周 剛

(核工業(yè)西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610031)

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·巖土工程·地基基礎(chǔ)·

某公路滑坡滑動(dòng)機(jī)制及加固設(shè)計(jì)方案研究

周 剛

(核工業(yè)西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610031)

以西南地區(qū)某公路滑坡為例，采用離散元方法研究得出了其滑動(dòng)機(jī)制具有典型的滑移—拉裂—剪斷“三段式”機(jī)制特征，利用傳遞系數(shù)法進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性計(jì)算，從而設(shè)計(jì)出抗滑樁方案和抗滑樁+前緣棄渣填筑方案，最后經(jīng)過各方面的比較，得出了抗滑樁+前緣棄渣填筑為本滑坡治理的最優(yōu)方案。

滑坡，滑動(dòng)機(jī)制，離散元方法，傳遞系數(shù)法

0 引言

我國是世界上滑坡災(zāi)害最為嚴(yán)重的國家之一，嚴(yán)重的滑坡災(zāi)害不但給當(dāng)?shù)鼐用駧砩拓?cái)產(chǎn)的巨大威脅，而且對公路、鐵路等交通設(shè)施的安全運(yùn)營造成嚴(yán)重影響[1-5]。對滑坡進(jìn)行有效治理的前提是對滑坡的滑動(dòng)機(jī)制和穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行合理地分析。

滑坡的穩(wěn)定性狀態(tài)分析方法有很多種，大致可分為定性方法和定量方法兩大類[6]。定性方法通常包括工程類比法、專家系統(tǒng)分析法、諾模圖法、赤平極射投影圖法等；定量方法通常包括極限平衡法、數(shù)值分析方法等等，其中數(shù)值分析方法通常包括有限元法、離散元法、邊界元法等，這種方法對于大型的、復(fù)雜地形地質(zhì)條件下的滑坡穩(wěn)定性分析十分有效。

1 工程概況

西南地區(qū)某公路Kxx+928～Kxx+065段經(jīng)地質(zhì)勘察認(rèn)為坐落于一厚層、多期、多級序的大型古滑坡體之上，如圖1所示。該滑坡主軸走向N25°E，與線路基本正交，滑坡長度約220 m，寬度約100 m～200 m，總厚度為10 m～23 m，總體積約48萬m3。該滑坡體分兩層，呈上部較陡、中下部較平緩的趨勢。上部滑體物質(zhì)以基巖巖塊為主，后緣順基巖面，為順層基巖滑坡；中下部滑體物質(zhì)以塊石土為主，為堆積層滑坡，前緣及下部左側(cè)靠近沖溝，略微向前鼓出。

地質(zhì)勘察結(jié)果認(rèn)為目前滑坡體上未見變形跡象，整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但穩(wěn)定程度不足，在后期人工活動(dòng)、降雨及其他因素作用下都有可能出現(xiàn)失穩(wěn)，因此需詳細(xì)研究治理。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 假定條件

為了研究該滑坡的滑動(dòng)機(jī)制，采用離散元軟件UDEC對滑坡的穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行了分析。計(jì)算模型采用如圖1所示的Kxx+970處滑坡主軸斷面，計(jì)算模型如圖2所示。

2.2 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算參數(shù)包括塊體參數(shù)和滑動(dòng)面參數(shù)。塊體的本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb理想塑性模型，塊體計(jì)算參數(shù)按地質(zhì)勘察建議的參數(shù)取值，部分參數(shù)取值參考了文獻(xiàn)[7]，[8]，如表1所示。

表1 塊體計(jì)算參數(shù)

潛在滑動(dòng)面的本構(gòu)模型采用有殘余強(qiáng)度的Coulomb滑動(dòng)模型，其強(qiáng)度參數(shù)按地質(zhì)勘察建議的參數(shù)取值，法向剛度kn和切向剛度ks按文獻(xiàn)[9]中的方法進(jìn)行計(jì)算，即:

潛在滑動(dòng)面的計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表2 潛在滑動(dòng)面計(jì)算參數(shù)

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算過程中僅考慮自重。模型的約束條件為：左右兩側(cè)邊界水平約束，底側(cè)豎向約束。

