孔位置进行了深层位移监测孔的补充，根据处治方案，截至2015年4月7日，已完成抗滑桩的浇筑工作．具体监测曲线如图7～9所示．

图7 ZK5监测曲线

图8 ZK5+1监测曲线

监测孔第一次监测时间监测深度/m位移突变点与孔口距离/m位移速率/(mm·d-1)总位移量/mmZK62015.1.232.520.51.155.16ZK52015.1.2039.030.00.7368.3ZK5+12015.2.825.018.01.452.37

由以上监测结果可知，位移突变点与边坡滑坡前基本一致，但目前边坡最大水平位移速率仅为1.4 mm/d，且具有逐步减小的趋势，表明施工期边坡处于稳定状态，处治方案能有效地保证边坡稳定性．

5 结 论

1)滑坡后边坡前缘较边坡后缘的深层水平位移速率大，且剪断时间前缘比后缘早，剪断部位埋深大，滑坡面积和滑块体积大，滑坡为典型的大型深层牵引式滑坡．2)Plaxis数值计算软件计算结果表明分级支挡、单排h型抗滑桩和清方减载3种处治方案均能满足滑坡治理后的稳定性要求，施工工艺成熟度较高的分级支挡方式为最佳处治方案．3)施工期深层水平位移变形速率逐步减小，边坡处于稳定状态，分级支挡的处治方案对牵引式深层滑坡的治理效果显著，能有效的保证边坡的稳定性，对同类型的滑坡分析和治理具有一定的借鉴意义．

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