尹長權(quán)

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實驗室，天津 300222；3.天津市港口巖土工程技術(shù)重點(diǎn)實驗室，天津 300222；4.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461）

0 引言

近百年來，許多研究者致力于邊坡穩(wěn)定問題的研究，得到了大量研究成果[1-7]。而對于含軟黏土層的邊坡，考慮土的靈敏性的穩(wěn)定性分析則很少。實踐證明，若對土的靈敏性重視不足，往往會對工程造成嚴(yán)重后果[8-10]。

某廢料填埋坑的邊坡工程，在邊坡開挖過程中發(fā)生了大規(guī)模的邊坡失穩(wěn)，整個失穩(wěn)過程歷時約2 h。經(jīng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)在邊坡中部存在淤泥層，在開挖施工至該軟弱層時，由坡底外漏面逐漸擠出，逐步向坡身延伸，至整個邊坡失穩(wěn)。滑坡體長約80 m，寬25 m。邊坡失穩(wěn)后，立即采取應(yīng)對措施，停止坡底機(jī)械施工，并迅速撤離，坡頂設(shè)置防護(hù)標(biāo)識，禁止通行，由于失穩(wěn)邊坡滑移緩慢，使現(xiàn)場有足夠的時間應(yīng)對，因此，并未發(fā)生設(shè)備損失和人員傷亡。

本文詳細(xì)介紹了邊坡的失穩(wěn)過程，分析了軟黏土層對邊坡穩(wěn)定的影響，闡述了后期邊坡處理過程的成敗經(jīng)驗。

1 工程簡介

1.1 地質(zhì)條件

邊坡土體主要為河相沉積物，表層5.5 m分布著強(qiáng)度較高的粉質(zhì)黏土層，以下為淤泥層、粉質(zhì)黏土層直至粉土層，未進(jìn)行過任何地基的加固處理。

土體物理力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示，從表1可以看出，淤泥層具有含水率高、強(qiáng)度極低、壓縮性很高的特點(diǎn)。

表1 土體物理力學(xué)性能指標(biāo)Table 1 Physical properties of soil

1.2 設(shè)計開挖斷面

設(shè)計開挖邊坡坡比如圖1所示，頂部和中部坡比1∶3.5，底部坡比為1∶4。淤泥軟弱層在中部邊坡內(nèi)。

圖1 設(shè)計邊坡坡比Fig.1 Design slope dimensions

2 邊坡失穩(wěn)過程分析

2.1 現(xiàn)場調(diào)研

當(dāng)邊坡開挖至標(biāo)高-3 m時，出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象。+2.5 m平臺坡頂?shù)乇矸植贾y狀陡坎和坡臺，底部邊坡內(nèi)有著明顯的滑坡舌、滑坡鼓丘現(xiàn)象。失穩(wěn)是一個漸進(jìn)發(fā)展過程，如圖2所示。

圖2 失穩(wěn)的邊坡圖Fig.2 View of slope failure

待邊坡穩(wěn)定后，進(jìn)行了補(bǔ)充勘察，以判斷滑動層位置。滑坡區(qū)和附近未滑坡區(qū)域進(jìn)行原位十字板試驗，沿滑坡斷面設(shè)置3孔，S1、S2、S3分別位于滑坡舌區(qū)域、滑坡臺區(qū)和坡頂未擾動區(qū)，并分別進(jìn)行了重塑土強(qiáng)度試驗。

十字板強(qiáng)度對比圖如圖3所示，以此為依據(jù)并結(jié)合現(xiàn)場情況，初步評判的土體擾動斷面分布圖如圖4所示。

圖3 十字板強(qiáng)度對比圖Fig.3 Contrast figure of field vane shear strength

圖4 土體主要擾動區(qū)分布圖Fig.4 Distribution of main disturbances of soil

滑坡的土體擾動區(qū)主要處于淤泥層，標(biāo)高-6～-2 m層厚位置，十字板強(qiáng)度發(fā)生明顯降低，表明整個淤泥層基本都處于擾動狀態(tài)，強(qiáng)度介于重塑土強(qiáng)度和原狀土強(qiáng)度之間，更接近于重塑土強(qiáng)度。通過未擾動區(qū)S3孔的比較，可以看出S2孔和S3孔標(biāo)高-2 m以上的十字板強(qiáng)度邊坡失穩(wěn)前后變化量很小，可以判定為未擾動區(qū)。

