張志沛，韓 彪，賀陽陽，屈 昊

(西安科技大學地質與環(huán)境學院，西安 710054)

巖質高邊坡治理后的變形監(jiān)測和穩(wěn)定性分析一直是相關工程技術人員的重點關心問題。山區(qū)巖質高邊坡的地質問題更為復雜，在勘察和設計階段很難完全掌握。前人在巖質邊坡變形演化及破壞機制、數值模擬方法以及監(jiān)測等方面取得了一些成果，鄭穎人等[1]和趙尚毅等[2]論證了有限元強度折減法在巖質邊坡穩(wěn)定性分析方面的適用性。張志沛等[3-4]通過數值模擬對比分析了有限元法和極限平衡法，并指出邊坡變形破壞與降雨存在一定的滯后現象。徐奴文等[5]利用Geo-solp軟件結合監(jiān)測資料驗算并評價了巖質邊坡加固后的穩(wěn)定狀況。李大茂等[6]對全強風化巖質邊坡失穩(wěn)機制進行了研究，指出全強風化巖體遇水容易軟化,對于邊坡的穩(wěn)定十分不利。石盼[7]利用模型試驗研究了含軟弱結構面順層巖質邊坡破壞機理。李國維等[8]利用監(jiān)測數據結合快速拉格朗日有限元差分(fast Lagrangian analysis of continua 3D，FLAC3D)數值模擬軟件對錨索加固設計方案進行優(yōu)化。田仕明等[9]運用ABAQUS進行降雨條件下的有限元分析，觀察了坡體位移場的變化規(guī)律。歐光照等[10]基于UDEC(universal distinct element code)研究了順層巖質高邊坡變形破壞模式。但在高速公路建設及運營過程中，仍然有大量的邊坡破壞發(fā)生，危及施工及運營安全，根本原因還在于前期穩(wěn)定性分析方法欠妥，使得設計方案與邊坡實際受力變形特征不符。

通過監(jiān)測資料與數值模擬結合共同分析巖質高邊坡穩(wěn)定性，解釋坡體內部復雜的應力、應變環(huán)境，通過數值模擬結果的反饋，獲得最優(yōu)的邊坡治理方案，并論證方法可行性。

甕安高速公路某巖質高邊坡在三級平臺抗滑樁施工完成后，原有設計加固措施不能阻止滑體下滑，滑坡此時正處于臨危狀態(tài)，通過FLAC3D數值計算軟件對已完成三級平臺抗滑樁施工的巖質邊坡進行模擬，反演分析得到的數值計算結果與監(jiān)測資料位移量大致吻合，以此確定出危險滑動面的分布情況，再通過數值計算分析二次加固變動抗滑樁位置對滑體的位移、剪應變增量和滑帶分布的影響，以此確定優(yōu)化加固方案。研究結果可供該滑坡施工及當地類似高巖質滑坡工程參考。

1 工程概況

1.1 滑坡地質環(huán)境

研究區(qū)為江甕高速公路，路段沿線工程地質條件復雜，屬構造剝蝕中低山地形地貌，高程590～650 m，山坡植被較為發(fā)育。年均降雨量1 269.6 mm，降雨多集中在5—10月，地表水主要為大氣降水形成的地表徑流匯集而成的雨源型溝溪水，降雨對邊坡有一定的沖刷作用；地下水為松散堆積層孔隙水和基巖裂隙水?；虑熬墝捈s150 m，后緣寬約100 m，沿主滑方向長約120 m且與路線方向成90°夾角，平均厚度20 m，滑坡體積約2.4×104m3，屬牽引式滑坡?；缕矫嫖恢萌鐖D1所示。

