张钊瑞，陆海平，周尚志

(1.长沙理工大学 土木与建筑学院，湖南 长沙 410114；2.湖南中大设计院有限公司,湖南 长沙 410075)



湘西某高速公路滑坡分析与整治设计

张钊瑞1，陆海平2，周尚志1

(1.长沙理工大学 土木与建筑学院，湖南 长沙 410114；2.湖南中大设计院有限公司,湖南 长沙 410075)

摘要:湘西某新建高速公路通过一稳定古滑坡体，由于施工开挖导致边坡坡顶截水沟多处开裂、塌陷，地表出现纵向连续弧形裂缝，山体产生新的滑移可能；在对该滑坡进行详细勘察和滑坡失稳机制分析的基础上，利用勘察资料和参数反演分析结果，进行边坡稳定分析；最后决定采用预应力锚索桩相结合的方案进行综合整治；监测结果表明，该治理方案是稳妥可靠的。

关键词：古滑坡；滑坡机制；参数反演；稳定分析；预应力锚索；抗滑桩

1概况

湖南湘西地区地形陡峭，存在大量稳定古滑坡斜坡体，由于选线需要，在高速公路建设中面临大量的路基斜坡和古滑坡体的稳定性问题；对这类问题的准确判断和分析研究有助于节省投资，缩短工期[1-3]。湘西某新建高速公路连接线一段位于风化页岩山腰地段，坡积碎石土层厚度大。线路横切山腰，右侧人工边坡高度11.1～24.5m，原设计为一级坡比1∶1，坡顶设截水沟，坡脚为2.8m高浆砌石挡土墙护脚。在坡顶截水沟施工完成，坡脚开挖而挡土墙尚未施工时，该段右侧边坡坡顶截水沟多处开裂、塌陷，距中线约30和40m处地表出现宽约15～55cm的纵向连续弧形裂缝，坡体出现滑移。

2工程地质与水文地质

2.1地形地貌

本区为丘陵地貌，线路从一古滑坡体前缘通过，线路距离古滑坡体前缘约50m，距离后缘约110m，后缘以外是坡度近40°陡坡，坡顶标高358.95m，古滑坡体表面为桔林，坡度约15°，古滑坡体两侧为小冲沟，中间为U型坡，坡脚和两侧冲沟内雨后有泉水渗出。古滑坡体前有一小河，前缘向河道凸出，前缘部分被村民整平作为桔园。公路路基边坡挖方边坡陡峭，坡上截水沟有多处断裂，地表多处拉裂塌沉。如图1～2所示。

图1　L2K4+750-850右侧25处坡顶截水沟开裂Fig.1 Intercepting drain on the top of slope with cracks 25 m on the right of L2K4+750-850

2.2地层岩性

根据勘察揭露，场地内主要出露地层为第四系松散堆积物及志留系页岩：

第四系全新统(Qh)①种植土：褐红色等，松散，主要为山坡表土及菜地表土，厚约0.50～1.20m。②碎石土：黄褐色、褐色，坡积及滑坡堆积成因，多呈稍密状态，碎石主要成分为强风化页岩，粒径一般2～20cm，最大可达60cm。含量约60%～80%。

志留系(S1)③强风化页岩：黄褐色，泥质炭质粉细粒结构，大部分矿物成分均已风化变质，节理裂隙极发育，岩体破碎，岩芯呈土夹碎石状。④中风化页岩：褐色夹灰黑色，泥质炭质粉细粒结构，部分矿物成分风化变质，节理裂隙发育，岩质较软，岩体较破碎，岩芯呈碎块状、块状。⑤微风化页岩：灰黑色，泥质炭质粉细粒结构，岩体较完整，裂隙面有少量黄褐色浸染，属于较软岩，岩芯呈短柱状、柱状。

图2　L2K4+700-750右侧45 m处地面裂缝Fig.2 Surface cracks 45 m on the right of L2K4+700-750

2.3地质构造及边坡岩体结构

勘察区覆盖层厚度一般小于20m，下部基岩主要为页岩，根据永顺幅1∶20万区域地质资料、线路详勘报告及现场地质调查，本段路线位于沙达溪倒传背斜的西翼，与区域断层苗儿洞-卡塔坝张性断裂相距远，断裂对本场地稳定性影响不大。

本场地基岩为页岩，产状14°∠12°，主要发育2组节理：①220°∠55°；②55°∠60°。其中节理①强烈发育，裂隙连接性较好，对路基边坡稳定性影响较大。

2.4地下水及其影响

滑坡区水文地质条件较简单，地下水主要为第四系覆盖层中的孔隙潜水及基岩裂隙水。上层滞水主要赋存于种填土中，含水贫乏；潜水主要赋存于碎石土中，水量中等。基岩裂隙水主要强风化岩及中风化岩层裂隙中，因岩体裂隙大多呈半张开-闭合状，因此基岩富水性差，主要接受大气降水及相邻含水层的垂直向补给，受气候季节影响较大。