2.3.1 第一主應(yīng)力

計(jì)算得到的第一主應(yīng)力σ1分布如圖3所示。

2.3.2 第三主應(yīng)力

計(jì)算得到的第三主應(yīng)力σ3分布如圖4所示。

從圖3和圖4可以看出，整個(gè)區(qū)域的σ1和σ3均以壓應(yīng)力為主。最大壓應(yīng)力位于模型右側(cè)底部，最大值約為2.4 MPa。上部滑體和下部滑體中的壓應(yīng)力均較低，均在1.0 MPa以下。在上部滑體頂部出現(xiàn)較多區(qū)域的σ3值小于0，說明此區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了拉應(yīng)力。

2.3.3 塑性區(qū)

計(jì)算得到的塑性區(qū)分布如圖5所示。

從圖5可以看出，計(jì)算穩(wěn)定后整個(gè)區(qū)域的塑性區(qū)主要集中在上部滑體頂部受拉區(qū)，以拉屈服為主。

2.3.4 滑動(dòng)機(jī)制

計(jì)算得到的潛在滑面滑移分布如圖6所示。

從圖6可以看出，下部滑體的整個(gè)潛在滑動(dòng)面及上部滑體的大部分潛在滑動(dòng)面都出現(xiàn)了滑移。根據(jù)離散元理論，潛在滑動(dòng)面產(chǎn)生滑移是由于其上的切向應(yīng)力超過了剪切強(qiáng)度所致。

根據(jù)上述力學(xué)分析，可將該滑坡的滑動(dòng)機(jī)制歸結(jié)為典型的滑移—拉裂—剪斷“三段式”機(jī)制：1)該邊坡形成過程中，由于整體的卸荷回彈，驅(qū)使邊坡通過坡腳的潛在滑動(dòng)面發(fā)生回彈、錯(cuò)動(dòng)，性質(zhì)出現(xiàn)劣化，并在坡頂形成拉張應(yīng)力區(qū)，出現(xiàn)后緣拉裂；2)潛在滑動(dòng)面性質(zhì)改造完成后，坡體在自重應(yīng)力的長期持續(xù)作用和驅(qū)動(dòng)下，沿潛在滑動(dòng)面發(fā)生持續(xù)的蠕滑變形，并導(dǎo)致坡體后緣拉裂的向下擴(kuò)展，從而形成前緣的蠕滑段和后緣的拉裂段；3)當(dāng)后緣拉裂加深到某一深度時(shí)，“鎖固段”的應(yīng)力積累將使這部分巖體進(jìn)入累進(jìn)性破壞階段，并最終剪斷鎖固段，發(fā)生突發(fā)的脆性破壞。

結(jié)合滑動(dòng)機(jī)制和力學(xué)分析結(jié)果表明，下部滑體的滑動(dòng)面全部出現(xiàn)了滑移，已進(jìn)入了剪斷的危險(xiǎn)階段，但由于底部潛在滑動(dòng)面十分平緩，故堆積體蠕滑速度極慢；而上部滑體滑動(dòng)面尚未完全貫通，目前存在部分“鎖固段”。

3 滑坡治理方案設(shè)計(jì)

3.1 滑坡穩(wěn)定性計(jì)算

采用GB 50330—2002建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范中規(guī)定的傳遞系數(shù)法進(jìn)行穩(wěn)定性分析，計(jì)算過程中利用表1的參數(shù)，計(jì)算得到的各潛在滑面的穩(wěn)定系數(shù)如表3所示。其中滑帶的參數(shù)取值為：重度γ=19 kN/m3，黏聚力C=15 kPa，內(nèi)摩擦角φ=12°。

表3 潛在滑動(dòng)面穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)傳遞系數(shù)法的計(jì)算結(jié)果，可以得到如下結(jié)論：

1)上部滑體穩(wěn)定性檢算，Kxx+928斷面處的穩(wěn)定系數(shù)為0.997 4，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需要采取加固處理。

2)下部滑體在上部滑體穩(wěn)定(加固穩(wěn)定后)的情況下，Kxx+928斷面和Kxx+970斷面的穩(wěn)定系數(shù)略大于1，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但不滿足規(guī)范對滑坡安全系數(shù)(1.15)要求。

