李鳳嶺
(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司,山西 太原 030032)
某公路采用一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè),設(shè)計(jì)速度60 km/h,路基寬度為24.5 m,路塹邊坡采用折線形式,每級(jí)高8 m,坡率均為1∶0.75,兩級(jí)邊坡之間設(shè)有寬度為2 m的挖方平臺(tái)。第一級(jí)邊坡采用護(hù)面墻防護(hù),第二級(jí)邊坡土質(zhì)部分采用植草防護(hù)。施工過(guò)程中該段邊坡按照設(shè)計(jì)標(biāo)高開(kāi)挖基本成型后,在尚未進(jìn)行防護(hù)及排水工程施工的情況下,邊坡出現(xiàn)滑塌,沿路線方向約80 m,滑塌體積約20 000 m3,路床未見(jiàn)隆起,滑塌邊坡兩側(cè)坡腳處有水滲出痕跡,后緣最遠(yuǎn)裂縫距坡頂開(kāi)口線約22 m,裂縫處最大錯(cuò)臺(tái)高度約5.4 m。
圖1 路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖(單位:cm)
圖2 滑塌邊坡典型斷面圖(單位:cm)
挖方邊坡位于黃土覆蓋丘陵區(qū),場(chǎng)地內(nèi)高程介于760~815 m之間,最大高差為55 m,相對(duì)高差5~8 m。
該挖方路段地層由老至新有新生界第四系、上古生界石炭系、下古生界奧陶系等,滑塌邊坡揭露的主要地層情況如下:
a)黃土(粉質(zhì)黏土) 淺棕紅色,土質(zhì)以粉質(zhì)黏土為主,結(jié)構(gòu)較緊密,小孔隙發(fā)育,具垂直節(jié)理,含鈣質(zhì)結(jié)核和少量黑色鐵錳質(zhì)結(jié)核,巖芯多呈柱狀,切面較光滑,稍濕,硬塑。
b)強(qiáng)風(fēng)化泥巖 淺黃色,泥質(zhì)結(jié)構(gòu),薄層構(gòu)造,礦物成分以黏土礦物為主,巖質(zhì)軟,巖體已風(fēng)化近土狀,巖芯呈碎塊狀-短柱狀。
c)強(qiáng)風(fēng)化砂巖 灰色,中細(xì)粒,砂質(zhì)結(jié)構(gòu),中厚層狀構(gòu)造,礦物成分以石英、長(zhǎng)石為主,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖芯破碎,呈碎塊狀。
d)強(qiáng)風(fēng)化頁(yè)巖 黑色,頁(yè)理狀結(jié)構(gòu),頁(yè)理狀構(gòu)造,礦物成分以黏土礦物為主,含炭質(zhì),節(jié)理裂隙較發(fā)育,巖芯呈碎塊狀。
該路段位于Ⅲ級(jí)構(gòu)造單元呂梁-太行斷塊內(nèi),所處的Ⅳ級(jí)構(gòu)造單元為太行山塊隆,區(qū)域構(gòu)造以褶曲為主,斷裂活動(dòng)處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。地震動(dòng)峰值加速度為0.05g,對(duì)應(yīng)的地震基本烈度為Ⅵ度,地震動(dòng)反應(yīng)普特征周期0.45 s。
該路段地下水類(lèi)型為松散巖類(lèi)孔隙水、碎屑巖類(lèi)裂隙水兩個(gè)水文地質(zhì)單元,場(chǎng)地內(nèi)地下水位埋深較深,地下水位位于路線設(shè)計(jì)標(biāo)高之下,水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單,對(duì)工程影響較小。
