潜在不稳定边坡复合式主动加固方法研究*

李培锋，李斯涛，李 春，袁从华，廖明进

(1.云南玉临高速公路建设有限责任公司，云南 临沧 677000； 2.云南交投集团投资有限公司，云南 昆明 650228; 3.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071；4.武汉科技大学，湖北 武汉 430065)

0 引言

滑坡地质灾害是公路工程建设中的常见问题。工程建设中尤其是软岩和松散体类边坡，极易受工程扰动导致滑坡等灾害事故，分析其原因之一是建设和施工单位严重缺乏有工程经验的岩土工程师，二是建设过程中作业不规范，又或是对于盲目建设和作业可能产生的后果认识不足[1]。复杂地质条件加之经验的缺乏，在工程建设中不断出现局部或整体滑坡事故，导致建设者们面对这一类滑坡问题显得十分被动，同时也为公路后期的运行管理带来潜在风险。

从软岩及松散体边坡类的滑坡来看，当边坡前缘有变形裂缝产生时，边坡后缘坡体也将逐步变形并导致坡体强度下降，使得一个开始范围较小的局部滑坡变成一个范围扩大数倍甚至数十倍的滑坡，这便是牵引滑动的典型特征[2]。公路边坡常采用分级分段切坡后再进行处治的常规方法。这种现有的公路边坡处治方法，既浪费已施工完毕的工程加固措施，又不能及时阻止边坡潜在滑动面的弱化，以致边坡滑动范围不断扩大，同时也延缓了工程进度。

因此，从现有方法手段来看，针对软岩和松散体类边坡的滑坡防治采取先切坡后处治的方式，这一方式是在边坡开挖后的被动加固，由于岩土本身的初始强度没有得到充分调动，失去了边坡加固的最佳时机，之后随着坡体开挖卸荷，导致变形持续发展，进而引起岩土强度下降，极大增加了被动加固的工程量，且有引发边坡失稳的风险，既不合理也不经济。从岩土问题处治时间的选择来看，切坡在前处治在后不适合这类边坡体。自然界软岩和松散体类边坡有其自身的稳定性，此类滑坡的发生是由于工程切坡施工扰动了自然物质本身的平衡造成的[3]。这些边坡滑坡问题需要引入新方法即主动加固设计理念加以解决[4]。下面结合某工程案例，就主动加固方法的实施和运用要点展开论述。

1 工程概况

1.1 工程背景

某高速公路边坡由强风化砂砾岩与强风化泥质粉砂岩组成，节理裂隙发育，岩体破碎，遇水易软化。滑坡部位所在边坡位于线路右侧，深挖方长约115m，形成边坡最大高度约48.6m。该深挖方开挖到一级边坡时，右侧山体发生大面积滑坡，开挖坡口线边距51.5m，坡口线内移约7m，滑塌裂缝线宽1.5～3m，滑塌裂缝边距约81.2m，裂缝错台高 2～10m， 坡体后缘裂缝如图1所示。

图1 滑体后缘裂缝情况

1.2 滑坡原因分析

1)滑坡区强风化砂砾岩、泥质粉砂岩风化严重，节理裂隙发育，强风化砂砾岩不整合覆盖在泥质粉砂岩上部，为坡体发生滑动提供了有利的地质条件。

2)路基边坡开挖是滑坡发生的诱发因素之一。路基开挖使坡脚失去支撑，边坡稳定性条件被破坏，导致工程滑坡[5]。

3)水是诱导滑坡发生的重要因素[6]。从现场来看，滑动面多位于强风化砂砾岩与强风化泥质粉砂岩的不整合接合面处。强风化砂砾岩孔隙发育，富水性强；强风化泥质粉砂岩孔隙性较差，具有相对隔水性。上部强风化砂砾岩中的地下水在强风化泥质粉砂岩顶部富集，导致强风化泥质粉砂岩遇水后强度急剧变低，造成坡体滑动。

滑动面主要为强风化～中风化泥质粉砂岩(K1m)，泥质粉砂岩为灰褐色、紫红色，粉细粒结构，中薄层状构造，原岩结构构造部分被风化侵蚀，岩体上分布白色条状石膏，节理裂隙发育，岩体破碎，完整性差，岩芯呈块状、碎块状、短柱状、长柱状。岩质较软，该层相对隔水，岩层产状180°∠37°。

