城市復雜條件下邊坡穩定性分析

夏 雨

(中國十九冶集團有限公司, 四川成都 610000)

0 引言

城市復雜環境下混合邊坡是指,在已有人工改造的情況下,因城市建設需要,對原有基巖的邊坡支護進行調整形成的新邊坡,該類邊坡因周邊建設情況復雜,存在道路,小區,學校,停車場等多種公共設施,原邊坡支護資料不全,回填情況不清楚等情況,新邊坡穩定性分析需考慮情況較多,本文研究對象主要為此類邊坡,屬于基礎設施建設過程中挖填方工程形成的產物。填土部分一般由孤石、塊石、碎石和粘性土組成較松散,容易滲水,黏土有弱膨脹性,基巖為全風化-中風化花崗巖。它是一種受人工改造及其存在環境、組成成分、結構及氣候所影響的人工改造邊坡,具有不連續性,非均質性和各向異性的具有復雜特性的力學介質,因為具備這些以上特性,讓該類邊坡穩定性的研究具有復雜性。

在類似攀枝花市區這種具有大量基礎設施建設項目的區域,因其地質條件的特殊性,在基礎設施建設過程中形成大量此類邊坡,遇到強降雨天氣仍然發生開裂沉降滑坡等地質災害,給市區人員生活安全、市政道路、市政建筑等生產生活設施造成巨大的威脅,這些情況都需要對該區域的堆積體邊坡進行治理,以滿足人民安全生產生活需要。

1 工程概況

1.1 地形地貌

場地原始地形屬于典型的經過長期剝蝕切割的山地溝谷陡坡地形,局部為陡坎?，F經過幾次人工改造場地形成了一標段西側邊坡、佳聯路及行人梯步,地形呈西高東低,高差最大約 53 m。該場地大范圍上屬于剝蝕切割型的中低山地貌,微地貌上屬于陡坡及臺地地貌。

1.2 氣象條件

攀枝花市東區氣候屬南亞熱帶為基調的干熱河谷氣候,具有夏季長、溫度日變化大、四季不分明、氣候干燥、降雨集中、日照多、太陽輻射強、氣候垂直差異顯著,以及高溫、干旱等特點。

1.3 地層巖性

攀枝花市東區出露地層較全,遠古界、前古生界、中生界及第四系較發育,新生界分布較零星。研究區主要分布為第四系現代堆積物及遠古界花崗巖。

1.4 地質構造

1.4.1 新構造運動與地震

1.4.1.1 新構造運動

區內挽近構造主要表現為普遍的強烈抬升和第三紀的水平運動,于河流沿岸可見高出河谷數十米的基座階地分布,另還可見第三系地層中褶皺和斷裂發育,局部有老斷裂復活的現象,且地震活動頻繁。

1.4.1.2 地震

研究區位于我國南北地震帶中南段, 晚第四紀時斷裂有明顯的活動顯示,特別是離場地最近的拉鲊—新九段為全新世活動段。區內主要遭受外圍地區歷史強震和場地附近中強地震的影響,影響較大的共有10次,主要沿鮮水河—小江地震帶和滇西(騰沖—瀾滄斷裂)地震帶分布(圖1)。

圖1 研究區地質構造

1.5 水文地質特征

1.5.1 地表水

研究區內以中山河谷地貌為主,徑流值相對較低,多年平均徑流深在70～300 mm之間。

1.5.2 地下水

研究區主要地下水類型分為2種,松散堆積層孔隙水及基巖裂隙水。

2 已破壞邊坡破壞機理分析

2.1 巖土體分布特征

根據對破壞段段邊坡的鉆孔揭露,邊坡的巖土體從上到下的分布與力學特征:瀝青混凝土面層(Q4ml):該面層強度高; 素填土(Q4ml):由原路基填筑而成,本為中密—密實狀態,但由于填料不均勻,有大塊石,碎石和漂塊石層,由于雨水滲漏及污水管裂縫影響,細顆粒部分被帶走,呈松散—稍密狀態,力學性能差,主要分布在西側、衡重式擋墻內側,厚度不一; 毛石混凝土(Q4ml):修建衡重式擋墻時回填而成,低壓縮性,力學性能好; 漂塊石土(Q4ml):主要分布在填土底部,呈稍密—中密狀態。 全風化花崗巖:該層力學強度中等,力學性能較好,厚度較大,局部分布,是較好的邊坡地層。 強風化花崗巖:壓縮性較低,該層力學強度較高,厚度較大,整場分布,可以作為支護結構基礎持力層,也是較好的邊坡地層; 中風化花崗巖:根據鉆探揭露和室內試驗,低壓縮性土,該層力學強度較高。

2.2 巖體結構面特征

場地巖層為花崗巖,通過地面地質調查和鉆探揭露可知,場地內巖體構造節理(裂隙)較發育,據野外調查分析場地基巖中主要發育為3組裂隙(6-3):J1:產狀 330°～340°∠68°～75°,裂 面較平整,延伸可達 10 m,張開度 1～3 mm, 無膠結,結合一般, 結構面起伏粗糙,巖屑充填,裂隙間距 0.2～1 m,為硬性結構面,優勢節理為 330°∠68°。 J2:產狀18°～25°∠30°～35°,裂面呈 舒緩波狀,延伸長 2～4 m , 張開度 1～3 mm、少量巖屑充填,結合一般,裂隙間距 0.2～1 m,為硬性結構面。優勢節理為 20°∠30°。J3:產狀 111°～115°∠66°～68°,裂面較平整,延伸可達 10 m,張開度 1～3 mm,無膠結,結合一般,結構面起伏粗糙,巖屑充填,裂隙間距 0.2～1 m,為硬性結構面。優勢節理為 111°∠66°(圖2)。