通過未擾動區(qū)S3孔原位十字板試驗測得的淤泥的靈敏度系數(shù)大于3，失穩(wěn)前位于邊坡底部1臺挖掘機(jī)水平理坡開挖，臨時便道上多輛運(yùn)土車往返運(yùn)土，由于軟黏土層的靈敏度系數(shù)較大，施工機(jī)械震動和開挖致使底部的淤泥受到擾動，使淤泥的強(qiáng)度顯著降低，從而導(dǎo)致局部失穩(wěn)至整個邊坡漸進(jìn)式失穩(wěn)。在失穩(wěn)初期，軟弱淤泥層外漏面土體達(dá)到極限狀態(tài)，開始側(cè)向擠出，這一過程逐漸向淤泥層內(nèi)部和上部土體傳遞，使失穩(wěn)面和規(guī)模逐漸擴(kuò)大。隨著滑坡前沿前移和隆起，坡頂逐漸平移和下沉，直至失穩(wěn)滑坡重新形成新的平衡狀態(tài)，邊坡逐漸趨于穩(wěn)定，失穩(wěn)慢慢終止。

2.2 穩(wěn)定觀測

根據(jù)基坑監(jiān)測結(jié)果的反饋，邊坡失穩(wěn)前的水平位移征兆明顯。土體側(cè)向水平位移速率一般大于5 mm/d，甚至100 mm/d以上，致使測斜儀損壞無法繼續(xù)測量，且地表多伴有裂縫出現(xiàn)，裂縫由小逐漸變大，范圍逐漸擴(kuò)展，直至邊坡失穩(wěn)，失穩(wěn)過程主要表現(xiàn)為淤泥以上土層水平位移逐步加大，淤泥層為滑動層。

3 數(shù)值分析

為研究邊坡失穩(wěn)的原因以及解決方法，采用有限元軟件PLAXIS3D對此次失穩(wěn)過程進(jìn)行三維有限元模擬分析，為消除邊界效應(yīng)，模型長設(shè)定為200 m，寬度設(shè)定為20 m，高度設(shè)定為30 m。分步開挖邊坡，具體情況如圖5所示。

圖5 未開挖邊坡整體模型示意圖Fig.5 Model schematic diagram of unreinforced slope

3.1 邊坡失穩(wěn)過程模擬

對未經(jīng)加固邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，具體計算結(jié)果見圖6所示。

圖6 未經(jīng)加固邊坡的圓弧滑動面形狀Fig.6 Circular arc shape of unreinforced slope

由圖6可知，第2次開挖將導(dǎo)致邊坡的安全系數(shù)小于1，即發(fā)生失穩(wěn)，模擬結(jié)果與現(xiàn)場實際情況一致，說明不采用工程措施的情況下開挖邊坡是不安全的。

為防止邊坡滑動，設(shè)計了3種備選工程措施，分別為自重排水固結(jié)法加固、抗滑樁加固和預(yù)留放坡肋法，以下分別對3種措施進(jìn)行數(shù)值分析，以研究其可行性。

3.2 排水加固法

第1次開挖后，在開挖后平臺處，插打塑料排水板，排水板間距0.8 m，三角形布置，深度8.8 m，范圍為第一級邊坡坡腳到第二級邊坡坡腳，經(jīng)過1個月的自重排水固結(jié)法加固后，土體的強(qiáng)度提高較小。

在第1次開挖邊坡時，安全系數(shù)仍為1.141，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；第1次邊坡開挖完成后，進(jìn)行自重排水固結(jié)法加固，在第2次邊坡開挖時，安全系數(shù)由原來的0.726提高到0.785；在第3次邊坡開挖時，安全系數(shù)由原來的0.725提高至0.784。在第2次開挖和第3次開挖時，經(jīng)過排水固結(jié)法加固后的邊坡安全系數(shù)提高較小，仍小于1，因此邊坡仍處于不穩(wěn)定的狀態(tài)?？梢钥闯觯遁d條件下，排水固結(jié)法加固提高邊坡穩(wěn)定性的能力有限，未能達(dá)到預(yù)想效果。

3.3 抗滑樁加固

為研究經(jīng)過抗滑樁加固后，開挖邊坡時的穩(wěn)定性。在第1次開挖后，于淤泥層中打入長18.5 m的抗滑樁進(jìn)行分析，φ800 mm鋼管剛性樁，間距2.4 m，工序同上，模型裝配圖見圖7。

圖7 抗滑樁加固邊坡的模型裝配圖Fig.7 Model schematic diagram of reinforced slope by anti-slide pile

