文∕田原

1 前言

在公路、鐵路的施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，土質(zhì)邊坡水毀破壞現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約80%土質(zhì)邊坡失穩(wěn)破壞由水毀引起，其中以邊坡淺層失穩(wěn)最為常見(jiàn)[1]。在自然環(huán)境中，邊坡淺層土體受氣候、降雨等影響，導(dǎo)致土體密實(shí)度降低、強(qiáng)度減小，進(jìn)而引發(fā)邊坡失穩(wěn)破壞。近年來(lái)，受全球變暖影響，強(qiáng)降雨發(fā)生頻率及強(qiáng)度有顯著增加趨勢(shì)。2019年，受臺(tái)風(fēng)利奇馬影響導(dǎo)致的強(qiáng)降雨，使華東地區(qū)出現(xiàn)了多處邊坡水毀滑坍事故，嚴(yán)重威脅了公路運(yùn)營(yíng)安全，并造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，開(kāi)展土質(zhì)邊坡滑坍處治技術(shù)研究對(duì)于公路、鐵路建設(shè)具有重要意義。

為了尋求更高效的邊坡淺層失穩(wěn)處治技術(shù)，本文基于邊坡淺層失穩(wěn)破壞機(jī)理，探尋合理的邊坡穩(wěn)定性分析方法，在此基礎(chǔ)上對(duì)常用邊坡淺層失穩(wěn)處治方案進(jìn)行計(jì)算分析。

2 土質(zhì)邊坡淺層失穩(wěn)破壞模式

降雨導(dǎo)致土質(zhì)邊坡淺層土體處于浸潤(rùn)狀態(tài)，進(jìn)而造成土粒間基質(zhì)吸力降低、抗剪強(qiáng)度減小、土體重度增大、邊坡下滑力增加、抗滑力降低，使邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞。而根據(jù)雨水浸潤(rùn)深度不同，可分為整體曲面與順坡曲面兩種破壞模式，如圖1 所示[2]。

圖1 土質(zhì)邊坡淺層失穩(wěn)破壞模式

一般情況下，通過(guò)圓弧條分法可以較準(zhǔn)確地計(jì)算均質(zhì)邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)及滑動(dòng)面。但是，對(duì)于順坡曲面破壞模式來(lái)說(shuō)，由于圓弧條分法破壞面形狀與實(shí)際不符，且計(jì)算出的安全系數(shù)較大，偏危險(xiǎn)；由此，可定義由任意圓弧及其同材料交界面組成的組合滑面，并運(yùn)用條分法搜索最不利滑動(dòng)面，然后計(jì)算邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。

3 計(jì)算模型

計(jì)算模型幾何形式為12m 高土質(zhì)折線(xiàn)形邊坡，折線(xiàn)上部高度8m，寬度12m，折線(xiàn)下部高度4m，寬度7m，浸潤(rùn)深度為d，如圖2 所示[3]。邊坡土體為路基常用填料粉質(zhì)粘土，土體相關(guān)計(jì)算參數(shù)如表1 所示。

表1 土體計(jì)算參數(shù)

圖2 計(jì)算模型幾何尺寸

通過(guò)邊坡穩(wěn)定性分析軟件Rocscience Slide 計(jì)算邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)與滑動(dòng)面，計(jì)算并考慮浸潤(rùn)區(qū)深度d=0（不浸潤(rùn)）、d=1.5、d=3、d=4 四種情況，并基于Bishop 法分別采用圓弧滑面及組合滑面兩種計(jì)算模式計(jì)算邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)及滑動(dòng)面，計(jì)算結(jié)果如圖3 所示。由計(jì)算結(jié)果可知，浸水軟化可以顯著降低邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)；當(dāng)浸水范圍較小時(shí)，采用圓弧滑面得到偏危險(xiǎn)的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果；浸水軟化范圍越大，滑面形狀越接近圓弧滑面，即表現(xiàn)為整體曲面破壞模式[4]。

