山區高等級公路陡坡高路堤滑動失穩類型及機理分析

魏少偉，張玉芳，蔡德鉤

(1．中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2．高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081)

山區高等級公路的建設在我國已有近20年的歷史，但山區陡坡上填方路堤設計，目前主要參考和應用水平路堤的研究結果，對陡坡高路堤的破壞機理的研究相對較少［1］。對于陡坡高路堤，存在以下破壞可能:①受施工條件限制，填土壓實質量難以控制，路基易產生不均勻沉降或滑動;②填土與原坡面之間抗滑措施不足，或地下水滲入誘發填土沿原坡面產生滑動;③原坡面以下存在順坡向結構面，填土加載或堵塞地下水通道，引起沿軟弱結構層的滑動。

本文針對高等級公路陡坡高路堤的特點，系統地分析其分類方法、失穩模式及機理，對我國山區高等級公路陡坡高路堤修建具有指導意義。

1 陡坡高路堤分類

《公路路基設計規范》(JTG D30—2004)［2］將陡坡高路堤定義為:原地面斜坡坡率大于1∶5，填方坡腳到填方頂面高度不小于20 m(或路肩處填方高度不小于12 m)，存在基底失穩的可能，需要進行特殊設計的路堤。

對于陡坡高路堤，其破壞往往發生在填土以下原斜陡邊坡體內。原斜陡邊坡的滑動破壞，則取決于其邊坡坡體結構。為更系統、深入地研究陡坡高路堤的滑動破壞類型，本文首先對陡坡高路堤按其所處自然斜坡坡體結構，參照《公路工程地質勘察規范》(JTG C20—2011)進行分類，按基底分為完整巖體邊坡、破碎巖體邊坡、順坡向結構面發育巖體邊坡、土質邊坡及二元結構邊坡［3］。各類邊坡的破壞模式見表1。

2 陡坡高路堤滑動失穩類型

陡坡高路堤滑動失穩類型按滑面位置及形狀可分為7類，按滑動面自上而下依次為:填筑體內類均質體弧型滑動(Ⅰ);填筑體與原坡體交界面折線型滑動(Ⅱ);填筑體與覆蓋層整體弧型滑動(Ⅲ);第四紀覆蓋層中的折線型滑動(Ⅳ);基巖頂面折線型滑動(Ⅴ);填筑體、覆蓋層與基巖整體弧型滑動(Ⅵ);沿基巖內順坡向結構面滑動(Ⅶ)。各類陡坡高路堤的滑動失穩類型參見表1?？傮w來講，陡坡高路堤破壞模式可歸納為結構面控制與強度控制兩種類型。

2.1 填筑體內類均質體弧型滑動

填筑體內類均質體弧型滑動如圖1所示，其變形特征為:①先在坡頂附近出現平行線路貫通而較長的縱縫，并下錯;②在坡體中下部有隆起和鼓肚現象，并滲水潮濕;③在長期降雨或暴雨作用下，坡體會產生似溜塌如泥石流狀的滑動巖土，堆于坡腳及其以下。此類邊坡的滑坡規模，一般隨路堤邊坡的高度而異。填筑體內產生的弧型滑動，根本原因在于填筑體內土體抗剪強度不足。填筑體的填土類別、壓實度、水的作用等因素對土體強度均有影響，是修筑填土路堤需考慮的主要因素。

表1 陡坡高路堤各類邊坡的破壞模式

圖1 填筑體內類均質體弧型滑動(梅河高速公路

2.2 沿填筑體與原斜坡交界面折線型滑動

在陡坡高路堤失穩破壞模式中，路堤沿填筑體與原斜坡體交界面的滑動較為常見，如圖2所示。引起路堤沿填筑體與原坡體交界面失穩破壞的原因有很多，可大致分為內因和外因兩大類:內因包括交界面力學性質、交界面結構，外因包括水的作用等。

圖2 沿填筑體與原斜坡交界面折線型滑動(某一級公路路堤橫斷面)［4］

1)交界面

填筑體與原斜坡覆蓋層巖土在力學性質上(包括黏聚力、摩擦角、彈性模量等)存在明顯差異，這種差異造成其交界面成為坡體結構中較薄弱部位，進而發展成為滑坡變形的依附界面。對填筑體與原坡體交界面的處治措施，從根本上可以分為以下三步:①采用夯實、加筋等措施對原斜坡覆蓋層進行加固，避免發生沿覆蓋層的整體滑動;②采用挖臺階法將可能的滑動面上移至填土底部，避免交界面成為滑面;③采用夯實法、土工格柵、排水等措施提高路堤底部土體強度及其穩定性。

2)水的作用

水對填筑體與原坡體交界面的影響主要是降低交界面強度，進而誘發路堤沿填筑體與原坡體交界面的失穩破壞。水的作用主要體現在:①地表水下滲進入交界面，使交界面巖土體含水率增大，強度降低;②路堤填筑改變坡體地下水徑流路徑，使基巖和第四紀覆蓋層中的地下水排泄受阻，向上承壓，降低交界面強度。