2 工程扰动和降雨条件下的滑动面岩体力学特性演化规律

基于边坡现状，为合理设计加固结构，对边坡滑动面岩体现场取样，进行室内密实度、含水量及其抗剪强度相关性试验，试验结果如图2,3所示。由图2可以看出，随着密实程度增加，黏聚力和内摩擦角逐渐增加，其中，黏聚力增加近似线性变化，内摩擦角增加可拟合为二次曲线。由图3可以看出，随着重塑样含水量增加，黏聚力和内摩擦角逐渐降低，其中，黏聚力的降低近似线性变化，而内摩擦角降低近似幂函数曲线。

图2 不同密实度条件下岩样抗剪强度变化

图3 不同含水量条件下岩样抗剪强度变化

试验结果表明，岩体受扰动及降雨影响后的黏聚力较岩土初始状态强度下降幅度超过20%，内摩擦角变化较小，如表1所示。

表1 边坡岩土物理力学参数

工程扰动后导致滑动面发生变形，岩体颗粒间接触变得松散(即重度下降)，导致岩体抗剪强度下降，滑带岩体重度从20kN/m3降低到18kN/m3，黏聚力降低8kPa，内摩擦角降低2°；降雨入渗后易在滑动面层位附近聚集，也将弱化岩体抗剪强度，岩体含水率从6%增加到23%过程中，黏聚力下降超11kPa，内摩擦角降低8° 。工程扰动和降雨对岩体力学性质的弱化非常显著，对开挖后边坡稳定不利。

3 抗滑桩联合锚索框架的复合式主动加固方法

为避免开挖后受工程扰动导致的岩体性质弱化，针对此边坡拟采用抗滑桩联合锚索的复合式方法进行主动加固。加固方案的主要步骤为：①通过极限平衡法等方法[7]，计算分析边坡地质概化模型，得到开挖后边坡安全系数F1，并判断是否需要进行主动加固，若需主动加固，则进行加固方案设计；②再次进行计算得到安全系数F2，并判断是否满足预先设定的工程稳定性要求。依据上述分析，形成基于主动加固思想的设计流程：岩性强度定量判断→建立地质概化模型和边界条件→将软化参数带入模型计算并判断稳定性(F1)→设计锚索框架实施参数和布置形式→根据实施参数计算安全参数并判断安全性(F2)。

采用主动处治技术加固本案例中开挖扰动后岩体性质发生显著弱化的边坡。首先在第1级边坡平台上设置抗滑桩[8]，然后进行边坡开挖，并及时在第2～5级边坡采用预应力锚索框架梁进行加固。其次，每级边坡平台及坡顶外侧设置截水沟截排坡面雨水，第1级边坡坡面处设置仰斜式排水孔引排滑坡体内部地下水[9]。其中抗滑桩和锚索框架的具体设计方案如下。

1)抗滑桩预先加固 软弱层(强风化砂砾岩和泥质粉砂岩)埋深5～20m，前缘第1级平台位置设置1排抗滑桩进行支挡，抗滑桩截面为1.8m×2.4m，桩长20m，桩间距5m，共设置15根抗滑桩。

2)锚索框架及时加固 为防止岩体从边坡中部二次剪出，在边坡第2～5级布置锚索框架进行加固。锚索框架加固方案具体设计参数包括框架梁截面尺寸、框架梁间距、锚索长度、锚索嵌入稳定地层的长度、布置形式。经试算后确定框架梁截面尺寸为预定值500cm×500cm，框架梁间距为3m；每级设3排锚索，水平间距3.4m，锚索长25～30m (锚固段10m)，下倾20°，设计拉力600kN。

依据上述设计方案，采用通用岩土工程分析Slide软件，结合边坡原始地形地貌，建立边坡模型，如图4所示。通过极限平衡法对主动加固后的边坡进行计算，工程边坡在正常工况和非正常工况I下的稳定性系数分别为1.453，1.275，满足正常工况下安全系数大于1.2～1.3和非正常工况I下安全系数大于1.1～1.2的稳定性要求。

