陳新國(guó)，章吟秋

（浙江數(shù)智交院科技股份有限公司，浙江 杭州 310030）

0 引言

隨著我國(guó)基建工程的不斷推進(jìn)，高速公路建設(shè)過(guò)程中所面臨的地質(zhì)條件越來(lái)越復(fù)雜。其中，軟弱夾層是較為常見(jiàn)的一種地質(zhì)構(gòu)造。當(dāng)軟弱夾層與邊坡走向一致時(shí)，該邊坡可以看作是順層邊坡。與普通邊坡不同，順層邊坡的穩(wěn)定性較差，常常會(huì)發(fā)生邊坡沿著軟弱夾層崩塌、滑落的現(xiàn)象，具有危害大、波及廣等特點(diǎn)[1-2]。

順層邊坡的穩(wěn)定性及治理一直是工程上的一大難題，許多學(xué)者針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了研究。何武等[3]針對(duì)順層邊坡進(jìn)行了二維和三維有限元的分析，提出了兩種臨界破壞范圍的確定方法；楊成等[4]通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)多層軟弱夾層的順層邊坡的變形過(guò)程、破壞范圍等進(jìn)行了分析；馮君等[5]利用地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)對(duì)陡傾狀的順層邊坡進(jìn)行了分析，給出了邊坡走向與巖層走向夾角的上限值。這些研究主要集中在軟弱夾層和邊坡傾角之間的關(guān)系，選取的邊坡傾角一般較小，大多不超過(guò)45°，而對(duì)于施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的陡坡率甚至于垂直開(kāi)挖的邊坡研究較少。

為了研究含軟弱夾層的陡坡率順層邊坡的破壞機(jī)理，本文以某高速公路建設(shè)中廢棄采石場(chǎng)區(qū)內(nèi)順層巖質(zhì)滑坡為實(shí)例，采用有限元軟件對(duì)滑坡的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程進(jìn)行分析，運(yùn)用強(qiáng)度折減理論計(jì)算加固后邊坡的整體穩(wěn)定性，為今后類(lèi)似滑坡的治理提供參考。

1 工程概況

浙江省三門(mén)灣大橋及接線(xiàn)高速公路K97+573～K97+681段右側(cè)路塹邊坡穿過(guò)陡坡丘陵區(qū)，區(qū)域內(nèi)分布零亂采坑，部分采坑中積水。2018年10月該段路塹區(qū)施工開(kāi)挖，施工過(guò)程中對(duì)巖質(zhì)邊坡近乎垂直開(kāi)挖，右側(cè)邊坡開(kāi)挖后坡腳處揭露出軟弱夾層，隨后出現(xiàn)邊坡整體滑塌現(xiàn)象。

1.1 路塹區(qū)地質(zhì)概況

路塹區(qū)侏羅系上統(tǒng)西山頭組（J3x）中風(fēng)化基巖直接裸露，上部巖性為塊狀含晶屑玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r，下部為層狀沉凝灰?guī)r。主要發(fā)育兩組節(jié)理：（1）80°∠85°，（2）315°∠75°，節(jié)理延伸長(zhǎng)，波狀起伏，有錯(cuò)動(dòng)跡象及泥化薄膜。

開(kāi)挖過(guò)程中揭露的軟弱夾層巖性為沉凝灰?guī)r，中～薄層狀，層面為波狀，有起伏，總體傾向東，傾角緩，約5～10°，厚度5～12cm，層間可見(jiàn)擠壓，有綠泥石化蝕變，遇水易軟化。

1.2 滑坡概況

滑坡平面形態(tài)呈近圓弧狀，滑坡體前緣及后緣高程約20m；滑坡體長(zhǎng)約108m，中部寬約28.9m，面積約1803m2，體積約110068m3，滑坡形態(tài)如下圖1（a）所示。

如圖2所示，邊坡滑移前坡體近垂直開(kāi)挖形成陡坡率坡面，滑塌時(shí)坡體前緣首先出現(xiàn)大面積土石崩落現(xiàn)象，隨后滑塌體沿軟弱夾層整體向前推移，出現(xiàn)明顯滑動(dòng)的巖體平均厚度約20m，滑塌范圍以外坡頂存在多處裂縫，裂縫距離滑塌體后緣約8m，如圖1（b）所示。

