喬文號，湯 華，尹小濤，吳振君，魯志強

（1.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430071； 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049； 3.云南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650041）

0 引言

隨著山區(qū)公路建設(shè)的蓬勃發(fā)展，工程建設(shè)中遇到的邊坡數(shù)量和規(guī)模不斷增大，其災(zāi)害影響也不斷提高，給公路工程的正常施工和運營帶來了巨大的安全隱患。因此，為保障公路的安全，必須通過邊坡問題預(yù)研和加固管控邊坡安全威脅［1］。

邊坡失穩(wěn)破壞是內(nèi)部和外部因素共同作用的結(jié)果，影響邊坡穩(wěn)定性的因素主要包括：邊坡的土體強度、邊坡的外形、地震、降雨、人類活動等［2］。目前國內(nèi)外研究主要集中于分別探討降雨和地震荷載下邊坡的穩(wěn)定性［3-6］：高俊麗［7］基于多孔介質(zhì)降雨條件下的入滲模型，提出非飽和滲流微分方程，將邊坡非穩(wěn)定滲流轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定滲流；劉子振等［8］基于極限平衡條分法研究降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明滲流力的作用效果和條間力隨降雨入滲深度增大而減??；黃潤秋［9］等認(rèn)為地震作用下邊坡產(chǎn)生滑動主要分為以下階段：坡體震裂、松弛階段、高速潰滑階段、震動堆積階段、二次拋射和碎屑流堆積階段；祁生文［10］等探討了地震作用下邊坡的破壞機理，認(rèn)為地震時邊坡的破壞由地震力和坡體內(nèi)孔隙水壓力急劇增大共同導(dǎo)致。上述成果在一定程度上揭示了邊坡在降雨和地震等不同工況下的穩(wěn)定性，但是國內(nèi)外對于降雨和地震耦合作用下邊坡的穩(wěn)定卻鮮有研究［11-14］。本文通過開展老南瓜塘邊坡的工程地質(zhì)調(diào)研和數(shù)值仿真，分析其在降雨、地震、降雨與地震耦合作用等工況下的工程穩(wěn)定性，評估其變形破壞機制，探討安全應(yīng)對措施，并為類似邊坡問題的安全控制提供經(jīng)驗。

1 工程概況

老南瓜塘邊坡位于大永高速公路排營段1號隧道出口和2號隧道進口間的山間凹地，坡體多為殘坡積沖洪積和崩塌堆積的松散層為主，自然地形坡度約30°。鉆探揭露，上部15～20 m處多為塊石土、碎石土。山間洼地容易形成粘土、粉砂土軟弱夾層，坡面植被較發(fā)育，造成土中有機質(zhì)含量高，且強度較低，在不利條件下容易產(chǎn)生蠕變滑移，見圖1和圖2。

大永高速公路排營段地處我國西南邊陲云南省大理市賓川縣和永勝縣交界處，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，冬春干旱，夏秋多雨，年均降雨量936.4 mm，但分布不均，85%的降水集中在6月—9月，干濕季節(jié)分明。老南瓜塘邊坡區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，構(gòu)造活動期次較多，地震活動頻繁。邊坡處于中甸—大理地震帶內(nèi)，地震活動相對強烈，故該邊坡區(qū)域劃分為對建筑抗震不利地段。根據(jù) 《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2015），本區(qū)地震動峰值加速度為0.20g，對應(yīng)地震基本烈度為Ⅷ度，地震動反映普特征周期0.45 s。

圖1 現(xiàn)場平面圖Figure 1 Site plan

圖2 老南瓜塘邊坡場地地貌Figure 2 Slope site landform

2 數(shù)值模型及參數(shù)反分析

通過邊坡穩(wěn)定狀態(tài)反分析得到坡體材料強度參數(shù)是巖土工程領(lǐng)域常用的評價手段，本文考慮到初次勘探時未發(fā)現(xiàn)洼地處不良地層，排營1號隧道出口和2號隧道進口設(shè)計采用橋梁連接，施工3號橋梁基礎(chǔ)施工后 （雨季）進行橋墩對接時，第一次出現(xiàn)橋基偏位，由于偏移量較大，施工方認(rèn)為是基礎(chǔ)樁放位誤差造成的偏位，便采取了棄樁二次施工措施。第二次施工樁基礎(chǔ)后，準(zhǔn)備接樁時，再次發(fā)現(xiàn)偏位，且經(jīng)過一段時間的監(jiān)測，變形仍在發(fā)展中，此時坡頂板房附近出現(xiàn)較大的脫坡陡坎，高差30～50 cm，即坡體出現(xiàn)明顯的滑移，不僅威脅3號橋樁的穩(wěn)定，進一步發(fā)展還影響相鄰的橋樁橋臺的穩(wěn)定性?？紤]到現(xiàn)場情況，初步認(rèn)定是勘探人員在干季勘探時忽略了坡體在降雨作用下土體強度降低，因此隨著雨季的到來該滑坡出現(xiàn)變形滑移，見圖3和圖4。

