高速公路滑坡成因机制分析与稳定性评价论文
1.工程概况 谷城至竹溪高速公路K39+000~K39+250左侧滑坡位于孔溪沟村附近,开挖边坡最大高度为29.3米,已开挖至设计标高。在持续三天的降雨之后,边坡发生滑移。滑移产生错台、裂缝,对该段路基上的梁场安全构成严重威胁。裂缝距离路基设计中心线上方约150米,裂缝贯通长度约200米,最大宽度约10米,错台最大高度2~3米。山体
滑移导致区域内农网双柱式电杆多处发生倾斜,供电中断,梁场地面局部隆起,轨道推移变形,靠近山体台座破坏。
2.地质条件
2.1 地形地貌
滑坡区属构造剥蚀侵蚀低山区。山体多呈尖棱状,山势陡峻,地形坡度一般20°~40°,局部近直立。
2.2 地层岩性
滑坡区出露的地层主要为第四系未分统残坡积土(Q4el+dl)和元古界武当山群片岩(Pt2wb),基岩顺坡向,产状290°∠35~60°。
2.3 地质构造
滑坡区属于位于南秦岭构造带中的武当山复背斜次级构造单元。滑坡区基岩大多出露,总体产状较稳定,褶皱、揉皱发育、局部产状凌乱,见有明显的构造迹象。
2.4 水文地质
2.4.1 地表水
滑坡区属亚热带季风气候区,气候湿润,雨量充沛,地表径流发育,地表水与地下水均较丰富,属汉江流域,路线所经地区的主要河流为北河及其支流。
2.4.2 地下水
滑坡区地下水主要可分为第四系孔隙水、基岩裂隙水等二大类。第四系孔隙水主要赋存于山体表层与山涧盆地表层松散-半松散残坡积层及冲积层内的碎-块石土、含砾粉土中。基岩裂隙水沿其细小的层间裂隙、岩体节理运动,水量不大,多为下降泉。
2.5 地震烈度
根据国家质量技术监督局2001 年2 月发布的中国地震动参数区划图(GB-18306-2001)及武汉地震工程研究院编制的《谷城至竹溪高速公路主控工程场地地震安全性评价报告》综合分析可得,本合同段地震动反应谱特征周期为0.35s,场地类型为中硬,地震动峰值加速度为0.05g,相当于原地震基本烈度Ⅵ度区。
2.6 地质勘探成果
根据滑坡特点,勘探孔采用一纵二横网线布置来控制整个滑坡体,布置8 个钻孔。综合勘察[2]揭示,滑体主要为第四系未分统残坡积土(Q4el+dl),滑床为元古界武当山群片岩(Pt2wb),滑带为含碎石粘性土。滑坡物质组成可分为:
(1)粘性土:褐黄色,软塑-硬塑状,表层夹有少量植物根系,下部包含约10%~15%的碎石,碎石直径一般1~4cm,多是菱角状,局部含有少量铁锰质结核,切面较光滑,主要分布于滑体中上部。
(2)碎石土:灰黄色-灰褐色,稍湿。松散-中密状,土石比4:6~2:8,碎石主要成分为强风化片岩,碎石直径一般2~10cm,局部夹有块石,块石直径一般20~40cm,多呈次菱角状,少量菱角状,充填物为粘性土,稍湿,可塑,主要分布于滑体中下部接近滑带位置。
(3)滑带土:灰黄色~灰褐色,稍湿,软塑状,主要粘性土和碎石组成,碎石成分为全~强风化片岩,粒径一般1~2cm,次棱角状,次圆状。8个钻孔均揭示有滑带存在,揭示滑带主要表现为含水量较其他层位丰富,局部见擦痕等。
(4)强风化片岩:褐色-灰白色,变晶结构,块状构造,主要矿物成分为石英、长石、云母等,裂隙发育,裂隙面可见大量铁锰质氧化物,局部可见条带状石英脉及溶蚀现象,岩芯多呈短柱状、碎块状及块状,少量柱状,为滑床。
(5)中风化石英片岩:褐色-灰白色,变晶结构,块状构造,岩石断面新鲜,局部可见条带状石英脉,岩芯多呈短柱状、长柱状,为滑床。
3.滑坡成因机制分析
3.1 滑坡范围