2.3 填筑體和覆蓋層整體弧型滑動

填筑體和覆蓋層整體弧型滑動如圖3所示，這種滑動常發生在覆蓋層內堆積成因的結構面不起控制作用且覆蓋層土體強度不高的地層中，原斜坡坡度常緩于1∶3?；瑒悠茐氖芴钪w、覆蓋層內巖土強度控制。

圖3 填筑體與覆蓋層整體弧型滑動(梅河高速公路K17+630路堤)

2.4 第四紀覆蓋層中的折線型滑動

第四紀覆蓋層中的折線型滑動，往往發生在覆蓋層內有明顯堆積層面的邊坡中，受不同堆積成因結構面控制。實踐證明，在坡、洪積交互成因的坡積層底、洪積層頂，在同一成因不同堆積層次的層間，在第四紀重力堆積體中老滑坡面、崩積體界面、坍塌體界面，若有地下水補給，易形成滑帶［5］。此類滑動在工程中出現較少。

2.5 沿基巖頂面折線型滑動

邊坡上部為坡殘積、坡崩積、坡洪積等堆積層，下部為基巖?；鶐r頂面向臨空面傾斜，路堤加載作用下，常引發路堤沿基巖頂面的整體滑動破壞，如圖4所示。與路堤沿填筑體與原坡體交界面的滑動破壞模式相似，引發路堤沿基巖頂面滑動的原因可大致分為內因和外因兩大類:內因為交界面力學性狀與結構，外因包括水的作用等。

圖4 路堤沿基巖頂面折線型滑動(重慶江津長江公路大橋南引道K7+840—K7+993路堤斷面)

交界面的力學性狀主要由覆蓋層與基巖在巖土力學性質上(包括黏聚力、摩擦角、彈性模量等)的差異所致。交界面強度一般低于覆蓋層內巖土體的強度，在路堤加載作用下，基巖頂面易成為滑動面。同時基巖頂面的傾角對滑坡的發生也有重要影響，基巖頂面傾角增大，不穩定巖體下滑力也隨之增大，路堤穩定性降低。水在此類滑坡中的作用體現在:①基巖較為完整時，路堤填方加載會壓縮覆蓋層，在覆蓋層內形成承壓水;②在基巖較為破碎時，路堤填方阻塞地下水排水通道，造成碎裂基巖內形成承壓水。覆蓋層或碎裂基巖內的承壓水均能使交界面強度浸水軟化，增大路堤滑坡失穩的可能性。

2.6 填筑體、覆蓋層與基巖整體弧型滑動

填筑體、覆蓋層與基巖整體弧型滑動，受填筑體、覆蓋層與基巖的巖土強度控制，其滑動面不通過基巖內原有或明顯的軟弱面(或根本不存在軟弱面)，可以認定是與滑體滑動同時產生的新剪切面。此類滑坡一般發生在基巖表層巖體風化嚴重，極為松散破碎，呈現類均質特性，且基巖頂面的后部一般為陡坡，中前部為緩坡，土體含水率大。與路堤沿基巖內順坡向結構面滑動相比較，此類滑坡的規模相對較小，在工程中也較為少見。

2.7 沿基巖內順坡向結構面的滑動

路堤沿基巖內順坡向結構面滑動，按結構面成因可分為層面滑坡與構造面滑坡。層面滑坡的結構面包括:①沉積巖及其變質巖中的層面、片理面，下伏老地層間的整合面;②各期噴出巖之間，及其與下伏老地層之間的接觸面。構造面滑坡的結構面包括:①巖體內因構造應力作用產生的節理面、斷層面;②巖漿巖侵入與圍巖間的接觸面;③巖漿巖中的原生節理面。

在陡坡高路堤沿基巖內順坡向結構面滑動的影響因素中，地表水的直接滲入對滑帶的供水是次要的。路堤填方阻塞坡體基巖內地下水的排水通道，造成地下水向軟弱結構面供水，是誘發基巖內順坡向結構面滑動的主要因素。

3 工程實例分析——水麻高速公路某段路堤邊坡

3.1 工程概況

某滑坡區所處屬構造剝蝕高中山河谷地貌。原自然斜坡坡度20°～40°，表層為第四紀殘坡積層(厚約4 m)，基巖為灰色泥灰巖(S2l2)，呈中厚層～厚層狀，局部呈薄層狀，巖石以弱風化為主，巖層傾向140°～160°，與坡向相同;傾角 21°～31°，與自然斜坡角基本一致，總體上陡下緩。巖體結構面發育，較破碎。