圖3 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

圖4 安全系數(shù)隨浸潤(rùn)深度變化規(guī)律

根據(jù)圖3，繪制邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)隨浸潤(rùn)深度變化規(guī)律。如圖4 所示，隨著浸潤(rùn)深度的增加，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)逐漸降低并趨于穩(wěn)定。當(dāng)安全系數(shù)降至1 時(shí)，邊坡土體處于極限平衡狀態(tài)，將發(fā)生失穩(wěn)破壞，可將該深度定義為邊坡淺層失穩(wěn)浸潤(rùn)深度控制閾值，本例中控制閾值為浸潤(rùn)深度d=1.5m，該閾值受土體浸潤(rùn)導(dǎo)致強(qiáng)度參數(shù)降低水平、坡面幾何尺寸等因素影響。

4 邊坡淺層失穩(wěn)處治方案算例分析

為提高邊坡穩(wěn)定性，通常采用注漿處理、設(shè)置抗滑鋼管樁、土釘支護(hù)等措施。注漿處理可提高土體強(qiáng)度，而設(shè)置抗滑樁、土釘，可增加抗滑力，提高邊坡穩(wěn)定性。

上文中，當(dāng)土體浸潤(rùn)深度為1.5m 時(shí)，邊坡處于極限平衡狀態(tài)，將發(fā)生淺層失穩(wěn)破壞，因此我們通過(guò)對(duì)設(shè)置抗滑樁、土釘支護(hù)、注漿處理三種處治方案進(jìn)行分析，尋找到了合理的邊坡淺層失穩(wěn)處置方案。

4.1 抗滑樁

受施工工藝限制，抗滑樁一般設(shè)置于水平面上，計(jì)算模型中抗滑樁設(shè)置于坡頂邊緣內(nèi)側(cè)0.5m 處，共設(shè)置一排，縱向間距1.5m，樁長(zhǎng)7m，剪切強(qiáng)度20kN，如圖5 所示。在圖 5 中Fs=1.027 所對(duì)應(yīng)滑動(dòng)面為未設(shè)置抗滑樁時(shí)危險(xiǎn)滑動(dòng)面；Fs=1.042 所對(duì)應(yīng)滑動(dòng)面為設(shè)置抗滑樁時(shí)危險(xiǎn)滑動(dòng)面?？梢?jiàn)，由于抗滑樁設(shè)置于危險(xiǎn)滑面上部位置，該處下滑力較小，因此通過(guò)設(shè)置抗滑樁無(wú)法有效提升邊坡穩(wěn)定性。

圖5 抗滑樁支護(hù)

4.2 土釘支護(hù)

從坡頂向下豎向每隔2m 設(shè)置一排土釘，共四排，沿線(xiàn)路方向土釘間距為2m，土釘長(zhǎng)7m，與水平方向夾角為15°，抗拉力為50kN/m，如圖6 所示。在圖6 中，F(xiàn)s=1.027 所對(duì)應(yīng)滑動(dòng)面為未設(shè)置抗滑樁時(shí)危險(xiǎn)滑動(dòng)面，此時(shí)抗滑穩(wěn)系數(shù)為1.027；Fs=1.983 所對(duì)應(yīng)滑動(dòng)面為設(shè)置土釘時(shí)危險(xiǎn)滑動(dòng)面。由此可知，設(shè)置土釘能夠顯著提高邊坡穩(wěn)定性；但其土釘支護(hù)需在坡面上噴漿防護(hù)，且后期綠化難度較高。

圖6 土釘支護(hù)

4.3 注漿處理

采用淺層壓力注漿技術(shù)對(duì)深度2m 范圍內(nèi)邊坡淺層土體進(jìn)行注漿處理，通過(guò)注漿充填、滲透、擠密效應(yīng)可以排出土體孔隙中的水分和空氣，使坡面及坡面以下2m 范圍內(nèi)土體形成一個(gè)固結(jié)帶，提高淺層土體強(qiáng)度，增加土體抗?jié)B性，防止水土流失。一般情況下，還可以保證土體強(qiáng)度參數(shù)不低于浸潤(rùn)前的水平，即邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)不低于未浸潤(rùn)時(shí)的1.964，且有利于邊坡綠化植被生長(zhǎng)。

圖7 注漿處理

5 結(jié)語(yǔ)

5.1 在邊坡淺層土體軟化造成的失穩(wěn)破壞情況下，組合滑動(dòng)面能夠更準(zhǔn)確地計(jì)算出安全系數(shù)與滑動(dòng)面位置。

5.2 相比于抗滑鋼管樁，土釘支護(hù)與注漿處理能夠更有效處治邊坡淺層失穩(wěn)破壞。