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梅龙高速路基边坡塌方分析 (4)---边坡支护的演化以及残积土的工程特性

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1. 引言

岩土工程最具挑战性的任务之一就是确定岩土体的物理力学参数值,建筑物由于范围小,地层划分和岩土力学参数的确定相对恒定,但线路由于穿越的范围大,特别在山区,地层和土的物理力学参数值变化很大,这给岩土工程勘察带来了巨大挑战,因为线路的岩土工程勘察钻孔布置间距较大,如果不作仔细的调查和研究,布置钻孔时或许正好错过了那段特殊地层,从而为日后的工程质量埋下了隐患。

由于没有事故发生地段的岩土工程勘察报告,因此本文笼统地调查了该地区最有可能出现的地层---残积土的物理力学特性。

2. 工程地质概述

事故地区的山体一部分基本呈风化状态,表层土厚度为10m~50m,结构松散;另一部分岩石节理和裂隙发育,脆性并且在全饱和后变软和膨胀,表面厚度为 5m~10m,因此该地区发生的地质灾害较多,如崩塌、滑坡、泥石流、地裂、塌陷等。2023年4月1日,受持续强降雨影响,S12梅龙高速(梅大段)往大埔方向K55+690-K55+910处曾经发生过滑坡事故,虽无人员伤亡。但造成该路段双向交通中断,一个月之后才恢复了交

发生事故的路段在未修建高速公路之前是一个山坡,如下图所示,图中画的那根线是事故发生的剖面线,参考之前的文章。整个边坡基本上保持在一个坡度,边坡角大约为11°。

3. 残积土的工程特性

残积土(residual soil)是基岩风化后就地形成的土,通常存在于非饱和条件下,它具有不同于冲积沉积或冰川沉积等迁移土的独特的工程特性,其特点通常是粘土含量高和渗透性低,会影响其在工程应用中的行为和性能,主要是抗剪强度(Shear strength)和压缩性(Compressibility)。了解残积土的工程特性对于岩土工程、土木工程和环境工程等一系列工程应用非常重要。
残积土的抗剪强度和压缩性是重要的工程特性,受多种因素的影响,会影响其在地基、路堤和边坡等工程应用中的性能,它们受土的粒径分布、矿物成分、结构和构造、密度和孔隙度以及含水量等因素的影响。
(1) 颗粒尺寸分布(Particle size distribution):残积土的粒径范围很广,从粘土到砂土和砾石都有,细粒和粗粒的范围分别为 13.0-66.5% 和 32.6-84.8%。粒径分布会影响土的渗透性、压缩性和强度。
(2) 矿物成分(Mineral composition):残积土的矿物成分会因基岩类型和风化过程的不同而变化。残积土中常见的矿物包括石英、长石、云母和氧化铁。矿物成分会影响土的工程特性,如塑性、压缩性和剪切强度。
(3) 结构和构造(Structure and fabric):残积土通常具有发达的结构和构造,这会影响其工程行为。残积土的结构和构造可能包括层理、节理和裂隙等特征,这些特征会影响土的渗透性、压缩性和抗剪强度。
(4) 密度和孔隙度(Density and porosity):残积土的密度和孔隙度有大有小,具体取决于风化程度和母岩,数值为2.64~2.77。残积土的密度和孔隙度会影响其渗透性、压缩性和剪切强度。
(5) 含水量(Moisture content):残积土的含水量会因气候和当地条件的不同而变化,范围为 7.2~25.9%。含水量会影响土的强度、压缩性和渗透性。液限范围为 24.0~61.1%,塑限范围为 19.2~26.2%。塑性指数是液限和塑限之差,范围为 4.35-38.90%。
(6) 压实(Compaction):最大干密度和最优含水量分别为 1.48-2.07 g/cm³ 和 11.3-30.3%。
(7) 承载比(CBR):土浸泡后的 CBR 结果介于 3% 与 44% 之间。

由于残积土的独特性质,使用残积土进行施工会面临一些挑战:

(1) 土性质的变化:即使在一个小区域内残积土的特性也可能会有很大差异,这种变化会使土在荷载作用下的行为难以预测,从而导致结构的潜在不稳定性。
(2) 存在膨胀土:某些类型的残积土,如膨胀土会带来特殊的挑战,这些土会随着含水量的变化而发生显著的体积变化,导致地面移动,从而损坏结构。