2.5滑坡岩土物理力学性质

为了准确评价各土层的物理力学性质，现场主要对碎石土②、强风化页岩③、中风化页岩④进行相关测试与试验，主要指标见表1～3。

表1　碎石土的主要物理力学性质指标统计表

表2　原位测试成果统计表

表3　岩石抗压强度指标统计表

3边坡变形特征及成因机制

3.1自然因素

1)不利的坡体结构：边坡覆盖层土体是古滑坡堆积体，以碎石土为主，透水性好，下伏基岩页岩作为相对隔水层，阻碍了地下水继续下渗，边坡施工开挖后，地表水下渗到坡体碎石中，受页岩的阻隔，多聚集在土石分界面附近，导致碎石土下部的黏土层长期受地下水的浸泡，从而降低了土层的抗剪强度，使土石分界附近形成一个连续分布的软弱面，奠定了坡体上的碎石土层沿此软弱面产生蠕动变形的基础。

2)降水作用：滑坡之前，因由于边坡开挖在夏季在湘西北地区属于雨季，滑坡之前出现连续强降雨，降雨导致地下水环境的恶化也是诱发滑坡的因素之一。

3.2人为因素

边坡开挖后，坡脚卸载，部分卸除了边坡的抗滑段，即破坏了古滑坡已稳定的力学平衡条件，为坡体产生新的滑移提供了良好临空面。在上述不利因素条件组合下，首先是滑坡前缘失稳，引起上部坡体失稳，从而导致坡体产生整体滑移，形成了滑坡体。

综上所述，该滑坡的自然地质条件是产生滑动的内因，工程开挖和大气降水是滑坡产生的直接诱发因素。依据其成因和特征分析判断：该滑坡属工程施工引起的牵引式滑坡[4]。

4稳定性分析

通过勘察及分析发现古滑坡体目前处于基本稳定状态，本次施工引起的工程滑坡仅是其滑坡体内的局部滑塌，在将其处治后，将不会对古滑坡造成影响。故以下的滑坡稳定性分析、计算及处治均只针对工程滑坡。

4.1滑坡体滑移面的确定

目前边坡整体处于蠕滑状态，前缘浅层已崩塌。根据坡顶裂缝、此次勘探和滑坡剪出口位置及钻探情况，滑动面主要位于碎石土层中，变形虽然表现为坡体的逐级塌滑失稳，但在反演过程中视为整体变形破坏。故得到滑移面的大致位置如图3～6所示。

图3　(断面1-1)判定滑面图Fig.3 Determined sliding surface (1-1)

图4　(断面2-2)判定滑面图Fig.4 Determined sliding surface(2-2)

4.2滑移面抗剪参数的确定

对于滑动面上岩土抗剪参数的确定，是进行滑坡稳定分析的重点和难点，根据现场调查，工程边坡目前的稳定状态、勘察所取得的地质资料等情况，选取典型断面，采用最小二乘原理反演滑动面的抗剪强度参数[5]。

图5　(断面3-3)判定滑面图Fig.5 Determined sliding surface (1-1)

图6　(断面4-4)判定滑面图Fig.6 Determined sliding surface(2-2)

稳定性分析时，不考虑地震作用，采用水土合算；通过分析所得滑移面，采用《岩土工程勘察规范》中滑坡稳定计算公式(1)，对于失稳断面取k=1.0，可得到4组关于tanΦ和c的线形方程(2)；然后用最小二乘法，在Matlab中利用相应公式进行计算，得到tanΦ和c的最优解：tanφ=0.284 7，即φ=15.89o，c=15.37kPa。

(1)

(2)

由于滑移面土样在钻探取样时很难取到完整的试样，所以该力学参数应根据破碎的土体残余强度试验、参数反分析及工程经验类比综合确定，同样需对c和φ进行敏感性分析，结果如表4所示。可以看出摩擦角敏感性较大。

表4滑移面岩土参数反演与敏感性分析

Table4Parameterinversionandsensitivityanalysisoftherockontheslidingsurface

c/kPa1515151820φ/(0)1817161515安全系数1.1061.0461.0020.9050.997

由于该坡已出现较大裂缝，c不宜过大，取8～18 kPa为宜，摩擦角φ取100～200为宜。认为在未受到雨水等不利条件下滑移面上岩土材料此值比较能反映其实际情况，并按此值进行古滑坡稳定计算与分析。

