嚴(yán) 捷

(廣東晶通公路工程建設(shè)集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510635)

邊坡分析的重點(diǎn)是獲得失穩(wěn)邊坡的正確破壞形式，并對(duì)其進(jìn)行合理的處治。起初，人們大都在實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用工程類比法進(jìn)行判定，分析和評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性。該方法對(duì)邊坡失穩(wěn)的判定精度較低，存在著局限性；其類比的條件因地而異，存在著主觀性。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究，邊坡穩(wěn)定性分析方法有極限平衡法和強(qiáng)度折減法等多種方法。隨著有限元數(shù)值方法在邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用，對(duì)強(qiáng)度折減法的研究也日益深入，許多學(xué)者們對(duì)其做了大量的研究。肖銳鏵[1-3]等人利用強(qiáng)度折減法，對(duì)非勻質(zhì)邊坡、多級(jí)邊坡進(jìn)行了分析，對(duì)非勻質(zhì)邊坡的不同土層結(jié)合情況進(jìn)行了強(qiáng)度折減，得到各級(jí)的滑動(dòng)面。薛雷[4]等人用兩層土層模型，通過(guò)改變上、下土層的粘聚比，發(fā)現(xiàn)不同粘聚比下整體折減和局部折減的適用性。楊光華[5]等人利用折減不同區(qū)域土體，得到局部土體的滑動(dòng)面。強(qiáng)度折減法具有計(jì)算方便和模型簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用[6-8]。

本研究擬利用強(qiáng)度折減法，對(duì)廣東省潮州至惠州高速公路中TJ8合同段K104+247～K104+396段的路塹高邊坡滑坡機(jī)理進(jìn)行分析，得到多層土體路塹邊坡的滑動(dòng)面和穩(wěn)定性系數(shù)。針對(duì)該地區(qū)邊坡的滑坡原因和類型，采用卸載結(jié)合錨桿加固的措施，對(duì)該邊坡進(jìn)行處治，為潮惠地區(qū)同類型邊坡的滑坡處理提供參考。

1 工程概況

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，公路線路區(qū)域內(nèi)地層以沉積巖和巖漿巖為主。沉積巖的巖性為頁(yè)巖、砂巖和泥巖；巖漿巖體的巖性為燕山早期花崗巖和零星分布的喜山期輝綠巖。根據(jù)設(shè)計(jì)圖、區(qū)域地質(zhì)資料及工程地質(zhì)調(diào)查成果，其中，有一條斷裂(F1船埔頭斷裂)相交于該標(biāo)段K109+500附近，角度近90°，但未發(fā)現(xiàn)地層被錯(cuò)動(dòng)移位現(xiàn)象，該斷裂屬非全新活動(dòng)斷裂，場(chǎng)地地殼較為穩(wěn)定。該滑坡區(qū)K104+247～K104+396段左側(cè)深挖路塹立面設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 深挖路塹立面設(shè)計(jì)(單位：m)Fig.1 Layout plans for the deep excavation of cut facades(unit:m)

該標(biāo)段區(qū)域?qū)贇埱鹋_(tái)地，道路的大部分區(qū)域主要通過(guò)坡麓地帶，地形起伏大，邊坡高度在40～182 m左右，坡度20°～45°，從上至下土層可分為上覆地層為粉質(zhì)粘土、中層強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖及最下層的中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，K104+247～K104+396段邊坡典型地質(zhì)橫剖面如圖2所示。

圖2 邊坡典型地質(zhì)橫剖面Fig.2 Typical geological profile of slopes

2 滑坡原因與分析

滑坡山體中上層粉質(zhì)粘土的厚度約為8 m，且山體的滑動(dòng)帶巖層為遇水會(huì)出現(xiàn)軟化的泥質(zhì)粉砂巖構(gòu)成。由于構(gòu)成滑動(dòng)帶中層巖層的強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖的節(jié)理發(fā)育異常，因此，雨水可由其內(nèi)部的節(jié)理裂隙自由進(jìn)出。對(duì)山體進(jìn)行開(kāi)挖時(shí)，邊坡面的受力遭受破壞，上層粉質(zhì)粘土被去掉了，地表水更易通過(guò)已破壞的巖體滲透到滑動(dòng)帶，使滑動(dòng)帶巖體的抗剪強(qiáng)度降低、位移增加，并形成蠕滑。邊坡的蠕滑使邊坡上層土體出現(xiàn)沉降和滑動(dòng)。當(dāng)滑動(dòng)帶巖體的抗剪強(qiáng)度進(jìn)一步衰減時(shí)，邊坡巖體出現(xiàn)了一條寬 30～50 cm 的貫通拉裂縫。雨水從坡頂拉裂縫入滲到巖體中，大量地表水聚集在軟弱滑動(dòng)帶，形成一定的靜水壓力和上浮力，使得滑動(dòng)帶的抗剪強(qiáng)度急劇下降、邊坡滑動(dòng)速率增加。表明：邊坡發(fā)生滑坡是由內(nèi)部滑動(dòng)帶和發(fā)育節(jié)理以及開(kāi)挖時(shí)破壞了山體原有的平衡狀態(tài)造成的。