4. 边坡支护的演化

(1) 2013年,该段的高速公路开始动工,从图中可以看出,山体从标高135m处开始开挖。

(2) 从2017.02的图像可以看出,事故路段作了边坡支护。

(3) 2018年的状态与(2)的状态相比没有发生显著变化。 

(4) 2019年的状态似乎也没有发生变化。

(5) 对比2019年的状态,可以发现2021年11月的边坡在上部加了支护,说明当时已经发现了问题并且开始着手解决。

(6) 一个显著的变化发生在2022年的某个时间,确切的时间节点不知道,这个图像来自百度地图,可以发现边坡支护作了较大改动,似乎是作了喷射混凝土处理。

(7) 2024年5月1日该路段发生了塌方。

5. 集思广益的讨论

大家必须意识到,如同之前的重大事故案例分析一样,我们的讨论既不是追求真相,也不是官方指定的调查研究,更不是严格意义上的学术论文,而是普遍意义上的工程技术讨论,观点没有对错之分。通过这些案例研究,至少能够让大家在今后的勘察、设计和施工中引以为戒。

(1) 塌方这个位置没修路之前应该是个天然山沟吧?如果上面的水流下来没办法及时排走,如果水沟有裂缝就会渗透到土里。

(2) 就结束语中那张图:1·路面积水沿中分绿化带集中垂直下渗,2·原坡体本身就是个顺坡向的外倾风化结构面,3.地表积水集中垂直下渗至风化结构面无法下渗(应是风化基岩不透水),只能沿外倾风化面渗流,形成沿风化面的饱和水软化带,4·持续时间的降雨,导致了路面下填土+风化土层在一个短促的时间快速沿风化面的饱和水软化带下滑。

(3) 没见过中分带低于路面?高速公路和一般国道省道都有,只是没有造成大的人员伤亡而已。

(4) 不在山沟而有鱼塘,多半有泉水,中分带比路面高,难道仅仅中分带自己范围那点降水下渗?

(5) 照片看都是中分带高于路面的,高速公路没见过中分带低于路面的。

(6) 就是因为这段中分绿化带低于路面(重点提示:低于高速路面,水集中在此段下渗了),此段路面降雨积水集中下渗,这个是此次滑坡意外发生的关键,现滑坡体范围内未见地下水渗出点照片,本次滑坡与鱼塘的地下水关联?

(7) 山区沟谷鱼塘多为地表水汇聚(鱼塘下部多有腐植土层隔水且生长水草),即便是下降泉也很难确认与本次滑坡有关系。中分带渗水导致其向下滑坡,中分带之上坡面无地下水集中下渗,故上段坡体无地灾迹象,何来更易塌方?后缘陡坎相对干燥是因为无地表水下渗后,水分挥发干燥。目前未见滑坡体渗流。

(8) 相对湿度不大,才更说明不是正上方下渗,而是有内渗。

(9) 没现场调查地下水点涌出能公开提供出来?网上仅能搜到一张未经证实的涌出点图片。西侧是比这位置更高的边坡,如果中分带渗水那里更容易塌方,因为建设工艺是接近的。正下方有鱼塘,说明有泉水水源。没其他资料,建议仔细核对下地形、影像、现场图片再综合分析。

(10) 道路与坡体间的排水沟无地表水下渗, 西侧更高边坡?不知道何意?这个道路坡上的坡面雨水未汇入本段滑坡,沿截水沟导入两侧沟谷了。

(11) 就因为大部分路段中分带高于路面才确保了道路的安全,故此次路面积水渗入中分绿化带是个意外才触发了此次滑坡,正下方鱼塘?滑坡下方的积水如何能影响半坡上的道路?裂隙水涌出?如何解释滑坡发生后缘无地下水持续流出?如何解释滑坡后缘沿中分带陡立面?并相对湿度不大?