4.3古滑坡稳定性分析

根据上述参数，对古滑坡进行自然工况下稳定性验算，公路未切方之稳定系数为1.31，切方之后稳定系数为1.11。计算安全系数采用1.25，则剩余滑坡推力为618.9kN/m。采用圆弧滑动法对失稳边坡进行验算，稳定系数在0.99～1.02左右；可以看出新滑体处于临界稳定状态，这与整个滑坡体实际情况。前缘浅层已崩塌也较为接近，其滑动速度及范围受大气降水影响明显。随着大气降雨的增加以及时间的推移，边坡的变形、滑动程度必将进一步加剧，滑动范围必将进一步扩大，最终导致边坡整体失稳，甚至造成古滑坡复活。

5滑坡治理设计

根据本工程的自然地层地质和水文地质情况，综合考虑安全性、适用性、经济性和施工方便等要求[6-9]，采用预应力锚索抗滑桩支挡加固，并且辅助以排水等措施。

5.1预应力锚索抗滑桩设计计算

预应力锚索抗滑桩具有“主动加固、柔性支护、概念明确、经济合理”的特点。对锚索施加预应力后，一端与抗滑桩相连接，另一端穿过滑坡体后锚固于滑床内稳定岩体，从而使抗滑桩和预应力锚索组成一个联合受力体系。用锚索拉力和桩体共同平衡滑坡推力，彻底改变了一般抗滑桩大悬臂受力的受力机制，改变了抗滑桩单一靠嵌固段地基抗力平衡滑坡推力的机理。这样作用的结果，使得桩内弯矩大大减少，桩截面变细，桩埋深度变浅，达到了结构受力合理、节省投资、缩短工期的目的。

5.1.1锚索及桩的选型及布置

锚索选用7Φ5钢绞线，倾角为20°，采用1 500kN级预应力；抗滑桩的截面尺寸采用1.5m×2m，长度根据实际滑移面深度确定，示意图如图7所示。

图7　预应力锚索结构设计图Fig.7 Pre-stressed cable structure design diagram

5.1.2锚索拉力、锚固力及锚固长度计算

桩锚受力图如图8所示，通过锚索伸长量与桩的位移之间的变形协调最终确定锚固力大小。通过锚固力调整钢绞线的直径以及数量。根据水泥砂浆与锚索张拉钢材黏结强度确定的锚固段长度为lsa，根据锚固体与孔壁的抗剪强度确定锚固段长度为la，锚索的锚固段长度采用lsa和la中的较大值，从而确定锚索总长度。

5.1.3桩身内力计算与设计

由于滑坡滑床也就是锚固段为岩质边坡，故本设计采用“K法”计算桩的变形系数，通过计算得知：所有桩均为弹性桩。对桩不同深度的位置进行内力计算，计算所得到数据拟和成曲线，如图9所示；由于桩身内力变化比较大，考虑节省材料，不采用通长配筋，而采用分段配筋。

图8　锚索桩结构计算图Fig.8 Pre-stressed cable and pile structure calculation diagram

图9　桩身弯矩图Fig.9 Pile bending moment diagram

5.2防排水设计

滑坡整治中，对于滑坡体内的水应以“截、排和引导”为原则修建排水工程。在此工程中，首先需对现有地面各类大小裂缝进行填塞整治；然后采用截水天沟、树枝状排水沟以及平孔排水措施：截水天沟控制滑坡体外的地表水，防止其进入滑坡体内；排水沟将坡面水引离坡体范围，防止坡面水进入坡体；排水孔将坡体里的地下水排出坡体，减小滑坡隐患，设置软式透水管，孔径Φ80，孔深为8m，仰角为10o。

5.3监测设计

由于边坡内部岩土力学的复杂性，从地质勘察到整治不可能完全考虑边坡内部的真实力学效应，设计都是在很大程度的简化计算上进行。为了反映边坡岩土真实力学效应、检验设计施工的可靠性和整治后的边坡稳定状态，滑坡工程监测具有极其重要的意义[10]。

在此工程监测设计考虑采用2种方式进行，一是在线路中央稳定地层设观测站，对开挖边坡进行变形及位移监测，二是在开挖完成后的边坡上设置多点位移计对边坡进行监控。

6结论

1)滑坡失稳的机制是进行滑坡治理设计的前提，通过分析可得本滑坡属老滑坡体上因工程开挖引起的牵引式滑坡。

2)对滑动面的判断和滑动带岩土强度参数的选取是滑坡整治设计的难点和关键，采用最小二乘法反演强度参数不失为一种有效可靠的方法。

3)通过对岩土参数的敏感性反分析表明：内摩擦角的取值对滑坡稳定性影响较大，计算分析时应谨慎选取。

4)对于中小型堆积体滑坡而滑床为较完整岩石边坡，采用预应力锚索桩的处治措施是基于对该边坡工程地质状况和失稳机理的判断，且达到了结构受力合理、节省投资、缩短工期的目的。

参考文献：

[1]BowlesJosephE.Foundationanalysisanddesign[M]. 5thedition.NewYork：TheMcGraw-HillCompanies，Inc. 1996.

