某营运高速公路类土质边坡的稳定性分析及加固设计

侯文腾 王育奎 杜相波 邹辰浩 孙康

（山东高速工程检测有限公司，山东济南 250002）

0 引言

类土质边坡是指由具有岩体结构特征的土体物质或破碎岩体物质组成的边坡，包括残积土边坡、全风化和强风化软岩边坡等。类土质边坡往往是由原岩风化而成，因此继承了部分原岩结构面，其结构面的延伸程度、组合方式以及土体颗粒级配、强度参数等决定着边坡的破坏形式，其边坡的破坏形式明显区别于一般均质黏性土边坡的圆弧形破坏和一般岩质边坡的结构面控制的平面型破坏[1-2]。

在高速公路路堑边坡中，类土质边坡分布广泛。目前，部分专家与学者已对类土质边坡的分类、变形破坏特征及加固处治做了许多研究和分析工作，并取得了一定的成果。何其胜[2]以贵州省镇赫高速公路工程K27+200 处左侧类土质路堑高边坡为研究对象，利用有限差分强度折减法对边坡的稳定性进行分析，对各种支护方案进行模拟校核，并对降雨条件下的边坡稳定性进行数值分析，选出较为合理的边坡开挖和加固方案。田华兵[3]对某泥质粉砂岩类土质高边坡的破坏特征、失稳机理和稳定性进行分析，采用清方卸载、加固坡脚和人字形骨架植草防护进行滑坡治理，后期位移监测数据表明边坡整体处于稳定状态。李子光[4]对某花岗岩类土质边坡的特性、破坏类型和稳定性进行分析，并归纳总结了类土质边坡的常见的破坏类型和分析方法，就不同破坏机理提出不同的稳定性计算方法。杨逸飞等[5]采用极限平衡法和强度折减法相结合的方式研究某顺层岩质边坡开挖后的变形破坏机理和稳定性，并采用数值模拟方法对不同加固方案的稳定性进行分析，选择最优加固设计方案。宋克英等[6]对某碎块状强风化砂岩超高山体边坡提出了桩锚+坡面锚杆格构梁的支护方案，利用圆弧滑动面法验算了边坡开挖临时工况和暴雨工况下的稳定性系数，并结合位移监测数据进行动态设计。左昌群等[7]基于正交统计学方法及GeoStudio 数值模拟软件，对类土质滑坡稳定性影响因素及其相互作用规律进行研究，研究表明，滑带土内摩擦角、降雨强度及滑带土内摩擦角与降雨历时的交互作用对类土质滑坡稳定性的影响均较为显著，含水量对类土质的抗剪性质具有显著的影响。

本文以某营运高速公路K17+700-K17+900 段泥页岩类土质滑坡处治工程为依托，从滑坡体的变形发展过程及特征、表面位移监测数据和稳定性验算角度对该类土质边坡滑坡的成因进行分析，并提出相应的加固处治方案。

1 工程概况

1.1 边坡原设计概况

边坡所涉公路里程区间为K17+700-K17+900，最大坡高约70 m，共分6 级防护，第一级到第五级坡率为1∶1.25，第六级坡率为1∶1.5，采用浆砌片石预制块网格植草护坡（见图1）。

图1 边坡全貌图

1.2 地形地貌

边坡地处低山丘陵地貌区，地形起伏较大，坡体地面标高约55～150 m，自然边坡坡向300°，自然坡脚最大坡度约30°。山体植被发育，生长松树及各类灌木、蕨类植物，坡顶平缓至反坡。

1.3 地层岩性

边坡坡体表层为1～2 m 坡积土，下伏强风化至弱风化泥页岩，边坡岩体破碎，岩层产状为295°∠30°～50°。

1.4 气象条件

边坡地处中亚热带季风气候区，常年气温较高，雨量充沛，四季分明。历年平均降雨量为1537～2201 mm，每年4-9 月份为雨季，其降雨量占全年的70%以上。

2 边坡变形破坏发展过程及监测数据分析

2.1 边坡病害情况及发展历程

自2013 年开始对该边坡进行定期检查，主要病害情况及发展历程如下。

（1）2013 年：一级平台K17+710-K17+780 段已修补老裂缝未见开裂；二级平台K17+720 附近出现拉张裂缝，长约4 m，最大裂缝宽度约2 cm。

（2）2014 年：一级平台K17+710-K17+750 对应部位下错约10 cm，距平台外缘约2 m，长约15 m，裂缝宽3 cm；二级平台既有封闭裂缝有所发展，下错7 cm，宽2 cm，可见深度20 cm，裂缝长30 m。