圖3 邊坡典型斷面圖Figure 3 Typical landslide profile

圖4 變形脫坡Figure 4 The deformation of slope

因此反分析時認(rèn)定干季時邊坡處于相對穩(wěn)定狀態(tài) （Fs＞1.0）；雨季過后邊坡出現(xiàn)蠕變滑移，此時邊坡處于滑動階段 （Fs＜1.0）?？紤]降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響主要通過簡化降雨入滲邊界，滲流計算為非飽和非穩(wěn)定滲流，采用GeoStudio建立圖5所示滑坡模型，總計4 184個節(jié)點，4 073個單元。利用工程類比和數(shù)值反分析，綜合確定了表1所示的主要巖土力學(xué)參數(shù)。

圖5 老南瓜塘邊坡地質(zhì)模型Figure 5 Geological model of old pumpkin pond slope

表1 主要巖土力學(xué)參數(shù)表Tabure 1 Table of major geotechnical parameters

3 降雨工況穩(wěn)定性演化機制

降雨入滲過程主要受降雨強度和降雨持續(xù)時間的影響，在進行數(shù)值計算時選取了氣象部門規(guī)定的中 雨 （50 mm／d）、大 雨 （100 mm／d）、 暴 雨（150 mm／d）3個雨量等級，降雨持續(xù)時間統(tǒng)一為5 d。采用Geostudio巖土軟件中的SEEP／W模塊對降雨入滲過程進行模擬，并同SLOPE／W模塊進行耦合計算，將有限單元法和極限平衡法相結(jié)合分析計算非飽和狀態(tài)下瞬態(tài)孔隙水壓力對應(yīng)的邊坡穩(wěn)定性。

先通過穩(wěn)態(tài)分析計算出天然狀態(tài)下孔隙水壓力如圖6所示，地下水位以下孔隙水壓力為正，地下水位以上孔隙水壓力為負(fù)，孔隙水壓力隨深度呈線性分布。以大雨工況 （100 mm／d）為例圖7和圖8給出了降雨開始1.5 h和降雨結(jié)束時的孔隙水壓力分布圖，從圖中可以看出在降雨開始時，邊坡表層土體最先受到影響，土體負(fù)孔隙水壓力增大，逐漸形成暫態(tài)飽和區(qū)。隨著雨水繼續(xù)入滲，地下水位開始抬升，在降雨過程中坡腳最先開始積聚雨水，隨后慢慢向上發(fā)展，到降雨結(jié)束時水位線已經(jīng)上升到坡腳以上的坡面位置。

圖6 天然狀態(tài)孔隙水壓力圖Figure 6 Natural pore water pressure

圖7 降雨1.5 h孔隙水壓力圖Figure 7 Rainfall 1.5 h pore water pressure

圖8 降雨結(jié)束時孔隙水壓力圖Figure 8 Pore water pressure at the end of rainfall

降雨入滲過程中表層土體孔隙水壓力不斷增大，土體的基質(zhì)吸力隨孔隙水壓力的變大而減小，基質(zhì)吸力的變化將導(dǎo)致邊坡土體強度減少，因此降雨入滲將改變邊坡的安全系數(shù)。圖9給出了3種降雨強度下邊坡安全系數(shù)變化圖。從圖中可以看出，在3種降雨強度下邊坡安全系數(shù)的變化趨勢相一致：邊坡安全系數(shù)隨著降雨的持續(xù)不斷降低，當(dāng)降雨結(jié)束后安全系數(shù)還會出現(xiàn)一定程度的降低，隨后趨于平穩(wěn)。即安全系數(shù)隨降雨的變化而變化存在一定的滯后現(xiàn)象，安全系數(shù)最低值并不是降雨結(jié)束時，因此邊坡最不穩(wěn)定狀態(tài)是在降雨結(jié)束后一段時間而非降雨結(jié)束時。

圖9 不同雨強對應(yīng)安全系數(shù)圖Figure 9 Different rain intensity corresponds to the safety factor