(12) 不认同中分带(中分带一般高于路面)下渗水及排水沟下渗水,这个原因无法解释与西侧更高边坡的对比。从正下方三十来米位置有两个小鱼塘(工程建设前),塌方位置不在山沟位集水面积较小两个原因看,雨季有裂隙水(山泉水)涌出的可能性大。

(13) “破坏起始位置不是位于山体,而是位于公路的中分线,即隔离带。"这一结论与实际不符,到达隔离带位置是滑移牵引的结果。这个滑坡在滑前应是有征兆的,否则不会进行至少二次整治(建设时的防护处置和2022年左右的处置,未用治理是因为不清楚工程目的),可惜由于对地质的复杂性认识可能存在不到位的情况,结果成了“防不胜防”,本是个小滑坡(启动区体积应该不大于10万方),却因发生在半夜,无法提前预见而酿成大灾难。

(14) 小型滑坡,太大危害。根据滑带土的图片,感觉半挖半填,高填路基压实度可能不够,另外排水不畅,导致水沿着原状土与路基土交界面渗流,在水润滑作用下形成了软弱的滑动面,在多雨季节水和车辆动荷载的扰动下失稳,发生小型牵引式滑坡。

(15) 一句话,水是路基病害的第一要因!路面动荷载是突发性路基病害的诱因。为消除路基病害的隐患,保证设计、施工质量也是一定要做到的,在坡面上采用填土路基的形式,如果做好了原坡面清除表层腐植土、沿路基轴向顺坡面分级挖水平台阶、合格的填料分层压实,在可能产生的滑动土体上方的采取有效的截水、排水措施,则能很大程度降低路基病害发生的风险。当然,在做好以上措施基础上,能在路基的坡体中分级设置重力式挡土墙,坡面上设永久性护坡那就一定更好!

(16) 结合蹋方面看,路基严重失稳,出现滑劣面,边坡填筑是否做成内倒角台阶不大足一米,分层辗轧实,每层压实不大于30Cm。况且无级结合料,压实板体效果具有一定承载力!

(17) 现在施工单位在土路基填筑过程中都是大厚度填筑,不能完全压实压透,而检测压实度表面压实度又够,弯沉检测也不仔细,所以后患无穷!

(18) 也不能所有问题都推给地质吧,如果地质问题,也不会单纯的从挖填结合处为后缘,地质问题有可能后缘还要往后。

(19) 边坡设计有缺陷,加上路基基层处理方案可能考虑的太简单,从图片外观看那个土质材料都是易流失的沙土。边坡坍塌肯定是坡脚失稳。

来源:计算岩土力学
ACT建筑岩土材料
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2024-05-19
最近编辑:6月前
计算岩土力学
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梅龙高速路基边坡塌方分析 (8)---成灾机理分析及教训 (一位岩土工程师的自白)