（3）2015 年-2017 年：一级、二级平台裂缝未见进一步发展。

（4）2018 年：6 月份一级平台K17+730 处裂缝宽约30 cm，下错约40 cm，裂缝沿坡体向上延伸到二级平台裂缝，沿坡体往下延伸到坡脚；二级平台对应位置既有封闭裂缝有所发展，裂缝宽约20 cm，下错约25 cm，可见深度80 cm，裂缝长约30 m；9 月份一级平台K17+730 出裂缝有继续发展的趋势，裂缝宽度有所增加，局部增加约3 cm，局部裂缝上下错动增加了约4 cm；二级平台裂缝较6 月未见明显发展。相关病害照片见图2。

综上所述，边坡自2013 年开始出现各种病害，2014 年-2017 年病害缓慢发展，直到2018 年6 月受台风强降雨影响，形成滑塌。这与文献[8]中提到的类土质边坡变形失稳过程一致，逐渐经历了降雨入渗、边坡病害恶化、局部失稳、整体失稳阶段。

2.2 表面位移监测

为了保证高速公路的安全运营，自2010 年开始对该边坡进行表面位移监测，通过设置2 个观测基准点和表面位移监测点建立测量基准网，采用全站仪进行监测[9]。自发生局部滑塌后，对滑塌区域增设表面位移监测点，加密监测，测点布置如图1 所示。

由图3 可知，滑塌区域测点发生过明显变化，例如，在2014 年8 月，A6 测点水平位移较上期发展9.35 mm，水平位移量增至23.08 mm，B3 测点水平位移较上期发展1.75 mm，水平位移量增至3.16 mm，B4 测点变化不大。2018 年发生牵引式滑坡后，A5、A6、B3、B4 测点水平位移发生突变，A5 测点水平位移较上期发展9.77 mm，累计水平位移量达到10.5 mm，A6 测点水平位移较上期发展57.6 mm，累计水平位移量达到90.2 mm，B3 测点水平位移较上期发展2.61 mm，累计水平位移量达到6.77mm。根据边坡现场病害分布情况和表面位移监测变化情况，大致划分出边坡局部变形范围，如图2 中标记所示。

图3 原有表面位移监测点累计水平位移时程曲线图

2.3 边坡破坏成因分析

根据现场病害分布情况和监测数据分析可知，K17+700-K17+900 段边坡的蠕滑变形规模较大，沿线路长度约75 m，纵向延伸约35 m，最大滑体厚度约为5.5 m，滑坡体积约为5000 m³，按体积分类属于小型滑坡，按滑动面埋深分类属于浅层滑坡（滑动面埋深≤6 m），滑动面位于强风化泥页岩中，属于牵引式滑坡，剪出口位于现有坡脚位置。该边坡发生滑塌的主要原因如下：

（1）地质基础。该坡上覆1～2 m 厚的第四系坡积土，下伏强风化-弱风化泥页岩，且泥页岩岩层顺倾，岩体破碎，节理裂隙发育。

（2）地形条件。该边坡堑顶为近北西向山梁，变形区段地形相对平缓，其后则为一直缓坡向上延伸的自然山坡，边坡堑顶自然山坡汇水量大，渗透途径长，表水易大量下渗进入坡体。

（3）水的作用。受台风影响，降雨量急剧增加。坡表发育有坡积土层，其透水性相对较好，平台开裂造成大量雨水沿裂缝集中灌渗。下伏强风化泥页岩则亲水性强，土体因吸水饱和形成饱和软化带，不仅增加岩土体自重，增大坡体下滑力，且地下水对滑带土的长期浸润导致其抗剪强度显著降低，易在强风化泥页岩中产生因岩土体强度不足引起的滑动变形破坏，因此，降雨是发生滑坡变形的主要诱因，也是直接触发因素。

根据边坡变形现状和监测数据分析可知，该边坡处于欠稳定状态，特别在持续强降雨条件下，若不及时治理，随着雨水入渗坡体，软化边坡岩体及软弱面，导致坡体应力状态进一步调整和变化，将恶化坡体稳定条件，继而牵引后部坡体进一步变形发展，从而向两侧及后方牵引产生更大规模的滑坡。若滑坡体进一步发展，则将威胁线路安全营运，威胁过往车辆及人员生命财产安全。

3 边坡稳定性计算与评价

选用有限元软件Midas GTS，采用强度折减法进行边坡稳定性分析，该方法是基于有限元计算理论之上的边坡整体稳定分析方法，它具有有限元法的优点，且不需要事先假定破坏面的形状或位置，也无须进行条分，自动求得相应条件下的滑移面和安全系数，从而避免了人工划分滑动面过程中存在的误差[10]。