3.2 滑動前防護措施

該段線路以陡坡高路堤形式通過，支擋結構為錨索樁板墻，抗滑樁共33根，樁上設錨，樁間為擋土板。樁頂至路基右側設置一級邊坡，坡比1∶1.5，邊坡高8 m，設計填方高 5.68～16.64 m?？够瑯堵裆罴s7.4 m，嵌入弱風化基巖約3.2 m，橫斷面見圖5。

圖5 典型斷面設計(滑動前)

3.3 破壞過程

預應力錨索抗滑樁板墻于2005年12月底施工完畢，滑動時填土與樁頂高程一致，距路基設計標高差8.0 m。2006年5月20日至6月20日觀測發現樁有輕微變形，位移最大達8 cm，6月下旬連續降雨后，變形加劇;由于受7月22日鹽津縣豆沙鎮5.1級地震和連續強暴雨的影響，邊坡變形持續增大;2006年11月23日凌晨，該段邊坡30 m范圍樁發生嚴重破壞，其中5根傾倒折斷，兩側樁也發生嚴重變形。

3.4 破壞原因分析

3.4.1 陡坡高路堤分類

經現場調查及分析，該陡坡高路堤原自然斜坡為層狀邊坡，該路堤基底為順坡向結構面發育巖體邊坡，結構面為巖層面。

3.4.2 滑動失穩類型

變形跡象表明213國道右側坡腳為剪出口，滑動方向為168°，滑動范圍為 K0+125—K0+215段，寬90.0 m，面積約7 000 m2，推測其厚度為5～19 m，此時213國道坡腳擋墻已發生整體破壞。該滑坡破壞模式為路堤沿基巖頂面折線型滑動。

3.4.3 破壞機理分析

該路段原自然斜坡為順層邊坡，巖層傾向與坡向一致，存在軟弱結構面。病害發生的主要原因為:

1)抗滑樁前堆積層土體處于極限平衡狀態，無法提供被動土壓力，設計中計算樁前土體抗力時不應考慮該堆積層。也就是說，抗滑樁埋深雖有7.4 m，但減去堆積層厚度，樁體進入基巖深度不夠(僅3.2 m)，造成墻體側向承載力不夠，樁體外移。

2)設計中無截斷基巖頂面流動地下水的措施，無法確保堆積層的滑動穩定性與錨索樁的錨固力。

3)降雨的誘發作用。雨季時由于地表水長期下滲，軟化了下部巖土體，導致基巖頂面抗剪強度降低，且大量地表水下滲增加了動水壓力，抗滑樁嵌入巖體較淺，提供的抗滑力不足，當邊坡的下滑力大于錨索樁提供的抗滑力時路堤整體沿基巖頂面滑動。

4 陡坡高路堤修建應遵循的原則

由以上分析，陡坡高路堤設計應遵循以下原則:

1)區分基巖內軟弱面、基巖頂面及堆積層中不同成因的界面，并由下至上逐層驗算上述7類滑動的穩定性。若穩定性不滿足要求，應采取工程加固措施。

2)重視地下排水系統，確保路堤基底的排水通暢，在基底面有滲水、泉水出露處宜采用引水盲溝將水排出;在地面平緩或水洼處設計垂直線路的盲溝(一般寬2 m，間隔10～15 m)，并注意疏排基巖內的承壓水，避免地下水進入路堤填筑體內。

3)加強地表排水系統，防止地表水滲入路堤填筑體造成病害。

5 結語

1)依據陡坡高路堤特點，將其按基底斜坡坡體結構分為完整巖體邊坡、破碎巖體邊坡、順坡向結構面發育巖體邊坡、土質邊坡及二元結構巖體邊坡5類，并分別對各類陡坡高路堤邊坡的特點及可能破壞類型進行了闡述。

2)對陡坡高路堤可能發生的破壞模式，按滑面自上而下分為7類:填筑體內類均質體弧型滑動;路堤沿填筑體與原坡體交界面折線型滑動;填筑體和覆蓋層整體弧型滑動;第四紀覆蓋層中的折線型滑動;沿基巖頂面折線型滑動;填筑體、覆蓋層與基巖整體弧型滑動;沿基巖內順坡向結構面的滑動。對各類破壞模式進行了分析，并重點討論了水在邊坡失穩過程中的作用。

3)對云南某高速公路典型陡坡高路堤工點的病害原因進行了分析，提出在采用陡坡高路堤方案時，設計與施工應遵循的原則。

［1］王志斌．巖質斜坡地基上填方路堤穩定性研究［D］．長沙:中南大學，2007．

［2］中華人民共和國交通部．JTG D30—2004 公路路基設計規范［S］．北京:人民交通出版社，2004．

［3］中華人民共和國交通運輸部．JTG C20—2011 公路工程地質勘察規范［S］．北京:人民交通出版社，2011．

［4］李漢江，劉勇，聶愛球．匯水陡坡路堤滑動機理分析及處理意見［J］．山西建筑，2009，35(29):244-245．

［5］徐邦棟．滑坡分析與防治［M］．北京:中國鐵道出版社，2001．