论文关键词:土木工程 滑坡 高速公路 灾害治理 有限元
论文摘要:向家山滑坡为高速公路路堑边坡的滑坡,在综合分析已有的工程勘探资料的基础上,对滑坡产生的原因进行了剖析。同时,将滑体与前期支挡工程视为桩土复合体,运用反分析方法和极限平衡法,评价了滑体的稳定状态。并根据高速公路滑坡的特点,制定了临时防治与永久根治的综合治理方案,经实施后,监测资料及有限元模拟结果表明效果很好,可为类似滑坡防治所借鉴。
1 前言
2 滑坡的工程地质条件
2.1 滑坡概貌
2.2 滑坡体的岩土组成
滑坡区的地层分布如图1所示,自上而下大致可分为三层:
(1)表层为第四系全新统崩坡积物(Qcol+dl4),岩性为砂岩、泥岩块石夹粉质粘土。
(2)中层为侏罗系下统珍珠冲组(J1z)的强风化粉砂岩、泥岩薄~中厚层状,泥质结构,局部夹薄~中厚层状长石石英砂岩,多呈夹层状分布。
(3)下层为侏罗系下统珍珠冲组的泥岩夹砂岩,岩石较完整,为弱风化带,具砂泥质构造,薄~中层状构造。
滑坡体主要由粉质粘土夹碎块石及强风化砂泥岩组成,属于土岩混合型滑坡,滑体范围内的岩体结构松散,含水量高,不稳定、易变形。通过土层及滑面分析,该滑坡为由浅层、中层及深层的组成的多层次的滑坡。滑体上各岩土体的物体力学指标试验测试值见表1。
3 滑坡产生原因分析及稳定性评价
3.1 滑坡的形成原因
首先,向家山滑坡表层为粉质粘土夹少量碎块石,透水性差,遇水易软化变形,具膨胀性;下部为破碎、风化的泥岩、泥质砂岩、页岩,网状裂隙发育,遇水软化,为滑坡形成提供了物质基础,而滑坡下伏基岩岩层面总体倾向为顺坡,为深层变形的形成提供了滑动结构面。其次,滑坡土体的透水性总体较差,地下水多沿泥岩顶面和强风化和中风化的界面一带径流,软化滑带物质,形成软弱泥化面(带),为滑坡的形成提供了滑动介质。第三,斜坡中部的裂缝发育为地表水的入渗提供了通道,使滑体中含水量大大增加甚至达到饱和状态,岩体软化,滑体的抗剪强度进一步降低,滑体容重增大,从而诱发了边坡变形失稳,滑体顺坡向路堑滑移。最后,人类工程活动,特别是高速公路的施工,边坡开挖过陡,前缘临空,边坡应力失衡,终至产生滑坡。
3.2 滑坡稳定现状及评价
依据滑坡现状,按照相应的规范要求对滑坡体进行三种工况的分析评价。
工况(一):自重+地面荷载,取天然重度、天然抗剪试验值。
工况(二):自重+地面荷载+暴雨,取饱和重度和饱和抗剪试验值,因该滑坡曾经滑动过,采用饱和抗剪残余值。
工况(三):自重+地面荷载+暴雨+地震,取饱和重度和饱和抗剪、饱和抗剪残余值,并考虑地震力作用。
采用基于极限平衡理论的传递系数法进行滑坡的稳定性评价计算,得出稳定系数见表2。
4 滑坡治理
由于向家山滑坡发生在运营中的高速公路的区域内,所以滑坡治理考虑临时抢险与永久根治两个阶段进行。先按照抢险工程进行临时处置:在雨季临时封闭高速公路滑坡影响范围内的一幅路段;在坡体增设排水孔,用粘土夯实或者水泥桨封堵地表裂缝等应急措施;另外在滑体上布设监测系统,对滑体进行监测,及时反馈滑坡的动态信息,对出现的新情况进行及时处理。永久性治理方案则采用以下多种手段方案(图2)。
(3)地表及地下排水措施首先采用地表有组织排水措施,排出地表水尽量减少地表水入渗到地下,同时采用地下排水措施,在滑坡后部修建截水盲洞,以降低桩后地下水。
(4)坡面植草为防止坡面冲刷,阻止地表水入渗,对整个坡
[1]
面失缺植被的地方进行植草防护,对框架梁构内坡面采取夯填20 cm厚的粘土后,再在其表面采用客土植草。5 滑坡边坡治理后稳定性分析
经过治理后,按照上述同样的方法对浅层、中层滑坡进行了稳定性分析,计算结果见表3。从表中可以看出各个剖面浅层、中层滑坡在三种工况下,稳定系数均得到了提高,在原来的基础上增长了46%以上。可得出滑坡治理后滑坡能长期稳定的结论。
