高填方边坡稳定性影响因素分析

高填方边坡稳定性影响因素分析

1“t”型挡墙及现场实测与本研究所有关的水井位于四川省崇州市九龙沟。这是龙门山冲浪板岩带的预探井。井场场地有效使用面积按120m长×60m宽进行规划,见图1。由于井场场区原始地形为山腰缓坡,为保持场地平整,根据土方挖填平衡原理,需将高处土下填,填土取强风化碎石土或基岩,碾压密实。在对井场场地的平整过程中,为保证填方区坡体稳定性,在填方区前缘已经修筑“T”型挡墙。在后期施工过程中,处于填方区内的循环系统、重浆罐基础施工完成后,受复杂场地地质条件的影响,且填方区堆载量较大,井场场地内部及外围“T”型挡墙均出现拉张裂缝,变形迹象明显。同时“T”型挡墙外围弃土区及内部道路以上坡体均出现不同程度的变形迹象,且初步观测结果显示有持续发展趋势,具有很大危险性。2区域的基本特征2.1场区内部挖填界线为保证场地的平整性,前期对场地进行挖填平衡处理,共计挖方31613.3m3,填方5724.3m3,场区内部挖填界线见图2,可见填土区主要集中在井场各建筑物集中分布区域。在平衡场地过程中,场区外围修筑“T”型挡墙,靠近挡墙拐点处最大填方厚度达8m,同时在井场外围及“T”型挡墙外侧沿原始坡面堆载了大量的弃土,堆载厚度在2～4m,局部地段形成“倒梯”形,荷载集中程度相对较高,弃土区延伸至下游沟道内。2.2场所边坡物质组成特征根据勘探资料揭露,场区地层主要包括:素填土层(Q4ml)、第四系坡残积层(Q4dl+el)及下伏中生代三叠系的泥质砂岩层。(1)地层及成岩褐色,硬塑状,以粉质粘土为主,含少量植物根茎及有机质,并混合有孤石碎石等,主要是井场开挖回填堆积形成的,土质不均,厚度3.80m,最大厚度8.0m。(2)耕作土q4ml褐色,稍湿,松散。富含植物根茎及有机质,厚度0.40～0.50m。(3)碎块石类土qdl+el根据其主要组成物成分可划为两个亚层:1)混合土③1(Q4dl+el):褐色,湿-饱和状。该层为粉质粘土含碎石层,以粉质粘土为主,可塑,含约30%～45%的碎块石,碎块石棱角明显,一般粒径3～10cm;该层土质较松散,孔隙度大,浸水软化强烈,场地内广泛分布;一般厚度5.20～5.30m。2)混合土③2(Q4dl+el):灰色-褐灰色,松散-稍密,该层以孤石、碎(块)石夹粘性土为主,孤石、碎(块)石含量占50%～70%,碎(块)石粒径15～25cm,最大粒径≥200cm;粘性土以粉质粘土为主,可塑,含铁锰质氧化物,含量约20%～40%。该层密实度空间方向变化较大,土质粗颗粒极不均匀,局部为碎石、孤石堆积,该层厚度大于16.00m。(4)泥质及软质岩为海湖相沉积成因的褐灰色-棕红色泥质砂岩,泥质构造,层状结构,产状145°∠20°,岩质软-较软岩,具有失水开裂崩解和遇水软化的特征,层顶埋深22.80～23.30m。2.3散坡洪积层地下水根据勘探资料分析及现场地质调查,场地内地下水主要为松散坡洪积层上层滞水,赋存于第四系坡洪积层中,水量小,无统一水位,主要受大气降水及山体径流补给,通过地下径流排泄。水化学分析显示,该区地下水对砼及钢筋无腐蚀性。2.4井场变形遗迹分区根据变形迹象分布规律,并结合场地地形、建筑分布情况及其影响程度,可初步对出现变形迹象的区域进行分区,主要分为3块,即主影响区(A区)——填方区场地(包括已完成的“T”型挡墙)、次影响区(B区)——“T”型挡墙外围弃土填方区及次影响区(C区)——井场内部通放喷池道路以上坡体,具体见图3。