3 邊坡計(jì)算與分析

3.1 邊坡計(jì)算剖面的選取

根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D30-2015)》，選定抗滑安全系數(shù)為 1.25～1.30。

根據(jù)滑坡地形圖，在發(fā)生滑坡的邊坡區(qū)域，選擇了6 個(gè)斷面進(jìn)行計(jì)算。選取K104+300典型斷面進(jìn)行了分析。該斷面高約40 m，從上至下可分為3層土體：上層粉質(zhì)粘土平均深度6 m，最大深度為8 m；中層強(qiáng)分化泥質(zhì)粉砂巖厚度約16 m；最底層為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。本研究將該邊坡簡(jiǎn)化為二維平面來(lái)考慮其穩(wěn)定性。結(jié)合Mohr-Coulomb模型和線彈性模型來(lái)賦予邊坡土體材料屬性，運(yùn)用非關(guān)聯(lián)的流動(dòng)法則進(jìn)行分析。選擇自由劃分技術(shù)對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，單元類型選為4節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元。邊坡巖土參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 邊坡巖土參數(shù)Table 1 Geotechnical parameters of the slope

3.2 結(jié)果與分析

采取局部場(chǎng)變量強(qiáng)度折減法，對(duì)選取的邊坡進(jìn)行計(jì)算。其基本原理是將邊坡土體中的參數(shù)粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ進(jìn)行折減，得到一組折減后的cm和φm，然后再將折減后的cm和φm代入模型進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)計(jì)算至邊坡達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)，對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)就是邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)。其計(jì)算式為：

cm=fc。

(1)

tanφm=ftanφ。

(2)

式中：f為折減系數(shù)；c和cm分別為折減前、后的粘聚力；φ和φm分別為折減前、后的內(nèi)摩擦角。

滑坡計(jì)算結(jié)果如圖3所示。在邊坡分析中，將邊坡整體劃分為3個(gè)區(qū)域，即粉質(zhì)粘土層、強(qiáng)風(fēng)化層及中風(fēng)化層。其局部組合分為邊坡整體、粉質(zhì)粘土層、強(qiáng)風(fēng)化層、中風(fēng)化層、粉質(zhì)粘土層和強(qiáng)風(fēng)化層組合及強(qiáng)風(fēng)化層和中風(fēng)化層組6種組合方式。參照監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，本研究選取邊坡整體強(qiáng)度折減對(duì)邊坡進(jìn)行了分析。從圖3(a)中可以看到該模型各部位的尺寸，得到穩(wěn)定性系數(shù)(1.1)。采用Slide軟件，由簡(jiǎn)化Bishop條分法計(jì)算得到該邊坡穩(wěn)定性系數(shù)(1.13)。2種方法對(duì)比可知：利用局部場(chǎng)變量強(qiáng)度折減法得到的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)(1.1)是合理的。從圖3(b)中可以看到用強(qiáng)度折減法模擬得到的滑動(dòng)面。從圖3(c)中可以看出，邊坡水平(X方向)位移大多位于78～193 mm之間，最大位移為193 mm；從圖3(d)中可以看出，垂直(Y方向)位移中的最大位移為-406 mm。

圖3 滑坡計(jì)算結(jié)果Fig.3 The result of the landslide calculation

4 滑坡治理方案選取

由式(1)，(2)計(jì)算可知，若不采用任何加固措施，邊坡會(huì)出現(xiàn)一定的滑移，以致發(fā)生破壞。由工程地質(zhì)情況可知，邊坡的山體由泥質(zhì)粉砂巖構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差。因此，對(duì)該區(qū)段由下至上，將邊坡坡面依次由第一級(jí)至第五級(jí)坡度由原先的1∶1均改為為1∶1.25，坡高均為8 m，第一、二級(jí)平臺(tái)為10 m，其他平臺(tái)為2 m，該區(qū)段削坡總體積為11 872.26 m3。在第一、二級(jí)邊坡坡面，每間隔3 m修建一縱向排水溝，且在底部用漿砌塊石修建寬3.0 m、埋深 2.0 m的護(hù)墻。利用細(xì)碎石和混凝土對(duì)坡頂?shù)膹埩芽p進(jìn)行填封，再在填充的混凝土上蓋2層土工布進(jìn)行防水并覆蓋上夯實(shí)的土層。對(duì)于第三至第五級(jí)邊坡坡面，需在網(wǎng)格內(nèi)植草或植樹(shù)，以便對(duì)上部土體進(jìn)行保護(hù)。對(duì)第一、二級(jí)邊坡進(jìn)行長(zhǎng)錨桿加固(錨桿間距3 m)，并在其坡面澆注尺寸為 10 m×10 m×0.4 m的C30鋼筋混凝土板，兩板結(jié)合處需預(yù)留伸縮縫，其中，混凝土所用鋼筋為φ10Ⅱ級(jí)，鋼筋網(wǎng)格尺寸為 0.3 m×0.3 m，保護(hù)層 0.1 m。每級(jí)施加3根長(zhǎng)16.3 m的錨桿 ，錨桿孔徑為 80 mm，孔洞垂直于坡面，具體設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 滑坡部分治理措施(單位：m)Fig.4 Control measures for landslides(unit:m)