3.2 設(shè)計(jì)方案及比選

設(shè)計(jì)考慮了兩種抗滑樁及抗滑樁+前緣棄渣填筑可行方案：

1)抗滑樁方案：上部滑體在Kxx+920～Kxx+962范圍內(nèi)設(shè)置抗滑樁加固，加固長度為42 m，布置8根抗滑樁，樁間距6 m；下部滑體在Kxx+920～Kxx+010范圍內(nèi)設(shè)置抗滑樁加固，加固長度為90 m，布置16根抗滑樁，樁間距6 m。

2)抗滑樁+前緣棄渣填筑方案：上部滑體仍設(shè)置抗滑樁加固，設(shè)置方式同抗滑樁方案；下部滑體采取前緣棄渣填筑，即利用附近隧道棄渣填筑在滑坡體前緣溝渠內(nèi)，對滑坡體坡腳形成反壓以提高下部滑體的穩(wěn)定性，填筑高度經(jīng)計(jì)算只需達(dá)到3.95 m即可保證滑坡的穩(wěn)定安全系數(shù)達(dá)到1.15，如圖7所示。

對比上述兩種方案，可以得到如下結(jié)論：

1)從治理效果來看，根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果兩種方案均可以達(dá)到穩(wěn)定滑坡體的目的。

2)從施工難度而言，抗滑樁方案遠(yuǎn)比抗滑樁+前緣棄渣填筑方案所需施工的抗滑樁多，這需要更多地?cái)_動(dòng)滑坡體，這對于滑坡體的穩(wěn)定性是不利的。此外，鉆孔樁施工難度較大，尤其是本工程中采用了較長的抗滑樁，從這一點(diǎn)看，抗滑樁方案遠(yuǎn)比抗滑樁+前緣棄渣填筑方案施工難度大。

3)從經(jīng)濟(jì)效果來看，抗滑樁造價(jià)采用鋼筋混凝土，造價(jià)很高，而棄渣填筑僅有很低的施工成本，而且節(jié)省了額外的棄渣處理費(fèi)用，因此抗滑樁+前緣棄渣填筑方案遠(yuǎn)比抗滑樁方案造價(jià)低。

4)從環(huán)保角度來看，抗滑樁+前緣棄渣填筑方案一定解決了附近隧道開挖形成的大量棄渣堆砌影響環(huán)境的問題，這對于保護(hù)環(huán)境是極為有利的。

綜合上述各種分析，顯然，采用抗滑樁+前緣棄渣填筑方案是最優(yōu)方案。

4 結(jié)語

通過對西南地區(qū)某公路Kxx+928～Kxx+065段滑坡體的分析，可得出以下結(jié)論：

1)采用數(shù)值方法結(jié)合傳統(tǒng)的傳遞系數(shù)法，可以有效地分析滑坡的滑動(dòng)機(jī)制，在此基礎(chǔ)上制定合理的加固治理措施。

2)本工程滑坡的滑動(dòng)具有典型的滑移—拉裂—剪斷“三段式”機(jī)制。其中下部滑體已進(jìn)入剪斷的危險(xiǎn)階段，但由于底部潛在滑動(dòng)面十分平緩，故堆積體蠕滑速度極慢；而上部滑體滑動(dòng)面尚未完全貫通，目前存在部分“鎖固段”。故對滑坡的治理是十分必要的。

3)綜合各種考慮，采用抗滑樁+前緣棄渣填筑方案因地制宜，既能減小施工難度和造價(jià)，又能保護(hù)環(huán)境，是最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

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Study on sliding mechanics and reinforcement design schemes for a road landslide

Zhou Gang

(Muclear Industry Southwest Surrey & Design Institure Co., Ltd, Chengdu 610031, China)

A road landslide in southwest region of our country is studied and a typical sliding mechanism with three stages of slip-pulling apart-cutting through is found by using the distinct element method. Then transfer coefficient method appointed is used to analyze the stability of the landslide and two design schemes of slide-resistant pile and slide-resistant pile with frontal zone filling with waste slags are proposed for controlling the road landslide. Finally, after comparison, the latter scheme of slide-resistant pile with frontal zone filling with waste slags is chosen for the best treatments for the landslide.

landslide, sliding mechanism, distinct element method, transfer coefficient method

1009-6825(2017)16-0063-03

2017-03-03

周 剛(1978- )，男，博士，高級工程師

P642.22

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