2.4.1填土及基础变形该区整体受“T”型挡墙的约束而形成较为平整的场地,为井场主填方区,分布有循环系统及重浆罐等主要建筑物,填方区剖面上呈“倒圆锥”型,最大厚度约8m左右,荷载集中程度较高,见图4。受大面积填土及软弱地基的影响,A区出现大面积的地表及建筑物裂缝,变形表现强烈,且兼有拉张和滑动下错,具有很大程度的危险性,因此为填土主要影响区。具体表现为:(1)填方区填土及基础变形:主要集中在井场区西南部“T”型挡土墙内侧填土区,表现为填方区场地及循环系统基础出现明显拉裂缝,拉裂缝宽度在15～25cm,同时重浆罐基础也出现拉裂缝,且有明显下错(约20cm左右)。(2)“T”型挡土墙变形:挡墙主要表现为沿预留伸缩缝拉张沉降,拉张裂缝主要有两种表现形式,即上宽下窄及下宽上窄,分布范围在墙体距拐点30m区段。2.4.2填方区的变形该区位于“T”型挡土墙外侧,为井场主要弃土填方区,从纵向上来看,填土区大致以进场道路为界,道路高程以上主要呈面状沿坡面堆填,填方厚度较小,约2～3m,道路高程以下,填方区呈“倒梯”形堆载,厚度较大,约4～5m,见图5。B区变形迹象主要表现为前缘已修挡土墙的鼓胀开裂和倾覆破坏,修筑挡墙的条石在堆土后大部分倾倒或鼓胀裂开。另外,在弃土后缘坡面出现多条横张裂缝,说明后期弃土进行自身整体压密固结。2.4.3高约5m的临空面坡体该区位于井场内部通往放喷池道路高程之上,与B区同处于一个剖面上,见图5,由于前缘坡脚受道路开挖作用,形成高约5m的临空面,导致坡体发生应力重调整,坡体发生沿临空面的长大拉张裂缝,分布范围在距临空面15m的范围内,但整体上基本保持原始斜坡的形态,植被覆盖甚好,少见“醉汉林”或“马刀树”等迹象。根据坡体地形地貌及物质分布特征,结合进场道路开挖所造成的临空面情况,C区易沿混合土③1层发生浅层滑动,剪出口位于坡脚变坡点。3影响变量和形成机制分析3.1影响因素的变形因素(1)对混合土2生长的影响根据场区坡体物质组成特征,耕植土位于原始地表,性质差;混合土③1则具有土质较松散、孔隙度大、浸水软化强烈、厚度大等特征,尤其是遇水后强度几乎丧失;而混合土③2分布范围及厚度较大,且级配较好,强度较高,具有较好的力学强度指标,其发生滑动的可能性较低。因而,混合土③1软弱层是控制斜坡稳定性的重要因素之一,但也不能忽视表部耕植土,虽然厚度较薄,但仍可作为填方土体的软弱滑动(带)面。(2)填方滑动变形由于场区原始地形为一斜坡地带,尤其是“T”型挡墙拐角处,原始地形显示为一相对较陡的斜坡带,滑动势能相对较高。加之该处填方高度最大,估算填方高度在10～13m左右,在其自稳能力较差的情况下,自身即可发生剪切滑动变形,而下伏性质较差的耕植层和混合土③1,更为填方整体滑动提供了良好的附着面(滑动带)。以上两大方面是控制该井场变形的关键因素,是造成挡墙开裂变形的主要原因。当然,由于斜坡地带的填土厚度不一,密实程度难以很好控制,一定程度上还存在不均匀沉降影响。此外,降雨对边坡土体的软化作用也是降低其稳定性的因素。3.2变形起源机分析(1)填方坡体滑动根据上述影响因素分析,结合A区变形特点,分析认为该区变形主要受填方高度及下伏的耕植土及混合土③1软弱层的影响所致。具体来讲:1)由于填方高度较大,临空较陡,一定程度上其自稳能力较差,可能出现填方坡体内部滑动破坏(滑动面可产生在填方体内)。2)沿耕植土及混合土③1软弱层浅层滑动。不论是上述何种因素影响,填方坡体的滑动变形机理均为推移式,即坡体后缘变形明显,向前推挤。但目前调查显示,整个坡体前部并未表现出明显的由于推挤作用形成的鼓胀、开裂变形,同时前缘坡体上的树木保持竖直向上,并未发生斜歪变形,这均说明,目前条件下,高填方边坡并未发生整体深部滑动变形,发生整体变形的可能性较小。