6 有限元分析成果
为了分析向家山滑坡稳定性,本文还采用2D-Sigma[5]对滑坡进行了分析,这里仅介绍有限元分析结果。
6.1 治理前有限元分析结果
有限元模拟得出治理前滑坡边坡情况如下: (1)滑坡体应力分布符合斜坡拉应力场普遍分布规律,表层主要为拉应力,内部为压应力,垂直方向上压应力值随深度的增加而同步递增,在坡脚处有明显的应力集中区;变形主要集中在边坡表层,尤其是浅层滑面剪应变最大。
(2)最大剪应力发生在坡角,为0.36 MPa,水平、竖直位移均未超过1 cm。可见在自然状态下浅层、中层及深层潜在滑面均处于稳定。
6.2 治理前后数值模拟分析
因为本地区地震烈度一般小于里氏7度,设计中一般不考虑地震影响,故只对工况二,即长期暴雨状态下的滑坡治理前后进行模拟分析。模拟滑坡治理的全过程,计算过程分两步进行:首先计算坡体在自重作用下的受力状态;然后削坡并进行抗滑桩及预应力框架施工,计算治理后的变形及应力状态。计算结果显示:
(1)对比治理前后应力场,斜坡的应力特征大部分相同,不同之处是;预应力锚索抗滑桩及预应力锚索框架施工后,应力集中程度有所变化,如坡角应力σ1从1.07 MPa降为1.03 MPa。
(2)变形主要发生在边坡表层,在竖直方向上,随着深度的增加逐渐减少,在深层潜在滑面以下位移基本在1 cm以内;其中水平位移基本在中层滑面与坡面相交处至第一排抗滑桩之间,最大位移发生在二级坡面上;垂直位移基本在坡角以上第三排抗滑桩以下部位,最大位移发生在第三排抗滑桩后裂缝密集区。治理后应变值变小,变形区域减少,水平、垂直位移基本趋于零,可见治理后边坡处于稳定状态,说明处治措施有效。
7 结语
通过对向家山高速公路滑坡的综合分析及有效治理后可得出以下结论:
(1)通过对勘探资料和物探资料分析,该滑坡由浅层、中层及潜在深层等多个滑坡体组成,属于大型土岩混合型滑坡。
(2)通过多因素综合分析,找到了造成该滑坡复活和公路建设前期治理失效的原因。向家山滑坡主要受地层、岩性、地质构造、地形地貌、坡体结构及气象与水文等条件多因素的影响,其形成是这些因素共同作用的结果。首先,滑坡地区的工程地质与水文地质条件是产生滑坡的主要内因;其次,公路建设前期不正确的施工是滑坡产生的主要外因;另外,在前期治理中对水的防治失效是导致滑坡复活的主要原因。
(3)考虑支挡工程和土体的共同作用,将其视为桩土复合体进行滑坡稳定性的反分析,结果表明这样处理是合理、正确的。
(4)在制定治理方案上,将应急与永久相结合,在滑坡灾害发生后未造成一起事故。在综合考虑了滑体的变形特征和工程地质条件的情况下,制定具体治理措施,并进行优化组合,治理措施实施后,浅、中层滑坡稳定系数比治理前分别提高了46%~76%,滑体趋向稳定,说明方案得当,措施有效。
(5)通过取典型断面对边坡过行数值模拟分析表明,加固后的边坡,可得出长期稳定的结论。
参考文献
[2] 云南航天质量无损检测站物探成果编写组.向家破滑坡物探成果报告[R].云南:云南航天质量无损检测站, 2004
[3] Christopher R.J. Kilburn, Alessandro Pasuto Major risk fromrapid, large-volume landslides in Europe[J]. Geomorphology,2003,54:3~9
[4] 魏作安,尹光志,张东明等.蔗头山北段滑坡灾害的动态综合治理[J].岩石力学与工程学报,2003,22(8):1367~1371
[5] 日本软脑株式会社.2D-Sigma用户手册,2001
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