從表2不同降雨強度安全系數(shù)的變化值可以看出：相同的降雨持續(xù)時間，不同降雨強度對應(yīng)的安全系數(shù)降幅也不同，降雨強度越大，降幅越大，對應(yīng)的安全系數(shù)最小值也越小。在中雨工況下邊坡最小安全系數(shù)為1.018，大雨工況下邊坡最小安全系數(shù)為0.919，暴雨工況下邊坡最小安全系數(shù)為0.829，大雨和暴雨工況下邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，中雨工況下也小于規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)，因此降雨工況下邊坡不滿足工程穩(wěn)定性要求，需要進行加固處理。

表2 不同雨強安全系數(shù)變化值Table 2 Different rain intensity safety coefficient variation value

4 地震工況穩(wěn)定性評價

地震作用下邊坡變形失穩(wěn)主要是地震動力和孔隙水壓力共同作用的結(jié)果［15］，進行地震工況模擬時，選取EL Centro地震波前10 s的水平分量進行計算見圖10，不考慮垂向地震動系數(shù)對邊坡的影響，分別分析地震烈度為7度、8度、9度 （峰值加速度為0.1g、0.2g、0.3g）的3種不同工況。

圖10 地震加速度時程曲線Figure 10 Seismic acceleration time history curve

圖11為峰值加速度為0.1g時邊坡安全系數(shù)，從圖中可以看出由于動剪力隨震動時間而不同，邊坡的安全系數(shù)也是時間的函數(shù)，在地震荷載作用下，邊坡瞬間進入失穩(wěn)狀態(tài)并不一定導(dǎo)致邊坡破壞。從圖12坡表監(jiān)測點位移圖可知在2.8 s時安全系數(shù)達到最低，但是坡表位移并沒有達到最大值，因此用最小安全系數(shù)來評價地震過程中邊坡的穩(wěn)定性偏于保守。

圖11 安全系數(shù)隨時間變化圖 （0.1g）Figure 11 Safety factor changes with time（0.1g）

圖12 坡表監(jiān)測點位移圖 （0.1g）Figure 12 Slope table monitoring point displacement map（0.1g）

評價邊坡在地震作用下的穩(wěn)定性主要有安全系數(shù)和永久位移兩個指標(biāo)［16-17］，本文采用動力有限元法和Newmark法計算分析老南瓜塘邊坡在地震作用下的穩(wěn)定性。Newmark法通過對超出屈服加速度的地震加速度進行兩次積分運算，得到邊坡在地震作用下產(chǎn)生的不可恢復(fù)的永久位移，以永久位移的大小將邊坡劃分為：極低危險、低危險、中危險、高危險、極高危險5個等級［18］，見表3。

表3 地震滑坡危險度與永久位移關(guān)系Table 3 Relationship between seismic landslide risk and permanent displacement

從永久位移隨時間變化圖中可以看出 （見圖13）：在3種工況下永久位移的變化趨勢基本相同，在前期地震加速度較小時永久位移變化不明顯，隨著加速度的急劇變化，永久位移也隨之劇增。在7度地震荷載作用最大永久位移1.04 cm，地震滑坡危險度為高危險；在9度地震荷載作用下最大永久位移15.74 cm，地震滑坡危險度為極高危險；最大永久位移為33.66 cm，地震滑坡危險度為極高危險。因此在地震荷載作用下邊坡處于極高危險狀態(tài)狀態(tài)，需要進行加固處理。

圖13 永久位移隨時間變化圖Figure 13 Permanent displacement changes with time

5 地震＋降雨工況穩(wěn)定性分析

一般情況下降雨會持續(xù)幾十分鐘甚至數(shù)十小時，而地震只發(fā)生在幾分鐘甚至幾秒內(nèi)，為了探究地震和降雨耦合作用對邊坡的影響，本文在不同降雨持續(xù)時間點 （3、21、48、120 h）施加地震荷載以觀察邊坡的變化。圖14給出了降雨強度為50 mm／d時不同降雨持時施加地震荷載后通過Newmark法計算出的10 s內(nèi)永久位移隨時間變化圖，隨著降雨持續(xù)時間的增加其對應(yīng)的永久位移也在增大，降雨3 h時施加地震荷載最大永久位移為1.83 cm，降雨12 h時施加地震荷載最大永久位移為1.95 cm，降雨48 h時施加地震荷載最大永久位移為2.63 cm，降雨120 h時施加地震荷載最大永久位移為22.32 cm。

圖14 不同降雨持時作用地震荷載永久位移圖Figure 14 Permanent displacement map of seismic load with different rainfall duration