該邊坡為一處土石二元邊坡,上部覆蓋0~4 m中更新統(tǒng)洪積層黃土,下部為石炭系上統(tǒng)太原組泥頁(yè)巖、砂巖,巖層產(chǎn)狀330°∠5°,基本呈水平狀,與坡面小角度相交。邊坡發(fā)生滑塌的主要原因是坡頂上部有地表水滲入,而邊坡內(nèi)發(fā)育的節(jié)理裂隙為滲水提供了良好的滲流路徑,由于坡體下部存在滲透能力較弱的泥巖、頁(yè)巖層,隔水作用明顯,滲水無(wú)法快速排出。隨著坡體內(nèi)含水量的增大,泥頁(yè)巖經(jīng)過(guò)浸泡后軟化,抗剪強(qiáng)度指標(biāo)降低,同時(shí)挖方邊坡開(kāi)挖后應(yīng)力釋放,邊坡形成新的臨空面,在重力作用下挖方邊坡發(fā)生變形滑塌。
根據(jù)滑塌規(guī)模、穩(wěn)定狀況、周?chē)h(huán)境,以及公路通過(guò)滑塌區(qū)的部位和公路路基類(lèi)型,判斷該處滑塌的危害程度為中等,防治工程安全等級(jí)為Ⅰ級(jí),防治工程設(shè)計(jì)穩(wěn)定安全系數(shù)取1.3,推力計(jì)算采用傳遞系數(shù)法[1]。
式中:Ti、Ti-1為第i和第i-1滑塊剩余下滑力,kN/m;Ks為穩(wěn)定安全系數(shù);Wi為第i滑塊的自重力,kN/m;αi、αi-1為第i和第i-1滑塊對(duì)應(yīng)滑面的傾角,(°);φi為第i滑塊滑面內(nèi)摩擦角,(°);ci為第i滑塊滑面巖土黏聚力,kN/m2;Li為第i滑塊滑面長(zhǎng)度,m;φi為傳遞系數(shù)。
表1 滑面處主要計(jì)算參數(shù)
經(jīng)計(jì)算該處滑塌剩余下滑力為600 kN,角度為4.45°。
3.3.1 卸載
該處滑塌邊坡規(guī)模及危害性均較小,首先考慮卸載方案,但由于距邊坡坡頂不遠(yuǎn)處有工廠廠房,經(jīng)協(xié)商后廠方不同意拆遷,故無(wú)法進(jìn)行大規(guī)模卸載開(kāi)挖。為確保上方建筑及公路路基安全應(yīng)在坡體下部增設(shè)支擋防護(hù)結(jié)構(gòu),并且在進(jìn)行邊坡松散堆積體清除時(shí)適當(dāng)增加開(kāi)挖面積起到局部卸載減少下滑力的作用。
3.3.2 重力式抗滑擋土墻
從滑塌規(guī)模、施工條件、處治費(fèi)用等多方面考慮,支擋防護(hù)工程采用重力式抗滑擋墻。經(jīng)計(jì)算得知該滑塌剩余下滑力為600 kN,與規(guī)范中相關(guān)規(guī)定相比數(shù)值偏大,為減小剩余下滑力及開(kāi)挖后路塹邊坡的坡體穩(wěn)定,設(shè)計(jì)采用一級(jí)邊坡設(shè)置抗滑擋墻+二級(jí)邊坡開(kāi)挖卸載的處治方案。路塹第二級(jí)邊坡高8 m,采用折線式邊坡形式進(jìn)行卸載,0~4 m邊坡坡率1∶5,4~8 m邊坡坡率1∶1.5。滑塌體按此坡率進(jìn)行卸載開(kāi)挖后,剩余下滑力減小為298.5 kN。分別對(duì)抗滑擋墻在滑塌推力及庫(kù)倫土壓力作用下的滑動(dòng)穩(wěn)定、傾覆穩(wěn)定、基底壓應(yīng)力等情況進(jìn)行驗(yàn)算,取兩者中最不利的情況作為設(shè)計(jì)依據(jù),確定擋墻斷面形式,主要計(jì)算公式如下所示[2]。
基底壓應(yīng)力計(jì)算式:
式中:σ1為擋土墻趾部的壓應(yīng)力,kPa;σ2為擋土墻踵部的壓應(yīng)力,kPa;B為基礎(chǔ)寬度,m;A為基礎(chǔ)底面每延米的面積,m2。
擋墻滑動(dòng)穩(wěn)定方程及抗滑穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算式:
式中:G為作用于基底以上的重力,kN;Ey為墻后主動(dòng)土壓力的豎向分量,kN;Ex為墻后主動(dòng)土壓力的水平分量,kN;Ep為墻前被動(dòng)土壓力的水平分量,kN;E'p為墻前被動(dòng)土壓力水平分量的0.3倍,kN;N為作用于基底上合力的豎向分力,kN;α0為基底傾斜角,(°);γQ1、γQ2為主動(dòng)土壓力分項(xiàng)系數(shù)、墻前被動(dòng)土壓力分項(xiàng)系數(shù);μ為基底與地基間的摩擦系數(shù)。
擋墻的傾覆穩(wěn)定方程及抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算式:
式中:ZG為墻身重力、基礎(chǔ)重力、基礎(chǔ)上填土的重力及作用于墻頂?shù)钠渌奢d的豎向力合力重心到墻趾的距離,m;Zx為墻后主動(dòng)土壓力的豎向分量到墻趾的距離,m;Zy為墻后主動(dòng)土壓力的水平分量到墻趾的距離,m;Zp為墻前被動(dòng)土壓力的水平分量到墻趾的距離,m。
結(jié)合計(jì)算結(jié)果及現(xiàn)有邊坡開(kāi)挖情況,確定擋墻總高度為10 m,墻頂位于路塹邊坡平臺(tái)處,頂寬與平臺(tái)同寬為2 m,面坡采用原路塹邊坡坡率1∶0.75,背坡為1∶0.2,墻底坡度為1∶5。
圖3 抗滑擋墻斷面圖(單位:cm)
3.3.3 鋼花管注漿
由于該段路塹邊坡下臥層較為破碎,擋墻基底存在軟弱薄夾層,故在邊坡坡腳的碎落臺(tái)處采用鋼花管注漿對(duì)地基進(jìn)行加固處理。在碎落臺(tái)寬度范圍內(nèi)設(shè)置兩排鋼花管,按橫向間距75 cm,縱向間距100 cm布置。鋼花管長(zhǎng)10 m,采用φ89×5 mm無(wú)縫鋼管,管內(nèi)注漿材料為M30水泥漿,鋼花管頂部采用C25混凝土冠梁加固,冠梁寬150 cm,高30 cm。鋼花管注漿能夠提高擋墻基底的承載能力,改善破碎巖體及軟弱土層的物理學(xué)指標(biāo),增加下臥層的整體強(qiáng)度,能為抗滑擋墻提供一個(gè)良好的支撐條件,增強(qiáng)地層的整體抗滑能力。
3.3.4 防排水設(shè)計(jì)
該次邊坡滑塌與地表水入滲、坡體內(nèi)含水量增加有密切關(guān)系,所以做好防排水措施對(duì)滑塌的治理起著重要作用,該次處治中采用了如下措施:
圖4 鋼花管布置圖(單位:cm)
a)在滑塌邊坡平臺(tái)處設(shè)置30 cm×30 cm的平臺(tái)截水溝,坡腳處設(shè)置60 cm×60 cm的邊溝,使滑塌邊坡的排水設(shè)施與原設(shè)計(jì)路基排水系統(tǒng)順接,有效排出坡面積水。
b)為確保路塹邊坡內(nèi)的層間積水能夠迅速排出坡體外,在第一級(jí)邊坡坡腳設(shè)置一排仰斜式排水孔,排水孔長(zhǎng)20 m,直徑130 mm,仰角9°,間距2.5 m。
c)擋土墻墻體內(nèi)設(shè)置泄水孔,孔內(nèi)放置直徑10 cm PVC排水管,排水孔間距2.0~2.5 m,距碎落臺(tái)0.3 m處開(kāi)始交錯(cuò)布置,并在墻背處設(shè)置寬50 cm碎石透水層,泄水孔與碎石透水層共同為坡體內(nèi)的水提供完整排水路徑,確保坡體內(nèi)的水能有效排出。
d)為防止地表水入滲,邊坡坡頂采用50 cm厚6%灰土進(jìn)行隔水封閉處治,封閉范圍為修整完成后的路塹邊坡開(kāi)口與滑體后緣裂縫之間的原地面。
圖5 滑塌處治設(shè)計(jì)斷面圖(單位:cm)
本文以某一級(jí)公路路塹邊坡滑塌處治為背景,結(jié)合工程實(shí)際情況,在進(jìn)行滑塌工程治理過(guò)程中綜合運(yùn)用邊坡卸載、抗滑支擋結(jié)構(gòu)、鋼花管注漿等多種治理措施的設(shè)計(jì)思路及方案設(shè)計(jì)進(jìn)行了較為詳細(xì)的闡述,可為類(lèi)似工程提供一定的參考借鑒。