圖2 邊坡巖體結構面發育特征

3 邊坡破壞、擋土墻變形特征及分析

通過對邊坡、擋土墻的變形破壞特征及發展演化史進行分析,總結出邊坡、 擋土墻變形破壞機制,從而針對性地提出邊坡的加固措施。

3.1 擋土墻變形特征

邊坡頂佳聯路道路出現2條較長裂縫,分別位于加筋擋土墻區域和既有重力式擋墻區域,如圖3所示。根據現場實測,邊坡加筋擋土墻區域的道路裂縫距坡頂邊的水平距離約 19.33 m,距坡腳紅線的水平距離約 39.56 m;既有重力式擋墻位置道路裂縫距擋墻頂邊緣約 17.25 m。已破壞段邊坡擋土墻出現了開裂,根據現場調查發現,擋土墻發生整體傾斜(向外側),最大水平錯距約 10 cm,但是墻身較為完整,未出現明顯的變形破裂特征,僅在伸縮縫處出現水泥掉塊。已破壞段邊坡擋土墻墻腳處的梯步出現了明顯的變形錯動跡象,同時,部分梯步扶手出現了拉裂現象,從變形跡象上來看,擋土墻整體發生了變形,但是擋土墻本身未出現明顯的開裂變形,同時,擋土墻外側的梯步發生豎向變形及向外側的水平變形;擋土墻上方的路基的變形裂縫主要集中在路基內側靠近佳聯夢苑小區部位,因此初步判斷,路基內側的裂縫和擋土墻墻腳處的變形裂縫是同一個破裂體系。

圖3 擋土墻變形區的分布與開挖面的位置關系特征

3.2 邊坡開挖過程中的地下水變化特征

前期項目勘察期間在鉆孔內未測得地下水位,坡體內有少量地下水滲出以及西側地表水下滲變成地下水從中風化花巖里流出。佳聯路下面埋有市政排污管道,根據現場調查,該管道已發生泄漏,導致污水滲入到佳聯路路基及擋土墻下覆風化巖體。2017年7月進場地勘發現西北側毛石擋墻有滲水情況。附近居民告知該處擋墻常年滲水(圖)。2018年3月19日,開挖至1 215 m標高, 西側邊坡1 210 m～1 230 m平臺在開挖時已破壞段南側發生局部滑塌,至2018年3月25日停止(期間均為晴天)?；?當時開挖面底部有大量水流出,且有臭味。2018年4月13日,開挖至1 200 m 標高后,西側邊坡已破壞段中部發生局部滑塌。邊坡坡腳處在開挖過程中有水體匯集,無明顯徑流方向。2018年后6月4日開挖至1 194 m標高后,發生局部垮塌,垮塌處及坡腳開挖過程面,可見少部分水體匯集。6月11日有雨,6月12日坡腳匯集大量水體,重力式擋土墻中上部水呈線狀流出綜合邊坡開挖過程中的地下水變化特征,可以初步得出如下結論:

邊坡中無明顯的地下水位線,佳聯路市政排污管道發生滲漏,市政污水已經滲入到邊坡,邊坡排水不暢;邊坡中的裂隙水力系統已經有完整的補給途徑,可以接受降水的補給;地下水參與了邊坡及擋土墻的變形,在一定程度上促進了擋土墻的變形發生。

3.3 邊坡破壞模式分析

邊坡擋土墻的滑移-張裂變形的形成演化模式如下:初始階段,公路下方的市政管道存在污水泄漏,坡腳的風化巖體因荷載作用以及地下水的軟化作用而發生壓縮變形,但是坡腳臨空條件有限,未發生沿著坡腳風化巖體及緩傾坡外結 構面發生明顯的剪切變形。這一階段,擋土墻處于基本穩定狀態。隨著邊坡開挖,滲入路基的水對擋土墻形成靜水壓力;同時,邊坡中下部巖體發生卸荷變形, 衡重式擋墻衡重擋墻衡重式擋墻沿著已有的結構面發生垮塌,導致邊坡上部的風化巖體發生松動,從而發生變形, 變形沿著結構面向上擴展;同時,擋土墻下部巖石較大的壓縮變形,進一步為擋土墻張裂提供了變形空間。 可以推斷,在邊坡繼續開挖或極端工況下,邊坡的變形破壞將繼續沿著 J2 結構面(18°～25°∠30°～35°)向上發展,同時,邊坡上部分的擋土墻及路徑會繼續向下壓縮變形,最終會和結構面貫通,形成貫通性破裂面。

由以上分析可知,已破壞段邊坡擋土墻及路面開裂的主要誘發因素是邊坡開挖,誘發因素是路基地下水管網的破裂導致污水入滲。

4 已破壞段邊坡加固措施建議

通過現場地質調查及室內分析,邊坡的總體變形較為穩定,邊坡的的變形及破壞主要受控于 J2 和 J3 這2組結構面,該2組結構面為一陡一緩,可以組合為不穩定性塊體。邊坡開挖過程中的幾次局部垮塌均為這2組結構面切割的塊體滑移導致,但是考慮到結構面的延續性,這2組結構面難以形成較大的塊體,因此,在已有的支護條件下,應加強對邊坡的坡面的清理,同時,宜采用噴射混凝土或主動網對坡面隨機塊體進行支護。

對誘發邊坡變形的因素是路基地下水破裂管網進行及時維修,接入城市排水系統,防止污水再次大量進入。