圖1 滑坡平面圖及現場監(jiān)測點布置

研究區(qū)滑坡地層巖性自上而下依次為①第四系殘坡積層、耕植土層：黃褐色，一般厚度較小，大部呈硬塑狀，整層土質松軟；②強風化砂質泥巖：一般厚度較大，風化程度較強烈，巖體較為破碎，半巖半土狀、碎石夾土狀，強度及穩(wěn)定性一般；③中風化砂質泥巖：節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖質較硬，穩(wěn)定性較好。研究區(qū)域地質構造簡單，未發(fā)現區(qū)域性活動斷裂通過，地震基本烈度為Ⅵ度。該滑坡的滑帶由中分化砂質泥巖與強風化砂質泥巖交界處的軟弱夾層形成，滑體由強風化砂質泥巖和上覆的碎石土共同組成，滑床主要為中風化砂質泥巖，具體滑坡全貌如圖2所示。

圖2 滑坡全貌

1.2 已采取的加固措施

邊坡最大高度34 m，為四級臺階邊坡，臺階寬度2 m，一、二、三級邊坡高均為8 m，四級邊坡到達坡頂。邊坡坡率為一、二級邊坡1:0.75,第三級邊坡1:1，第四級邊坡1:1.25。各坡面加固措施為一、二、三級邊坡為窗孔式護面墻，第四級坡面為漿砌片石菱形網格植草。2015年6月三級邊坡上部平臺施工完成一排長33 m，樁徑3 m×2.4 m的抗滑樁，監(jiān)測資料顯示邊坡變形仍在發(fā)展。滑坡后緣出現較大變形產生裂縫，裂縫呈間斷連續(xù)弧形展布，長幾米到幾十米不等，寬為1～3 cm，切割深度為0.4～2 m，形成了一個長140 m的圈椅狀裂縫，已施工抗滑樁樁頂監(jiān)測出現3～4 cm的推移變形。具體滑坡剖面如圖3所示。

圖3 地質剖面及監(jiān)測滑面線位置

2 監(jiān)測數據分析

該段共設有5個深部監(jiān)測孔，具體平面布置位置如圖1所示，5個孔均在2015年1月布置完成。坡體前緣已加固抗滑樁，共計21根。選用的JC09、JC12位于整個滑體中部，兩監(jiān)測點連線沿著滑坡主滑方向。

兩監(jiān)測孔在滑帶處累計監(jiān)測位移統計如圖4所示。分析監(jiān)測資料得出：①1月13日至5月28日，JC09的總累計位移為14 mm(0.102 mm/d)，JC12的總累計位移為21.3 mm(0.155 mm/d)，監(jiān)測結果顯示位移在持續(xù)增長，但增速緩慢;②2015年5月28日至2015年6月6日雨季節(jié)來臨，JC09監(jiān)測點位移發(fā)生驟增，十天內的位移總量達到22 mm(2.2 mm/d)，相比六月增長11倍，分析原因是降雨導致滑帶強度下降，滑體下滑所致;③位于三級平臺的16號抗滑樁累計位移量為3.1 cm，18號抗滑樁累計位移量為3.5 cm; ④從6月之后的趨勢曲線可以看出：降雨過后JC12監(jiān)測孔的位移曲線趨于平緩，JC09監(jiān)測孔的位移曲線變形速率明顯減小，但總位移量仍在增大，滑坡整體處于變形增長狀態(tài)。

圖4 JC09、JC12滑帶處累計監(jiān)測位移

圖5 深部位移監(jiān)測累積位移曲線

研究區(qū)布置的JC09、JC12深部位移監(jiān)測孔數據如圖5所示。由圖5可知，截至3月30日，JC09、JC12監(jiān)測位移變化相對平緩，累計位移量雖持續(xù)增長，但尚未突變，說明滑坡正處于蠕滑階段；JC09監(jiān)測孔在4月16日的累計位移監(jiān)測曲線變形平緩，未出現位移突變；JC12監(jiān)測孔4月16日在7～8 m深度處出現位移突變，從11 mm變?yōu)?2.3 mm。監(jiān)測資料JC09揭示出該位置滑坡滑面深度在12～14 m，為強風化砂質泥巖與中分化砂質泥巖交界的軟弱帶處。JC12位于滑坡后緣，揭示出的滑面深度為6～8 m。

