龍劭一，龍曙東

(湖南省婁新高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南婁底 417000)

1 概述

邊坡穩(wěn)定分析是巖土力學(xué)中的一個十分重要的領(lǐng)域，計(jì)算分析方法主要以極限平衡法為主，隨著計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展，有限單元法逐漸應(yīng)用到邊坡的穩(wěn)定性分析中來。本文針對某高速公路沿線存在大量的粉質(zhì)粘土路基邊坡在雨季大量垮塌的情況，對降雨條件下的粉質(zhì)粘土邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析研究，通過研究弄清了邊坡在降雨條件下的變形發(fā)展及破壞過程，對粉質(zhì)粘土邊坡的設(shè)計(jì)防護(hù)具有一定的指導(dǎo)作用。

2 工程概況

邊坡所處線路區(qū)氣候處在中亞熱帶向北亞熱帶的過渡地帶，溫暖濕潤，也是北方冷空氣頻繁入境的“風(fēng)口”所在。因此冬季冷空氣長驅(qū)直入，春夏冷暖氣流交替頻繁，夏秋晴熱少雨，秋寒偏旱。多年平均氣溫 16.5℃ ～17℃，一月平均氣溫 3.8℃ ～4.7℃，七月平均氣溫29℃左右。年平均降水量1 200～1 302 mm。無霜期258～275 d。雨多集中于3～8月，約占全年降雨量的69%，年平均蒸發(fā)量1 238.1 mm，年平均氣溫 17.9 ℃，極端最高氣溫41℃，極端最低氣溫－11.8℃，年平均風(fēng)速1.9 m/s，最大風(fēng)速 25 m/s。

區(qū)內(nèi)河流屬于湘江水系，沿線支流密布，水庫、灌溉溝渠分布較廣，線路區(qū)受 氣候、地形地貌、地理?xiàng)l件和地質(zhì)構(gòu)造的影響，地表水較發(fā)育，大的地表水體主要為溝、渠、水塘、水庫等，其水位及流量隨季節(jié)變化，受雨水控制明顯，每年3～9月為雨季，水量較豐，水位較高，并夾帶大量泥砂;10月～次年2月為枯水季節(jié)，水量一般較小。水文地質(zhì)條件以地表徑流及孔隙、裂隙水為主，水量較小。

邊坡出露巖土體以種植土、粉質(zhì)粘土(Qp)為主。在切方后受降雨影響高速公路沿線許多地段發(fā)生了坡體失穩(wěn)，產(chǎn)生了滑坡，已影響到工程建設(shè)的進(jìn)度和質(zhì)量。

3 邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 邊坡概況

邊坡總體高度不大，最高處約11 m，邊坡均已開挖，坡體段按1∶1.25放坡，坡面出露巖土體為粉質(zhì)粘土，但受雨水影響，部分地段后發(fā)生了裂縫和垮塌。

3.2 數(shù)值分析計(jì)算模型

本次分析穩(wěn)定系數(shù)求解方法利用成熟的有限元計(jì)算軟件，采用有限元強(qiáng)度析減法進(jìn)行安全系數(shù)的求解，其分析方法是對強(qiáng)度參數(shù)tanφ和c不斷減小直到計(jì)算模型發(fā)生破壞。程序在開始計(jì)算時默認(rèn)折減系數(shù)為1.0，然后折減系數(shù)按設(shè)置的數(shù)值遞增至計(jì)算模型發(fā)生破壞，此時的折減系數(shù)值即為計(jì)算模型的安全系數(shù)值。有限元強(qiáng)度折減法不需要對滑動面形狀和位置做假定，也無需進(jìn)行條分，通過強(qiáng)度折減使邊坡達(dá)到不穩(wěn)定狀態(tài)，非線性有限元靜力計(jì)算將不收斂，此時的折減系數(shù)就是穩(wěn)定安全系數(shù)。

如圖1所示，在進(jìn)行數(shù)值分析時，對代表性斷面作適當(dāng)?shù)暮喕?/p>

圖1 坡高11 m開挖前斷面形式

計(jì)算參數(shù):根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的勘察資料以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合長沙地區(qū)的巖土體參數(shù)取值經(jīng)驗(yàn)，取工點(diǎn)各巖土體相關(guān)參數(shù)如表1。

表1 計(jì)算參數(shù)

對每類斷面進(jìn)行失穩(wěn)機(jī)理及穩(wěn)定性分析時，考慮降雨入滲對邊坡穩(wěn)定影響因素的作用，進(jìn)行如下3種工況的穩(wěn)定計(jì)算分析:①天然工程邊坡(工況1);②工程邊坡+邊坡坡面以下2 m范圍內(nèi)滲水飽和區(qū)(工況2);③工程邊坡+邊坡坡面以下4 m范圍內(nèi)滲水飽和區(qū)(工況3)。

3.3 計(jì)算情況及結(jié)果分析

邊坡網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 邊坡狀態(tài)網(wǎng)格劃分圖

3.3.1 天然開挖狀態(tài)