按初步治理方案進(jìn)行削坡和加固后，再進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：邊坡的穩(wěn)定性會(huì)大幅增加，穩(wěn)定性系數(shù)增至1.5～1.6。經(jīng)過(guò)治理后，邊坡的巖體受力狀態(tài)得到了改善；滑坡產(chǎn)生的裂縫被封堵，并在拱形骨架內(nèi)植草，能對(duì)邊坡進(jìn)行很好的保護(hù)，地表水也不能入滲到軟弱滑動(dòng)帶；采用錨桿加固的方式，對(duì)第一、二級(jí)坡面進(jìn)行護(hù)坡，并在坡面修建排水暗溝，能順暢地排出滑動(dòng)帶內(nèi)的滯水，使邊坡巖體的抗剪性能保持穩(wěn)定。

5 結(jié)論

本研究利用有限元分析軟件ABAQUS并結(jié)合強(qiáng)度折減法，對(duì)潮惠高速公路K104+247～K104+396段的路塹高邊坡滑坡機(jī)理進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，得到的結(jié)論為：

1) 構(gòu)成山體滑坡的內(nèi)因是由于該段山體滑動(dòng)帶的中層巖層的強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖的節(jié)理發(fā)育異常，并且該段路塹開(kāi)挖后，地表水沿節(jié)理裂隙入滲到軟弱巖層，使軟巖的抗剪強(qiáng)度下降，從而誘發(fā)了該路塹邊坡滑動(dòng)。

2) 邊坡在加固前、后的穩(wěn)定系數(shù)和變形發(fā)生較為顯著的變化。研究結(jié)果表明：采取合理的加固治理措施后，其穩(wěn)定性會(huì)顯著地提高，邊坡的安全系數(shù)會(huì)增加，位移會(huì)明顯地減小。

3) 邊坡治理時(shí)，僅采用卸載的方式并不能很好地提高邊坡的穩(wěn)定性，還需結(jié)合其他加固措施。同時(shí)，需修建必要的排水和防水措施，才能夠保證邊坡的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1] 肖銳鏵,王思敬,賀小黑,等.非均質(zhì)邊坡多級(jí)穩(wěn)定性分析方法[J].巖土工程學(xué)報(bào),2013,35(6):1062-1068.(XIAO Rui-hua,WANG Si-Jing,HE Xiao-hei,et al.Multi-level stability analysis of inhomogeneous slopes[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2013,35(6):1062-1068.(in Chinese))

[2] Hong Z,Guan-hua S,De-fu L.A practical procedure for searching critical slip surfaces of slopes based on the strength reduction technique[J].Computers and Geotechnics,2009(36):1-5.

[3] Cala M,Flisiak J,Tajdus A.Slope stability analysis with modified shear strength reduction technique[A].Proceedings of the Ninth International Symposium on Landslides.Landslides:Evaluation and Stabilization[C].Rio de Janeiro,Brazil:[s.n.],2004.

[4] 薛雷,孫強(qiáng),秦四清,等.非均質(zhì)邊坡強(qiáng)度折減法折減范圍研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2011,33(2):275-280.(XUE Lei,SUN Qiang,QIN Si-qing,et al.Scope of strength reduction for inhomogeneous slopes[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2011,33(2):275-280.(in Chinese))

[5] 楊光華,鐘志輝,張玉成,等.用局部強(qiáng)度折減法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析[J].巖土力學(xué),2010,31(S2):53-58.(YANG Guang-hua,ZHONG Zhi-hui,ZHANG Yu-cheng,et al.Slope stability analysis by local strength reduction method[J].Rock and Soil Mechanics,2010,31(S2):53-58.(in Chinese))

[6] 程燦宇,羅富榮,戚承志,等.有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡穩(wěn)定的對(duì)比分析[J].巖土力學(xué),2012,33(11):3472-3478.(CHENG Chan-yu,LUO Fu-rong,QI Cheng-zhi,et al.Comparative analysis of slope stability by strength reduction method[J].Rock and Soil Mechanics,2012,33(11):314-318.(in Chinese))

[7] 趙尚毅,鄭穎人,鄧衛(wèi)東.用有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行節(jié)理巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2003,22(2):254-260.(ZHAO Shang-yi,ZHENG Ying-ren,DENG Wei-dong.Jointed rock slope stability analysis by strength reduction FEM[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2003,22(2):254-260.(in Chinese))

[8] Manzari M T,Nour M A.Significance of soil dilatancy in slope stability analysis[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2000,126(1):75-80.