基于深孔監(jiān)測資料得出：①JC09處的滑帶深度為12～14 m，JC12處為6～8 m；②潛在滑面位置為地層分界線處，強風化砂質泥巖與中分化砂質泥巖交界面；③季節(jié)降雨是滑坡位移驟增的原因。監(jiān)測資料得到的滑移線位置如圖3所示。

3 數值計算及結果分析

3.1 FLAC3D模型的建立及參數選取

模型采用ANSYS生成可供FLAC3D識別的模型單元文件和節(jié)點文件，為精確計算，在網格長度劃分上，細分了研究區(qū)域(滑動帶)的網格長度，邊界處按5 m劃分，滑帶區(qū)域按3 m劃分。模型取邊坡長120 m、寬10 m、高100 m，邊界條件為下部固定約束，左右兩側法向約束，上部為自由邊界。模型共劃分為26 598個節(jié)點和23 280個單元，邊坡數值模型如圖6所示。

圖6 邊坡數值模型

采用FLAC3D有限差分軟件對該滑坡的穩(wěn)定性計算，在該模型中巖土體采用Mohr-Coulomb 本構關系，并選用彈塑性模型，抗滑樁采用FLAC3D內置的Pile模塊進行建立，初始應力場為重力場。

根據前期勘察結果，給出模型計算初始參數，調整參數讓模擬滑面向監(jiān)測數據確定的滑移面位置相靠攏，若兩滑移面重合，則可以驗證模型參數選取正確；否則調整所用參數，直至兩滑動面基本重合為止。

通過計算，模擬得到三級平臺抗滑樁加固后變形狀態(tài)，最終確定出的巖體參數如表1所示，抗滑樁參數如表2所示。

表1 巖體物理力學參數

表2 抗滑樁力學參數表

3.2 模擬計算值與監(jiān)測結果對比分析

在初始條件中，不考慮構造應力，僅考慮重力產生的初始應力場。從初始場總位移云圖得出：未開挖時研究區(qū)沉降量分布均勻，呈現出由深到淺逐漸遞減的規(guī)律。最大沉降量為1.1 mm，分布在覆蓋層較厚的坡頂附近的全風化砂質泥巖層。位移量的大小與堆積層的厚度有關，堆積層厚度越大，其沉降位移量越大。經三次開挖和三級平臺抗滑樁加固后，對比監(jiān)測數據與數值計算結果如表3所示。

表3 監(jiān)測數據與模擬計算結果對照表

圖7所示為數值模擬滑面與監(jiān)測資料滑面耦合圖，滑面位置和形狀均與監(jiān)測滑面顯示出良好的一致性。監(jiān)測滑面與數值計算滑面基本吻合，證明了模型建立和參數選取的合理性，能夠解釋坡體所處的狀況?；诖说玫皆撃Ｐ蛯Ρ确治龌略俅渭庸萄a強狀況以及滑坡整體的穩(wěn)定性是可靠的。

圖7 數值模擬滑面與監(jiān)測資料滑面耦合圖

3.3 原抗滑樁加固計算結果反演

由圖8(a)可知：經原抗滑樁加固，樁身將原有滑體分為前后兩個部分，最大剪應變增量集中分布于樁前滑體，在坡腳部位最為明顯。整個滑坡的剪切變形在坡體滑移面上最為明顯，其剪切變形趨勢與滑坡走向以及巖土分界面形狀相同，表明其破壞面會發(fā)生在邊坡的軟弱交界層上，與實際工程理論分析相吻合。

坡體穩(wěn)定系數為1.02

原抗滑樁加固有效性分析如圖8(a)所示，滑帶整體呈弧狀分布，三級平臺加固抗滑樁后，抗滑樁至坡頂處剪應變增量相較于樁前的剪應變增量減小了60%，最大剪應變增量集中分布于抗滑樁前部，說明原抗滑樁的施做使得滑體內部出現了應力重新分布現象，樁后滑體剪應變增量得到了顯著減小。