现场调查发现该滑坡范围较为清楚。滑坡前缘、后缘及右侧边界明显,均可在地面见贯通性裂缝;左侧边界(即斜坡西侧区)后部较为明显(贯通裂缝),前部不明显(仅在局部岩土界面存在滑移迹象)。表现为前缘剪出口明显、后缘裂缝张开与错落明显,右侧以剪切裂缝为主,左侧靠后部发育剪切裂缝。
3.2 滑面分析
在地质调查和地质勘探中均揭示了滑面的存在。前缘、后缘和右侧边界滑面清晰,显示后缘和侧缘滑面产状为334°∠25°,可以确定,滑坡后部按照25~30°倾角发生滑移;前缘剪出口裂缝清晰,擦痕方向不清晰。
3.3 监测数据分析
滑坡发生后,在滑坡区布设了地表位移变形监测点23 个,监测数据结果表明滑坡位移特征如下:
(1)整体向北偏西方向(334°)运动;
(2)监测整体位移量变化不大,基本上均小于0.1m,且从滑坡后缘至前缘的位移呈递减特征;
(3)滑坡中后部铅直方向位移下沉,量值小于0.1m;滑坡前部(靠前缘 区)铅直方向位移隆升明显、量值小于0.1m,即滑坡中后部下沉、前部区隆升特征。 3.4 滑坡成因机制分析 据调查,该滑坡变形为工程开挖斜坡引起,滑坡范围受地形地貌、地层岩性、地质构造及水文地质条件控制。其形成具有明显的内在原因——地形地貌与地质条件,以及外在原因——路堑边坡开挖及长时间的持续降雨。 3
.4.1 内在原因
滑坡形成的内在原因主要为滑坡所在斜坡区的地形地貌、地层岩性及水文地质条件。
(1)地形地貌
滑坡所在的微地貌单元为坡向北偏西的斜坡,天然状态下总体坡度25°左右,属构造剥蚀侵蚀低山区。该斜坡坡脚是山间冲沟,高程约350m、地势相对较低,坡顶较高,地势相对较高约510m,相对高差约160m。滑坡坡面起伏不平,后缘相对较缓,坡面中部平缓,前缘相对较陡。后缘缓坡地形坡度20°左右,中部地形坡度约为10°,前缘为开挖坡度45°的路基边坡。后缘缓坡地形为地表水汇集下渗及径流提供有利的条件,后缘汇集的地表水在坡面中部流速降低,有利雨水下渗进入坡体;前缘开挖至公路设计标高,地势较低,开挖坡面形成一陡峭的临空面,为滑坡变形提供了良好的空间条件,有利于滑坡的形成。
(2)地层岩性
据野外实地调查和钻孔揭露,滑坡区地层为双层结构,下部为元古界武当山群片岩(Pt2wb)、上部盖层为第四系(Q)。第四系(Q)主要为残坡积物,含有较多碎石,土体松散~稍密状态,有利于大气降水的入渗。武当山群片岩(Pt2wb)呈褐黄色、灰白色、青灰色,变晶结构,片状构造。该片岩层理发育,岩土界面处层理面被地下水长期浸泡后形成软弱填充物,为滑坡提供了天然滑面。
(3)水文地质条件
该滑坡分布于山梁以下的斜坡地带,区内地形纵坡较大,为地下水补给、径流提供了有利条件。在浅层碎石土中为松散介质的上层滞水、中下部主要为基岩裂隙水。地下水主要受大气降水的季节性补给。地下水接受补给后总体由土层向基岩面、然后大部分顺基岩面向坡脚排泄,一般具有就地补给、就近排泄的特点。上覆第四系未分统残坡积土(Q4el+dl)是松散介质的上层滞水,在持续降雨期间浅层碎石土易处于饱水状态。
3.4.2 外在原因
路堑工程开挖斜坡是该滑坡形成的外在原因。边坡开挖将原有的`缓坡(坡度不大于30°)改造成总体坡度约45°、高度约10m-30m的阶梯状边坡,因此,坡度偏陡;同时,开挖部位在斜坡的坡脚区,从而失去支撑,降低了斜坡稳定性。
4.滑坡稳定性评价
4.1 定性分析
根据开挖过程、现状及地表位移监测成果可知,原有边坡在正常状况和小型降雨情况下,保持稳定状态;在强降雨的情况下,边坡处于不稳定状态,发生滑移;滑移后滑坡在天然状况或小型降雨情况下,滑坡位移变化量不大,处于极限平衡状态。同时,滑坡位移有如下特点:中后部位移量大、前缘区位移量小,这表明该滑坡处于蠕滑阶段,表现为滑坡中前部滑体处于挤压变形状态。若在后续可能存在的强降雨或者地震的情况下,极可能加剧滑坡变形,从而导致路堑边坡大规模整体性滑动。