從圖3～圖5可以看出，天然狀態(tài)下，邊坡巖土體水平應(yīng)力與豎向應(yīng)力均隨巖土體的深的增加而增大，邊坡巖土體的剪應(yīng)力主要集中在邊坡的坡腳處，通過強(qiáng)度折減法對天然的開挖邊坡進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，分析得到此時邊坡的安全系系數(shù)為1.42。

3.3.2 工程邊坡+邊坡坡面以下2 m范圍內(nèi)滲水飽和區(qū)

坡面以下飽水2 m的邊坡總位移如圖6所示。

圖3 天然狀態(tài)下邊坡水平應(yīng)力特征

圖4 天然狀態(tài)下邊坡豎直應(yīng)力特征

圖5 天然狀態(tài)下邊坡剪應(yīng)力特征

圖6 飽水2 m狀態(tài)下邊坡剪應(yīng)力特征

從圖6可以看出，飽水2 m狀態(tài)下，邊坡巖土體的剪應(yīng)力主要集中在邊坡的坡腳處。

坡面以下飽水2 m的邊坡總位移如圖7所示。

從圖7可以看出，飽水2 m狀態(tài)下，邊坡巖土體的最大位移在邊坡的坡腳處。

通過強(qiáng)度折減對天然的開挖邊坡進(jìn)行計(jì)算得到，此時邊坡的安全系系數(shù)為1.1。此時邊坡已接近臨界破壞狀態(tài)，圖8為邊坡臨界破壞位移特征，圖9為邊坡臨界破壞塑性區(qū)特征。

圖7 飽水2 m狀態(tài)下邊坡總位移特征

圖9 飽水2 m狀態(tài)下邊坡臨界破壞塑性區(qū)特征

從圖8、圖9可以看出，坡高11 m，坡面下飽水2 m，邊坡達(dá)到了臨界破壞的條件，此時邊坡破壞主要是坡面淺層溜塌及滑塌。

3.3.3 工程邊坡+邊坡坡面以下4 m范圍內(nèi)滲水飽和區(qū)

通過計(jì)算，此時邊坡安全系數(shù)在1以下，邊坡已經(jīng)破壞，坡面以下飽水4 m的邊坡剪應(yīng)力如圖10所示。

圖10 飽水4 m狀態(tài)下邊坡剪應(yīng)力特征

從圖10可以看出，飽水4 m狀態(tài)下，邊坡巖土體的剪應(yīng)力主要集中在邊坡的坡腳處。

坡面以下飽水4 m的邊坡總位移如圖11所示。

從圖11可以看出，飽水4 m狀態(tài)下，邊坡巖土體的最大位移在邊坡的坡腳處。

從圖10～圖12可以看出，坡高11 m，坡面下飽水4 m，此時邊坡已破壞，邊坡破壞特征為坡體垮塌。

圖11 飽水4 m狀態(tài)下邊坡總位移特征

圖12 飽水4 m狀態(tài)下邊坡破壞塑性區(qū)特征

3.3.4 采用極限平衡法與有限元法計(jì)算穩(wěn)定性對比

從表2可以看出，本次分析中兩種計(jì)算方法所得到的安全系數(shù)有一定的差別，但基本上都反映出邊坡隨降雨入滲的增加安全系數(shù)逐漸降低的情況，具有較好的工程適用價值。

表2 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)

4 粉質(zhì)粘土邊坡的破壞機(jī)理分析

由于粉質(zhì)粘土的孔隙比及收縮性均較大，氣候干燥時，往往形成較發(fā)育的網(wǎng)狀裂紋，為水的下滲提供了條件，當(dāng)氣候濕熱交替，土的干縮濕脹反復(fù)循環(huán)，使邊坡上的裂紋不斷擴(kuò)張、延伸、下切，粗裂紋逐漸連通，形成較寬的裂縫，裂縫發(fā)育連通，開始在坡面形成表層破碎層。同時，粉質(zhì)粘土邊坡一般都分布在亞熱帶濕溫地區(qū)，水流的沖蝕作用對粘土的影響很強(qiáng)，在水流以及干縮濕脹循環(huán)影響下，粉質(zhì)粘土力學(xué)性質(zhì)變差，力學(xué)參數(shù)急劇下降，隨著邊坡上的破碎層不斷發(fā)展，邊坡慢慢開始局部坍塌，慢慢向上延伸而至整個路塹，最后形成滑坡。

5 結(jié)論

本文采用有限元強(qiáng)度折減法研究了粉質(zhì)粘土邊坡在降雨入滲條件下的穩(wěn)定性，其主要結(jié)論如下:

1)采用有限元強(qiáng)度折減法分析了粉質(zhì)粘土邊坡在降雨條件下變形發(fā)展及破壞的過程，分析表明，在雨量不大的情況下，邊坡破壞主要為淺層溜塌及滑塌，隨著降雨入滲量的增加，邊坡巖土體力學(xué)性質(zhì)逐漸變差，力學(xué)參數(shù)急劇下降，邊坡穩(wěn)定性降低直至垮塌。

2)采用有限元強(qiáng)度折減法與極限平衡法相比計(jì)算結(jié)果偏大，但二者的安全系數(shù)值也十分接近，說明用有限元分析粘土邊坡是一種較好的方法，具有很好的工程應(yīng)用價值。

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