圖1 滑塌體現(xiàn)狀

圖2 滑塌過(guò)程實(shí)拍

2 邊坡穩(wěn)定性分析

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況與地質(zhì)條件分析，該路段施工過(guò)程中對(duì)巖質(zhì)邊坡近垂直開(kāi)挖，坡頂沿原有的節(jié)理裂隙產(chǎn)生卸荷拉張裂隙，隨著裂隙不斷發(fā)育擴(kuò)大，與下伏軟弱夾層貫通，坡頂采坑區(qū)積水沿裂隙滲入下部軟弱夾層，導(dǎo)致軟弱夾層軟化并產(chǎn)生孔隙水壓力；同時(shí)因坡腳應(yīng)力集中使軟弱夾層受擠壓破壞，最終導(dǎo)致邊坡整體垮塌。

3 有限元數(shù)值模擬

3.1計(jì)算方法

基于強(qiáng)度折減理論的安全系數(shù)定義為[6]：假定結(jié)構(gòu)處于臨界平衡狀態(tài)時(shí)的穩(wěn)定安全系數(shù)為K，則此時(shí)材料的臨界強(qiáng)度參數(shù)黏聚力c’和內(nèi)摩擦角?’取值與材料本身的c和?之間可以用公式（1）和公式（2）表示：

式中：K為穩(wěn)定安全系數(shù)即為強(qiáng)度折減系數(shù)；c為材料的黏聚力，kPa；?為材料的內(nèi)摩擦角，°；c’為材料的臨界黏聚力，kPa；?’為材料的臨界內(nèi)摩擦角，°。

邊坡穩(wěn)定性分析采用收斂性判據(jù)，即以計(jì)算過(guò)程中迭代是否收斂為依據(jù)。

3.2 有限元模型建立

根據(jù)K97+642斷面實(shí)測(cè)開(kāi)挖坡面形狀與軟弱夾層的走向，建立邊坡臨界穩(wěn)定模型。數(shù)值模型底部固定，左側(cè)法向約束，右側(cè)采用自由邊界。巖體采用摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則，通過(guò)反算的方法確定土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，從而得到安全系數(shù)F=1.0時(shí)對(duì)應(yīng)的臨界穩(wěn)定模型，具體計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 數(shù)值模擬參數(shù)（臨界狀態(tài)）

3.3 邊坡滑塌過(guò)程反演

本文對(duì)滑坡的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較和分析，對(duì)滑坡的發(fā)展過(guò)程進(jìn)行反演。

本文建立的模型在達(dá)到臨界穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的滑裂面如圖3所示，滑裂面為直線(xiàn)型，滑坡滑移剪出點(diǎn)在坡腳的位置，滑裂面的終點(diǎn)距離滑坡前緣約14.6m。為了進(jìn)一步對(duì)滑坡發(fā)展過(guò)程進(jìn)行反演，在上述模型的基礎(chǔ)上對(duì)部分土體進(jìn)行卸載，并計(jì)算邊坡穩(wěn)定性。結(jié)合滑坡實(shí)際情況，確定卸載的土體范圍為三角形，剖面邊長(zhǎng)分別為9.4m和17.8m，計(jì)算得到卸載后邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.145，坡體的潛在滑裂面為折線(xiàn)型，如圖4所示。

圖3 初始邊坡滑裂面模擬

圖4 卸載后滑裂面模擬

通過(guò)對(duì)兩次計(jì)算結(jié)果對(duì)比可知，陡坡率順層邊坡的破壞可以分為兩個(gè)階段：

（1）誘發(fā)階段：由于邊坡開(kāi)挖產(chǎn)生陡坡率，在自身重力及孔隙水壓力的聯(lián)合作用下，邊坡發(fā)生失穩(wěn)，該階段與普通陡坡率邊坡的破壞機(jī)制相同，都是由于抗力小于荷載，安全系數(shù)小于1，進(jìn)而產(chǎn)生的破壞；

（2）發(fā)展階段：由于上一階段的產(chǎn)生，邊坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，同時(shí)，第一階段邊坡的失穩(wěn)還會(huì)產(chǎn)生動(dòng)力作用，引起軟弱夾層的破壞，進(jìn)而引起整個(gè)邊坡的失穩(wěn)。

因此，通過(guò)數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以看出，軟弱夾層并不是原邊坡第一次滑塌的控制因素，邊坡部分坡體滑塌是因?yàn)榇怪遍_(kāi)挖的施工工藝導(dǎo)致的，但是首次滑塌所引起震動(dòng)以及應(yīng)力釋放可能是后續(xù)滑坡整體滑移的誘因之一。通過(guò)部分土體的滑坡和卸載后，邊坡開(kāi)始沿軟弱夾層滑移，與實(shí)際邊坡后續(xù)的滑塌情況相符合。