自2015年5月28日至6月27日監(jiān)測發(fā)現16#抗滑樁累計位移量為3.1 cm，18#抗滑樁累計位移量為3.5 cm，該階段坡體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。由平面布置圖(圖1)可以看出16#、18#抗滑樁位于JC09前，JC09位于兩抗滑樁中線之后。6月27日JC09處的累計監(jiān)測位移為3.3 cm，與前端抗滑樁變形位移大致相同，位移量為13.3 cm?？梢娖麦w變形還在發(fā)生?；w內部位移云圖分布均勻，沒有出現位移量突變情況，說明滑體是整體移動的，這與巖質滑坡實際滑移特征相符合。

原抗滑樁加固必要性分析：據圖8(a)顯示，三級坡抗滑樁前的坡體已形成貫穿至坡腳的剪應變帶；從圖8(b)可以看出，后部滑體的下滑趨勢雖然得到控制，但樁身仍出現3～4 cm水平方向變形，分析認為樁身變形由季節(jié)性強降雨所致?；瑤灰票O(jiān)測資料(圖3)同樣反映出滑坡變形仍在發(fā)展。數值計算得到的坡體穩(wěn)定系數為1.02，滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，急需進行進一步的加固治理措施。

3.4 抗滑樁加固治理方案優(yōu)化

在固定樁長為30 m、樁平距10 m前提下，改變抗滑樁樁位，變換后抗滑樁分別位于一級平臺、二級平臺及三級平臺上部。對此進行計算，得到滑坡加固的效果具體如圖9所示。

圖9 不同樁位滑坡穩(wěn)定系數

坡體穩(wěn)定系數為1.25

根據模擬計算結果，當抗滑樁位于一級平臺處時，坡體會從一級平臺上剪出，發(fā)生冒頂破壞；抗滑樁位于三級平臺上部時，坡腳位移為19.2 cm，穩(wěn)定系數僅為1.03，樁前滑體剪應變沒有得到控制，為最不利加固位置；抗滑樁位于二級平臺時，加固效果最優(yōu)。

二級平臺抗滑樁加固后的數值計算結果表明：坡腳處剪應變最大值3.590 5×10-1[圖8(a)]，加固后坡腳處剪應變?yōu)?.261 9×10-1[圖10(a)]，減小了9.8%。坡腳處最大位移從13.3cm減小到10.3 cm，相比減小了22.5%。樁后滑帶剪應變增量從1.261×10-1變?yōu)?.0×10-1，減小了20.69%。此結果施工抗滑樁后，滑體的剪切變形得到了較大程度的控制，不僅起到阻止前部滑體滑移的作用，還承受了三級平臺樁后滑體一定的下滑力。二級平臺抗滑樁將貫穿滑帶，將其切斷成兩部分，前部滑帶剪切力分為兩段，下滑力由兩排樁共同承擔。經二級平臺抗滑樁加固后的坡體穩(wěn)定系數為1.25。

4 結論

在對江口至甕安高速公路某巖質高邊坡現場監(jiān)測數據分析的基礎上，結合FLAC3D數值模擬，在反演并評價了原抗滑樁加固治理后，得到滑坡所處應力狀況及穩(wěn)定性。根據反演結果結合變換樁位模型，計算得到合理的加固方案。結論如下。

(1)監(jiān)測數據分析表明：JC09監(jiān)測孔處滑帶深度為12～14 m，JC12位置處為6～8 m；且滑動類型為降雨誘發(fā)型，滑坡正處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)基于觀測資料，通過對三級平臺抗滑樁施工過程的反演分析，該滑坡加固后樁后滑體相對于樁前滑體剪切應變增量減小了60%；樁前滑體出現貫穿至坡腳處的剪應變帶，滑坡穩(wěn)定系數1.02。

(3)變換樁位模型得到的計算結果表明，合理的加固方案為加樁位置位于二級平臺，該工況滑坡所能達到的穩(wěn)定系數最高，為1.25。

(4)對原有的直接賦參計算理論進行了改進，基于監(jiān)測數據的反演計算得到滑坡研究所需的物理力學參數。結合單因素分析理念，獲得模擬計算后的最優(yōu)設計和施工方案。在驗證方法合理可行的基礎上初步解決了工程實際問題。