[2] 雷金山,阳军生,周大东,等.长潭新开河边坡滑坡机理分析与整治设计[J]. 铁道科学与工程学报, 2008, 12(6):89-93.

LEIJinshan,YANGJunsheng,ZHOUDadong,etal.MechanismanalysisoflandslideofChangtannewriverandtreatment[J].JournalofRailwayScienceandEngineering, 2008, 12(6):37-41.

[3] 彭富强,袁昕,袁航.娄新高速复杂地质边坡治理研究及稳定性分析[J]. 铁道科学与工程学报, 2013, 8(4):106-111.PENGFuqiang,YUANXin,YUANHang.ResearchonmanagementandstabilityanalysisofLou-Xinhigh-speedcomplexgeologicalslope[J].JournalofRailwayScienceandEngineering, 2013, 8(4):106-111.

[4] 岩土工程勘察规范 [M] .北京：中国计划出版社，2009.

Codeforgeotechnicalengineeringinvestigation[M].Beijing:ChinaPlanPress, 2009.

[5]JTGD30—2004，公路路基设计规范[S].JTGD30—2004，Highwaydesignspecifications[S].

[6] 田小波.预应力锚索抗滑桩优化设计及应用[J]. 铁道科学与工程学报, 2012, 8(4):89-93.

TIANXiaobo.Optimizationdesignandapplicationofpre-stressedachorfrictionpiles[J].JournalofRailwayScienceandEngineering, 2012, 8(4):89-93.[7] 向远华.锚杆框架梁-双排抗滑桩支护膨胀土边坡工作特性分析 [J]. 铁道科学与工程学报, 2013, 6(3):62-67.

XIANGYuanhua.Characteristicanalysisofframebeamwithanchoranddouble-rowanti-slidpilesinexpansivesoilslope[J].JournalofRailwayScienceandEngineering, 2013, 6(3):62-67.

[8] 龚啸,袁昕,袁航.钢花管灌浆锚固复杂地质下富水边坡稳定性分析[J]. 铁道科学与工程学报, 2013, 2(1):61-66.

GONGXiao,YUANXin,YUANHang.Stabilityanalysisoncomplicatedgeologyofrichwaterslopestrengthenedbygroutingsteelflower[J].JournalofRailwayScienceandEngineering, 2013, 2(1):61-66.

[9] 戴自航,石金华,卢才金.预应力锚索框架梁加固滑坡的稳定性数值分析[J]. 铁道科学与工程学报, 2014, 6(3):9-16.

DAIZihang,SHIJinhua,LUCaijin.Numericalanalysisonlandslidesstabilizedbyframedbeamswithprestressedcables[J].JournalofRailwayScienceandEngineering, 2014, 6(3):9-16.

[10] 陈涛,金亮星.湘西某滑坡整治深部位移监测分析[J]. 铁道科学与工程学报, 2008, 12(6):42-47.

CHENTao,JINLiangxing.AnalysisofdeepdisplacementmonitoringoflandslidetreatmentinwesternHunan[J].JournalofRailwayScienceandEngineering, 2008, 12(6):42-47.

* 收稿日期：2015-12-16

基金项目：湖南省大学生研究性学习和创新性项目(湘教通[2016]96号) ；桥梁工程湖南省高校重点实验室开放基金项目﹙13KA01)

通讯作者：陆海平(1963-)，男，江苏无锡人，高级工程师，从事岩土工程研究；E-mail:1293669013@qq.com

中图分类号：TU472.3

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)06-1068-07

Analysis of landslide of highway and treatment in western Hunan

ZHANG Zhaorui1, LU Haiping2, ZHOU Shangzhi1

(1.SchoolofCivilAndarchitecturalEngineering,ChangshaUniversityofScienceandTechnology,Changsha410114,China;2.HunanZhongdaDesignInstituteCo.Ltd,Changsha410075,China)

Abstract：A new-constructed highway in western Hunan went through an ancient landslide. Due to the slope excavation, cracking and subsidence appeared in intercepting drain on the top of slope and continuously curved longitudinal cracks appeared in surface, a new landslide might occur. Based on instability mechanism of slope, the stability of slope was analyzed by using survey results and the inversion parameters. Pre-stressed cables and piles were used to prevent the slide of the slope. The monitoring result indicates that this treatment is reliable and safe.

Key words：ancient landslide; mechanism of landslide; parameter conversion; stability analysis; pre-stressed cable; anti-slide pile