本文是一位实践的岩土工程师给《计算岩土力学》公 众号的来稿,愿与大家分享他对这次事件的个人分析,对场地一些明显不正确的描述已经改正或删除,其余部分保留了作者的原话。0. 引言加强成灾机理研究,举一反三,亡羊补牢,犹为未晚。梅大高速的一个小滑坡,但发生的地点和时间的不利迭加,却造成了严重的危害,做为全国岩土工程界的一员,笔者深感痛心,但是更主要的是要深入的分析研究其发生的机理(原因),举一反三,找出全国类似的隐患点,提前强化治理,杜绝类似事件的发生,这是全国岩土工程界应深入探讨的课题,笔者虽经犹豫,但是还是觉得应尽一个科技工作者的责任,谈一下初浅看法,愿抛砖引玉,不正之处,敬请谅解。1. 滑坡前的地貌形态分析从卫星图像可知,滑坡区原是一处很小的冲沟区,修建高速时采取人工回填措施,见图 1 和图 2。查得滑坡 A 点高程 114m 左右,滑坡 B 点高程 102m左右,重力基准面C 点高程 58m左右(注:标高有几米的误差,实际地形比这高)。 2. 填土区工程治理措施推断 左侧未滑区。正常这种高陡的填方段应采取钢筋混凝土面层+钢筋混凝土连续梁+预应力锚索进行联合防护,且锚索一定要深入后方的强风化岩或中风岩层中才稳固。 从图 4 有坡面流土分析,采用的混凝土面层,由于中间有 (原岩的) 山梁存在,钢筋混凝土连续梁未延伸到滑坡区。从图 5 看,滑坡区采用的钢筋混凝土面墙+顶部一层钢筋混凝土连续梁治理方案。如果不是钢筋混凝土面墙,应是重力式毛石挡墙,但这种可能性不大。 3. 场地工程地质条件推断从图 6 看,滑坡区主体工程地质岩体应是全风化(花岗)岩,但从消防人员及汽车上方有断续的影像看,其下方应是强风化(花岗)岩的顶面。 4. 成灾机理分析4.1 墙前被动土压力失效模式从图 5 看墙前施工后堆积了很多填土,不要说是填土,由于挡土墙处于山坡上,就连地基本身的全风化岩由于其因风化作用失去了岩石固有的连结力,在降水(冲沟汇水)形成的坡面流水作用下,很易被水冲蚀掉了,墙前因失去地基土的支撑而被动土压力丧失,导不致墙体向前位移,墙后的土压力减小到主动土压力时达到极限平衡,土体被水平应力拉裂,就发生了滑坡,与道路的车辆荷载无关,就是说没车也会发生滑坡。车辆荷载最多是一个触发因素,不起决定性作用。可以肯定的是挡土墙基础仅坐落于全风化岩层中,如果位于强风化岩层一定深度不会发生滑坡的,或者多几道预应力锚索(锚头进入后方强风化或中风化基岩一定深度),就不会发生这种破坏模式的滑坡了。 4.2 整体滑移式模式 由于全风化岩整体结构的破坏,其工程地质性状往往呈疏松多孔的团粒状(手搓成砂土状),这种结构的岩土体是很宜渗水的,当降水沿全风化岩体垂直向下渗透到强风化岩顶面时,由于强风化岩呈致密状,水流不能继续下渗,转向沿全风化岩和强风化岩接触面顺坡向向下渗透,当降水足够多和足够长时间,在全风化岩和强风化岩接触面上部形成有一定厚度的的连续地下水渗流时,全风化岩体会被迅速软化,抗剪强度急剧降低,且坡面地形和全风化岩和强风化岩接触面陡竣,其上部土体的重力沿坡面的下滑分力很大,从而导致全风化岩体浸水软化带上部的全风化岩体及路基填土沿全风化岩体浸水软化带发生整体滑动,滑坡就这样形成了。笔者 2023 年宝成铁路滑坡勘察时在多处探坑中均见到了这种滑坡。 也可以肯定的是挡土墙基础仅坐落于全风化岩层中,如果采用抗滑桩,基础进入强风化岩或中风化一定深度,就不会发生滑坡的,或者多几道预应力锚索(锚头进入后方强风化或中风化基岩一定深度),就不会发生这种破坏模式的滑坡了。4.3 联合作用 本次滑坡可以是墙前被动土压力失效模式和整体滑移式模式任何中模式单独形成,也可以是这两种模式同时发生作用共同导致的。 5. 教训(1) 虽然全风化岩石体在无水的天然状态下强度很高,能满足地基承载力的要求,但是由于其因风化作用失去了岩石固有的连结力,其工程地质性状变成疏松多孔的团粒状,很宜渗水且渗水后抗剪强急剧降低,故其不适宜单独做为坡面支挡结构的浅基础持力层,很宜产生墙前被动土压力和整体滑移从而产生滑坡地质灾害。 (2) 今后的工程地质教学、科研和生产实践中应重视对全风化岩岩体的工程地质研究。 (3) 建议在全国范围内的公路、铁路和工业与民用建筑周围摸排还多少边坡上支挡结构的基础仅坐落于全风化岩上以及预应力锚索锚头仅锚在全风化岩体中的滑坡隐患体,应及时进行整改,防患于未然比什么都重要。 6. 结语 (1) 本文仅是根据图片和自已的工作经验做出的几点推断,未必正确和与现场的支挡结构相符,仅供同仁们参考。 (2) 本文无意谈及任何一方责任(这也是自已犹豫的原因),只是说明我国岩土工程界关于全风化岩体能带工程地质灾害的认识不足和边坡工程地质灾害防治水平还有待整体提高,相应的勘察和设计规范还应提高标准。真是应验了上学时老师的一段话:“工程地质的进步往往建立带血的事故教训上”。 最后一句话:都是重力和降水惹的祸! 来源:计算岩土力学

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