(2)牵引式滑动变形原理《植物》第5期B、C区同处一纵向剖面上,二者相互影响。B区属于井场弃土区,由于弃土多位于斜坡后部较高处,一定程度上加大了下滑势能,加上弃土直接堆放于原始的耕植层、混合土③1层之上,势必造成弃土有沿软弱带(面)滑动的趋势,其机理也为推移式的变形。由于B区的滑动变形,一定程度上牵引了后缘斜坡的滑动开裂,因此,C区实际上是受B区变形牵引所致,属牵引式滑动变形。后期由于放喷池道路开挖,致使C区前缘临空,其变形加剧。4边坡稳定性分析极限平衡法是规范推荐的滑坡稳定性分析计算方法,采用加拿大公司开发的GeoSlope系统软件中的SLOPE/W模块,进行稳定性分析计算。其中M-P法为边坡规范推荐的严格解法,因此,稳定性分析以M-P法计算结果为主。本次稳定性计算选取Ⅰ-Ⅰ′及Ⅱ-Ⅱ′两条剖面作为计算模型,分别考虑天然、暴雨、地震3种不同工况。计算参数取值以力学试验为基础,结合坡体的变形破坏特征进行反演分析,具体见表1。根据坡体变形机理及坡体物质组成结构特征,各区稳定性计算主要进行:①沿混合土③1层的浅层稳定性计算;②沿基覆界面的深层稳定性计算;③局部稳定性搜索计算。具体计算结果见表2。(1)a区的地下水开采量A区浅层以上坡体在暴雨工况下处于欠稳定状态——K=1.018,这与宏观判断相吻合,尤其是场地中出现的多条裂缝以及“T”型挡墙的开裂等。A区深层稳定性计算表明,暴雨工况下处于稳定状态。宏观地质调查表明,该区坡体前缘并未出现鼓胀裂缝,树木也未发生明显的歪斜变形,而后缘的裂缝也主要分布在填方区,挖方区的混合土未见裂缝出现(图6);局部稳定性搜索表明,挡墙高边坡坡体出现K=0.790低值区,这也说明挡墙的开裂主要受浅层坡体局部失稳影响,发生深层滑动的可能性很低。(2)不稳定区域内暴力作用B区浅层以上坡体在暴雨工况下处于基本稳定状态(下限),K=1.096,接近欠稳定状态,与宏观判断相吻合;BC区深层在暴雨工况下处于基本稳定状态,基本可排除BC区坡体发生深层滑动的可能性。局部稳定性计算结果表明,B区中部坡体出现K=1.062的可能局部失稳块体,从已有的变形迹象来看,可能发生失稳块体的前缘堡坎出现鼓胀等迹象,与坡体局部失稳有关(图7)。(3)深层稳定性计算图3C区浅层在暴雨工况下处于不稳定状态,接近极限平衡状态,较为合理,同时这与宏观判断相吻合——坡体上出现的长大拉张裂缝。深层稳定性计算按照与B区所处统一剖面进行计算(见BC区深层稳定性计算)。由于C区规模较小,浅层坡体处于不稳定状态,因而没有进行相关的局部稳定性搜索计算。5高填方高边坡积水型基本稳定性分析(1)根据勘察成果,原始场区地层主要为耕植土、混合土③1、混合土③2和泥质砂岩(基岩),另外就是后期高填方土体。其中,耕植土和混合土③1性质均较差,属软弱土层,是控制场区稳定性的关键。(2)井场高边坡稳定性控制因素主要有两个:一是混合土③1层和耕植层软弱层,性状较差,遇水软化,是上覆高填方土体的滑动依附面(软弱滑动带);二是填方高度较大,压密程度低,侧压力较高,自身有剪切滑动破坏趋势。(3)变形机理:A区高填方区和B区填方区均为推移式滑动变形;C区为牵引式滑动变形。(4)稳定性分析:从宏观上来讲,由于高边坡前缘地表调查并未见明显变形破裂或鼓胀变形现象,树木未发生斜歪变形,加之高填方坡体上变形裂缝基本是沿填、挖方边界展布,边界外的挖方区,虽然仍为混合土,但未表现出开裂变形,说明主要是填方坡体的滑动变形,沿深层混合土③2滑动的可能性很小。而根