對經(jīng)抗滑樁加固后邊坡的穩(wěn)定性問題進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，在第1次開挖邊坡時，安全系數(shù)為1.141，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；第1次邊坡開挖完成后，施打抗滑樁，在第2次邊坡開挖時，安全系數(shù)由原來的0.726提高到1.032；在第3次邊坡開挖時，安全系數(shù)由原來的0.725提高至1.029?？梢钥闯觯够瑯兜拇_可以提高邊坡穩(wěn)定性。

3.4 預(yù)留放坡肋

為研究邊坡經(jīng)過預(yù)留放坡肋后，開挖邊坡時的穩(wěn)定性。在第1次開挖后，第2次和第3次邊坡開挖時設(shè)置預(yù)留放坡肋，進(jìn)行相應(yīng)分析，工序同上，模型裝配圖見圖8。

圖8 預(yù)留放坡肋邊坡模型裝配圖Fig.8 Model schematic diagram of reinforced slope by reserved sloping rid

對經(jīng)預(yù)留放坡肋后邊坡的穩(wěn)定性問題進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。

可以得到，在第1次邊坡開挖時，安全系數(shù)為1.141，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；第2次開挖邊坡時，設(shè)置預(yù)留放坡肋，安全系數(shù)由原來的0.726提高到1.047；在第3次開挖邊坡時，安全系數(shù)由原來的0.725提高至1.026?？梢钥闯觯A(yù)留放坡肋的確可以提高邊坡穩(wěn)定性。

綜上所述，抗滑樁和預(yù)留放坡肋方法均可以在一定程度上提高邊坡的穩(wěn)定性，且均能達(dá)到預(yù)期效果。抗滑樁和預(yù)留放坡肋效果相似，考慮到抗滑樁的樁底嵌入深度較大，經(jīng)濟(jì)費(fèi)用較高，所以預(yù)留放坡肋法應(yīng)作為第二方案進(jìn)行嘗試，最后考慮抗滑樁加固方案。

4 邊坡治理試驗

4.1 排水固結(jié)法

在高程-1.5 m平臺上，打設(shè)塑料排水板，進(jìn)行自重排水固結(jié)，現(xiàn)場進(jìn)行了30 m的試驗驗證施工，經(jīng)過近20 d的固結(jié)，淤泥層的強(qiáng)度指標(biāo)改善不明顯。分析其原因，盡管淤泥為欠固結(jié)土，但-1.5 m平臺存在近4 m多的卸荷，土體的應(yīng)力狀態(tài)主要表現(xiàn)為卸荷狀態(tài)，排水固結(jié)緩慢，強(qiáng)度提高不明顯，試驗結(jié)果失敗。說明卸荷狀態(tài)時，不宜采用排水固結(jié)法進(jìn)行淤泥的加固。

4.2 抗滑樁

考慮木樁、竹排、鋼板樁做抗滑樁，樁底要有足夠的嵌入深度，由于經(jīng)濟(jì)費(fèi)用相對較高，現(xiàn)場未做嘗試，只作為后期備選方案。

4.3 預(yù)留放坡肋

在-1.5 m標(biāo)高以下設(shè)置預(yù)留放坡肋，相鄰放坡肋軸線間距為40 m，垂直開挖邊線方向長度為10 m，三側(cè)采取放坡，放坡比例為1∶4，側(cè)面可依據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件調(diào)整，頂寬3 m。各施工區(qū)設(shè)置放坡肋完畢后，放坡肋之間區(qū)域按原有設(shè)計進(jìn)行土方開挖及邊坡修理。設(shè)置的放坡肋保留至放坡肋之間區(qū)域回填料填至現(xiàn)有放坡肋標(biāo)高時，對現(xiàn)有放坡肋進(jìn)行開挖、外運(yùn)處理，開挖外運(yùn)完畢后，立即回填填料?，F(xiàn)場實施效果良好。如圖9所示。

圖9 預(yù)留放坡肋邊坡斷面圖Fig.9 Profile of reserved sloping rid

5 結(jié)語

本文對某軟黏土邊坡的失穩(wěn)機(jī)制和處理措施過程進(jìn)行了詳細(xì)的分析，得出如下結(jié)論：

1）失穩(wěn)邊坡中，擾動區(qū)主要為淤泥層，十字板強(qiáng)度發(fā)生明顯降低，強(qiáng)度介于重塑土強(qiáng)度和原狀土強(qiáng)度之間，更接近于重塑土強(qiáng)度。

2）卸荷狀態(tài)時，不宜采用排水板自重固結(jié)法對淤泥進(jìn)行加固。

3）開挖時，設(shè)置預(yù)留放坡肋，能夠有效的提高邊坡穩(wěn)定性。