4.2 定量计算
4.2.1 计算剖面
如前所述,滑坡周界、滑面、主滑方向清晰,以滑坡中心界I- I′作为滑坡主剖面(如图1),并据此进行滑面参数反演和稳定性计算。
图1 I- I’剖面图(滑坡主滑方向)
4.2.2 计算工况
根据《公路路基设计规范JTGD30-2004》[3]中路堑边坡设计要求,滑坡拟考虑以下三种工况条件进行边坡稳定计算:
(1)正常工况:边坡处于天然状态下的工况;
(2)非正常工况Ⅰ:边坡处于暴雨或连续降雨状态下的工况;
(3)非正常工况Ⅱ:边坡处于地震等荷载作用状态下的工况。
4.2.3 计算参数的确定
采用以参数反演为主,同时参考土工试验成果、工程地质类比分析成果的方案来综合确定滑带土的强度参数及岩土参数,结果如表1所示。
表1 滑坡稳定性计算岩土力学参数计算取值
4.2.4 稳定性计算分析
采用极限平衡法中简布法和传递系数法[4]对滑坡稳定性进行计算与评价,计算结果见表2。
表2 滑坡I- I’剖面稳定性计算结果
计算工况稳定性系数备注
正常工况1.123滑坡前缘反压有3片20米T梁,量值小,本次计算不予考虑。
非正常工况Ⅰ0.986
? 非正常工况II0.992
由表可知,滑坡I- I’剖面在天然状态下稳定性系数为1.123,处于基本稳定到稳定状态;在暴雨或持续降雨状态下,滑坡稳定性系数为0.986,处于欠稳定状态; 在地震荷载状态下,滑坡稳定性系数为0.992,处于欠稳定状态。综合考虑可知,需要对该边坡进行工程治理。 5.结论 通过对谷城至竹溪高速公路K39+000~K39+250 左侧滑坡调查、形成机制、稳定性计算与分析等,可得如下结论: (1)该滑坡前缘高程为386m,后缘高程为432m,高差47m,纵向长约210m,前缘区宽约120m
,滑坡区面积约2.6×104m2;滑体平均厚度为8.5m,滑坡体积为22.1×104m3;主滑方向为334°,滑面总体倾角为17°。
(2)滑坡为上覆第四系未分统残坡积土(Q4el+dl)顺岩土界面滑移的土质滑坡。顺层斜坡天然存在的岩土界面为滑坡产生的基本条件,路基工程开挖为滑坡形成的主要诱发因素,雨水入渗对岩土体,特别是对滑动面的软化作用为滑坡形成的重要影响因素。
(3)在正常工况(天然状态)下,该滑坡处于基本稳定到稳定状态,但在非正常工况1 和非正常工况II 下该滑坡处于欠稳定状态。因此,需要对边坡进行工程治理。
(4)对滑坡体提出如下防治建议[5]:在滑坡后缘修建截排水沟,防止后部地表水渗入滑坡体;在滑坡前部设一排抗滑桩,增加滑坡整体和局部的稳定性。
参考文献:
[1] 中华人民共和国国土资源部. DZ/T 0219-2006 滑坡防治工程设计与施工技术规范[S]. 北京:中国标准出版社,2006.
[2] 中华人民共和国建设部.GB 50021-2001岩土工程勘察规范(2009年版)[S].北京:中国建筑工业出版社,2009.
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[4] 钱家欢,殷宗泽.土工原理与计算(第二版)[M].北京:中国水利电力出版社,1996.
[5] 姜德义,朱合,杜云贵.边坡稳定性分析与滑坡防治[M].重庆:重庆大学出版社,2005
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