结合边坡滑塌实际情况，选择K17+740 断面进行模拟，竖直方向上Y=70 m，水平方向上X=144 m，并在强风化泥页岩中设置层面模拟现场滑移面，建立的有限元模型如图4 所示，该模型共有10665 个节点，10637 个单元，为了达到较好的模拟效果，通过尺寸控制，对强风化泥页岩区域网格划分更为精细。模型左右两侧均为水平约束，底部为固定约束，坡面为自由边界，所选模型均为Mohr-Coulomb 理想弹塑性材料模型。根据原有的工程地质勘查试验资料和类比同地区同条件的工程经验，本模型选用的岩层物理力学参数见表1，其中对于暴雨工况，考虑到雨水入渗，对部分岩土体相关力学参数进行了一定的折减。

表1 边坡岩土体力学参数

图4 K17+740 断面有限元网格划分

由图5 可知，先是二级平台以下约4 m 处层面部位和一级坡面出现塑性应变（见图5 中标记区域），这与现场滑塌实际情况相符，随着变形的发展，塑性区逐渐扩展到坡顶，最终形成沿软弱层面并经坡脚剪出的滑动面，此时自然工况下滑坡体的安全系数Fs=1.03，暴雨工况下Fs=0.83。同时，采用瑞典圆弧滑动面法计算，自然工况下Fs=1.12，暴雨工况下安全系数Fs=0.95。根据《公路路基设计规范》（JTG D30-2015），路堑边坡稳定安全系数：自然工况下Fs≥1.3，暴雨工况下Fs≥1.2[11]，而边坡稳定性计算结果均小于规范规定的安全系数，此时边坡处于欠稳定状态，需及时加固处治。

图5 加固前暴雨工况下K17+740 断面塑性区分布云图（Fs=0.83）

4 工程治理措施及效果评价

4.1 工程治理措施

病害出现后，为确保线路行车安全，管养单位视具体实际，分别采取了应急处治措施和永久性治理措施。

应急治理措施：清理滑坡周界范围内的坡面松动土体、树木及植被等，采用黏土夯填封闭滑坡周界，采用砂浆封闭以减少地表水下渗；采用PP 吨袋装砂在滑塌区段坡脚进行反压，反压体宽度及高度均为4 m；采用彩条布对滑坡周界进行遮盖处理，并对滑动周界外侧做好临时简易截水措施，防止雨水进入滑塌土体。

永久性治理措施：清除坡表植被后采用水泥净浆灌注坡表裂缝，采用三七灰土夯填封堵；一、二级平台变形下错开裂破损处，采用C20 砼修复。在一级、二级边坡滑塌区段增设预应力锚杆格梁结合三维网植草加固防护，锚杆间距为3 m×2.5 m，锚杆长度为11.5 m，下倾角度为20°。采用YGM 型锚具锁定，设计荷载为115 kN，格梁截面尺寸为30 cm×30 cm，采用C30 钢筋砼现场浇筑，嵌入坡面15 cm。在一级边坡坡脚线以上50 cm 处设置仰斜排水孔疏排坡体内积水，孔径为120 mm，采用孔径75 mm 可更换硬韧组合双层曲纹网状透水管制作。仰斜排水孔深度定为20 m，其上仰角度为5～10°，布设间距为6 m。典型断面设计见图6。

4.2 治理效果评价

（1）稳定性分析

采用前述模型，利用Midas GTS 对治理后的滑坡体进行模拟计算，锚杆及格梁参数见表2。由图7可知，边坡未沿强风化层中的软弱滑动面发生破坏，说明预应力锚杆的预应力起到了锚固作用，滑移面向土体深部发展，在强风化和中等分化的交界面处形成潜在滑移面。加固后的边坡稳定性明显提高，自然工况下Fs=1.32，暴雨工况下Fs=1.21，同时，采用瑞典圆弧滑动面法进行计算，加固后自然工况下Fs=1.52，暴雨工况下Fs=1.24，均满足《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）要求。

表2 材料参数

图7 加固后暴雨工况下K17+740 断面塑性区分布云图（Fs=1.21）

（2）治理后监测数据分析

2019 年10 月边坡治理完工（见图8），近两年运营监测数据表明，滑坡体治理后监测点水平位移值变化范围为0.1～3.0 mm（见图9），平台和坡面裂缝未见再次开裂迹象，表明滑坡体未继续发展，边坡处于稳定状态。

图8 类土质边坡治理施工后的全图

图9 新增表面位移监测点水平位移历时曲线图

5 结论

（1）该类土质边坡滑坡体的滑动面位于强风化泥页岩中，滑坡类型属于小型浅层牵引式滑坡。

（2）边坡岩层顺倾，岩体破碎，节理裂隙发育，是构成滑坡的地质基础；边坡中下部地形相对平缓，有利于地表水汇聚，是构成滑坡的有利地形条件；降雨入渗软化降低滑动面抗剪强度，是该边坡发生滑坡变形的主要诱因，也是直接触发因素。

（3）采用封闭坡表裂缝+预应力锚杆格梁+仰斜排水孔进行处治，数值模拟及运营监测数据验证了边坡的稳定性。