图4 抗滑桩联合锚索框架加固边坡方案模型

4 边坡失稳后的补救加固设计

由于实际边坡没有及时采取主动加固设计，开挖后的边坡岩体和原始自然坡岩体性质相比已发生了较大改变。岩体强度弱化导致边坡开挖后失稳，边坡失稳后岩体强度进一步弱化，黏聚力为10kPa，内摩擦角为16°，黏聚力较岩体初始强度下降60%。基于边坡失稳后现状，采取补救加固即被动加固措施，如图5所示。

图5 滑坡后的补救设计方案模型

首先对滑体部分削方减载，并在第1级边坡平台上进行抗滑桩施工。在边坡第2～4级采用预应力锚索框架梁进行加固，边坡坡比为1∶1。第5级边坡采用8m宽平台分解释放应力，坡比为1∶1。为保证平台上部边坡稳定，在第6，7级边坡设置锚杆、锚索框架梁进行加固，边坡坡比为1∶0.75。其次，每级边坡平台及坡顶外侧设置截水沟截排坡面雨水。第1级边坡坡面处设置仰斜式排水孔引排滑坡体内部地下水[10]。在实施补救措施条件下，再次计算得到正常工况和非正常工况I下的边坡稳定性系数分别为1.538，1.412。

5 主动加固与被动加固对比分析

计算结果表明，采取主动加固措施后边坡稳定性满足规范要求。从具体技术参数对比来看，因加固时机的差异，两个方案的岩土参数和边坡设计有所不同，在同等加固工作量的前提下，边坡失稳后重新设计的被动加固方案较主动加固方案工程量增大较多，如表2所示。

表2 被动和主动工程处治技术对比

采取主动工程处治技术，边坡岩体强度远高于原设计的被动工程处治下的岩体强度。两种加固方案的加固工程量虽然相差不大，但被动工程处治是在边坡失稳后实施的被动补救措施，不仅增加了土石开挖方量，破坏了自然坡植被，额外征用了土地，且延长了工期，导致工程费用显著增加。因此，对于开挖后可能导致岩体变形软化，强度大幅下降的全强风化岩质边坡，应采取主动工程处治技术。

此外，从加固措施的实施时间来看，主动加固时机也是这一方法有效性的关键。具体来说，边坡开挖后应立即采用上述锚索框架加固方案进行主动加固施工，这是预先防范阶段；如果边坡已经开挖，并发生小规模破坏，则采用锚索框架加固方案对边坡重新进行主动加固，这是补救阶段，此时岩土物理力学参数已经下降，针对小规模破坏后的边坡，应对边坡进行补救加固；如果边坡已经开挖，并发生大规模破坏，原有加固措施失效，边坡加固困难极大，加固工程费用也大大增加，应极力避免这种情况[11]。

这一分析结果表明，基于主动加固概念的锚索加固工程措施提高了边坡稳定性，因而避免了边坡岩土体受工程扰动后强度下降等不利后果，降低了工程治理难度并减少工程量。与现有边坡设计方法相比，主动加固方法具有以下优点。

1)考虑了工程开挖前后的岩土物理力学参数变化，分级开挖后立即采用锚索框架对边坡进行主动加固，充分利用岩土初始状态的强度，避免开挖后坡体变形软化导致的岩土强度大幅下降。

2)主动加固方法，从其力学原理来说，充分利用了边坡原有抗滑力，降低了加固结构的承载，减少工程加固费用[11-13]。

3)相比被动加固而言，主动加固措施实施后可及时有效提高边坡稳定性，从而避免随时间推移导致滑动范围扩大的治理难题[14]。

4)在减少工程量的同时，可有效保护山区植被资源不受破坏。

6 结语

1)主动加固方法，其应用对象主要是具有潜在滑坡风险的不稳定边坡。由于此类坡体开挖后岩土体强度软化明显，为充分利用原坡体初始岩土强度，工程实施时应在开挖后立即采用锚索框架对边坡进行主动加固，避免开挖后坡体变形软化导致岩土强度大幅下降。

2)从原理而言，这一方法考虑了工程开挖前后的岩土力学特性演化过程，充分利用斜坡岩土原始抗剪强度形成的原有抗滑力，有效降低了加固结构的负载，可避免滑动范围扩大，大大降低后期治理难度和工程治理费用。

3)这一方法的应用，其关键是主动加固时机的把握和锚索框架的科学设计。相比被动加固方法，其优点十分明显，很好地改善了目前此类边坡问题设计方法单一、工程措施保守的现状，切实提高了工程实践中边坡问题处治的水平。