對比不同降雨強度和不同地震烈度組合作用下邊坡的永久位移 （見表4）可以看出：①前期降雨會加劇地震對邊坡的穩(wěn)定性的破壞，在7度地震烈度下，無前期降雨時邊坡永久位移僅為1.04 cm，當(dāng)降雨強度50 mm／d，降雨持續(xù)120 h時邊坡永久位移為22.32 cm，當(dāng)降雨強度100 mm／d，降雨持續(xù)120 h時邊坡永久位移為40.25 cm。②當(dāng)降雨持續(xù)時間較長時，相同地震力度下，前期降雨強度越大，邊坡的穩(wěn)定性越差。③當(dāng)降雨持續(xù)時間較短時，降雨強度改變對邊坡穩(wěn)定性幾乎沒有影響。

表4 不同工況永久位移值Table 4 Permanent displacement value under different working conditions

6 基于變形破壞機制和穩(wěn)定性評價的工程應(yīng)對措施

6.1 加固設(shè)計

考慮到老南瓜塘滑坡滑面相對較深，滑面以下巖體相對完整以及邊坡規(guī)模較大，坡表土體以碎石土為主，場地施工相對便利，設(shè)計采用抗滑樁支護。在勘察的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場地形地貌和橋樁變形結(jié)果，決定在3號橋樁的上部設(shè)置11根抗滑樁，樁間距6 m。由于橋樁位被以前變形的樁基占據(jù)，重新施工橋樁，與老橋基共同形成承臺。每個抗滑樁內(nèi)置了28根直徑為32 mm的二級鋼筋和30根直徑32 mm的三級鋼筋作為縱向受力鋼筋，另外在受拉側(cè)布置了4根20號A型工字鋼，縱向受力鋼筋非均勻布置，具體布置情況見圖15抗滑樁立面布置圖和圖16抗滑樁配筋圖。

圖15 抗滑樁平面布置圖Figure 15 The plan of anti-slide pile

圖16 抗滑樁配筋圖Figure 16 Reinforcement diagram of anti-slide pile

6.2 安全監(jiān)測和驗證

采用GeoStudio軟件中的slope模塊對邊坡加固后經(jīng)歷降雨過程進行復(fù)核評價，見圖17。數(shù)值計算顯示，加固后自然工況下邊坡的安全系數(shù)為1.46，降雨和地震共同作用工況下邊坡的安全系數(shù)為1.31。

為了監(jiān)測橋基是否變形發(fā)展和抗滑樁的穩(wěn)定性，在橋樁的右側(cè)兩根樁上不同深度位置各設(shè)置了5個鋼筋計，測量橋樁的內(nèi)力變化。在3、5、6號抗滑樁上埋設(shè)了測斜管，監(jiān)測抗滑樁受力后的變形發(fā)展變化。

根據(jù)測斜孔的時間-位移曲線結(jié)合現(xiàn)場實際情況可以看出5月—10月為雨季，此時滑動面土體由于近似飽和，強度降低，抗滑力減小，因而抗滑樁的變形較大，提供的抗滑力也較大。反之11月—次年4月為干季，滑體土層強度較高，潛在滑體穩(wěn)定性提高，所需抗滑樁提供的抗滑力較小，因此其變形量逐漸穩(wěn)定。

圖17 不同工況滑面位置及安全系數(shù)Figure 17 Slip surface position under different working conditions

圖18 CX-05測斜孔時間-位移曲線圖Figure 18 Time-displacement curve of CX-05 measuring oblique hole

7 結(jié)論

本文著重分析了老南瓜塘邊坡的破壞機制和安全應(yīng)對措施，通過數(shù)值計算對邊坡在自然、降雨、地震等不同工況進行模擬分析，并且同現(xiàn)場監(jiān)測信息相互印證，得到以下結(jié)論：

a.通過降雨工況計算可知，長時間降雨會降低邊坡的穩(wěn)定性，降雨強度越大影響越明顯。

b.邊坡穩(wěn)定性隨降雨持續(xù)而降低，存在一定滯后，邊坡最不穩(wěn)定狀態(tài)在降雨結(jié)束后一段時間，并非對應(yīng)降雨結(jié)束時。

c.地震荷載對邊坡穩(wěn)定性降低顯著，地震工況下老南瓜塘邊坡處于極度不穩(wěn)定狀態(tài)。

d.前期降雨會加劇地震對邊坡穩(wěn)定性的破壞，降雨強度越大，持續(xù)時間越久，影響越明顯。

e.由時間與變形關(guān)系可以看出，從抗滑樁施工的9月—10月份，為主要變形時間段，其后變形基本穩(wěn)定，這與當(dāng)?shù)氐臍夂蚧疽恢?，反映雨季滑動面飽和，抗剪強度低，有一定下滑力作用在抗滑樁上，這表明老南瓜塘滑坡破壞的主要是由降雨引起的。