將計(jì)算得到的滑裂面與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比較，如圖5所示。實(shí)測(cè)得到本次滑坡該斷面滑塌體厚約17.9m，滑塌后坡體仍存在裂縫，裂縫距離滑塌體后緣約10m左右。本次模擬得到的潛在裂縫D位置如圖3所示，位于B-C之間，距離滑坡體后緣約8m，距離后方裂縫約2m。這可能是因?yàn)樵瓗r體存在多處裂隙，滑坡實(shí)際發(fā)展的過(guò)程中滑塌體僅部分滑落時(shí)，其引起的震動(dòng)以及應(yīng)力釋放誘發(fā)了坡頂原有節(jié)理裂隙的擴(kuò)展，與下部軟弱夾層貫通，形成了實(shí)際滑面。

圖5 模擬結(jié)果對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比（單位：m）

數(shù)值模擬的結(jié)果和實(shí)際相比雖然存在一定的誤差，但考慮到實(shí)際地質(zhì)情況的復(fù)雜性，本文所建立的臨界穩(wěn)定模型整體較為合理，能對(duì)滑坡的發(fā)展作出較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。

4.4 治理后邊坡穩(wěn)定性分析

邊坡主要采用削坡卸載，坡腳錨固梁加固結(jié)合前緣反壓等多種方法對(duì)滑坡進(jìn)行治理。本文臨界穩(wěn)定模型的基礎(chǔ)上，對(duì)治理后邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬。

首先采用削坡卸載的方式清理滑塌體，卸載后邊坡坡率為1∶0.75，考慮到此時(shí)坡體內(nèi)最不利位置處于坡腳處，設(shè)計(jì)對(duì)坡腳采用錨固梁進(jìn)行加固，其中錨桿加固方向與坡面垂直，桿長(zhǎng)6m，縱向間距2m，每根錨桿施加180kN的預(yù)應(yīng)力，其他具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 數(shù)值模擬參數(shù)（治理后邊坡）

通過(guò)數(shù)值模擬得到邊坡加固后整體位移分布如圖6所示，此時(shí)坡腳的位移值最大，達(dá)到14cm，對(duì)應(yīng)的邊坡整體安全系數(shù)為1.4。滿(mǎn)足規(guī)范穩(wěn)定性要求。

圖6 錨固梁加固位移分布（單位：m）

基于高速公路建設(shè)中景觀要求的考慮，設(shè)計(jì)采用土石混合料對(duì)坡體前緣進(jìn)行反壓，對(duì)反壓后的邊坡進(jìn)行數(shù)值分析，坡體內(nèi)位移分布如圖7所示，計(jì)算得到邊坡整體的安全系數(shù)為1.727。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，增加前緣反壓的設(shè)計(jì)，坡腳處的位移值由14cm減少到12cm，安全系數(shù)從1.40提升至1.727，安全系數(shù)提高了23.3%。

圖7 前緣反壓位移分布（單位：m）

5 結(jié)語(yǔ)

本文以含軟弱夾層的陡坡率順層巖質(zhì)滑坡為實(shí)例，采用有限元軟件對(duì)滑坡的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程和治理前后的整體穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）邊坡開(kāi)挖產(chǎn)生的陡坡率引起卸荷拉張裂隙發(fā)展引起的前緣巖體崩塌是滑坡誘發(fā)階段，后緣巖體沿順層軟弱夾層滑動(dòng)是滑坡的發(fā)展階段。

（2）結(jié)合數(shù)值模擬分析采用后緣卸載、坡腳錨固梁加固以及前緣反壓等加固措施之后，滑坡的穩(wěn)定性大幅提高，整體穩(wěn)定安全系數(shù)達(dá)到1.727。結(jié)合治理邊坡運(yùn)營(yíng)階段良好的表現(xiàn)可知以上滑坡治理措施安全有效，因此采用數(shù)值模擬分析巖體穩(wěn)定性的方法可行。

（3）公路工程若無(wú)法避讓地形地貌改造強(qiáng)烈的山區(qū)地段，應(yīng)盡量放緩邊坡開(kāi)挖坡率并注意地表積水對(duì)巖體裂隙發(fā)育的影響，否則若巖體卸荷裂隙發(fā)育并與軟弱夾層貫通后，可能誘發(fā)大范圍邊坡滑塌，使治理難度和處治費(fèi)用大幅提高。