李世貴 許 倩

（1.湖北省鄂西地質(zhì)工程勘察院，湖北宜昌 443000；2.三峽大學(xué)，湖北宜昌 443000）

0 引言

我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，基礎(chǔ)工程建設(shè)開始深入山區(qū)，邊坡治理工程量急劇增多，范圍和規(guī)模擴(kuò)大，邊坡工程治理水平隨之不斷提高。目前，邊坡工程治理方法包括排水、刷方、減重、填土壓腳、設(shè)置擋墻、巖石噴錨、格構(gòu)錨固、抗滑樁等，也可以將多種治理方法結(jié)合使用[1-7]。劉海亭等[1]采用“刷坡卸載+微型鋼管樁”對(duì)某高邊坡進(jìn)行了治理，使邊坡的安全系數(shù)得到了明顯提高；盧 乾等[3]采用“覆蓋層開挖+混凝土貼坡?lián)鯄?微型鋼管樁+預(yù)應(yīng)力錨桿”的邊坡治理方案，對(duì)水電站壩肩邊坡進(jìn)行了綜合處理，取得了良好的效果；吳紅剛等[4]對(duì)山區(qū)高填方邊坡樁-錨-加筋土組合結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作性能進(jìn)行了優(yōu)化研究，有效解決了任意斷面剖切設(shè)計(jì)計(jì)算的困擾；王 浩等[5]采用雙排錨索抗滑樁治理超高路塹邊坡，成功對(duì)該邊坡的關(guān)鍵施工步驟進(jìn)行了主動(dòng)控制。上述治理方法各有其優(yōu)點(diǎn)，也有其局限性。不合理的治理方案不僅會(huì)延誤工期，造成大量資金浪費(fèi)，嚴(yán)重者還會(huì)引發(fā)工程滑坡。如刷方減重方法簡(jiǎn)單，施工方便，阻滑效果好，深受廣大設(shè)計(jì)者們的青睞，但在實(shí)際工程中卻出現(xiàn)很多在邊坡前緣抗滑段刷方或者減重，誤認(rèn)為是因邊坡坡率陡而不穩(wěn)定，采用刷方減重放緩邊坡坡率，結(jié)果反而削弱了邊坡的抗滑力，進(jìn)而引起邊坡滑塌，教訓(xùn)十分深刻[8]。

為研究邊坡體減重壓腳的組合治理效果， 以湖北省神農(nóng)架林區(qū)某欠穩(wěn)定邊坡為例，設(shè)計(jì)了四種減重壓腳治理方案，采用數(shù)值模擬分析方法篩選最優(yōu)方案，以期指導(dǎo)實(shí)際施工。

1 工程概況

該邊坡位于湖北省神農(nóng)架林區(qū)，屬構(gòu)造剝蝕中高山區(qū)，植被較發(fā)育，基巖局部裸露。該邊坡在降雨期間，曾多次發(fā)生局部坍塌和滑移，現(xiàn)狀處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨等特殊工況下，有可能發(fā)生整體滑移，危及下方居民的人身和財(cái)產(chǎn)安全。

邊坡總體形態(tài)呈“舌”型，其后緣高程約1715 m，前緣高程1640 m，相對(duì)高差75 m。邊坡縱長(zhǎng)約230 m，寬度為80～100 m，堆積體平均厚度約21 m，體積約41.0×104m3，邊坡潛在主滑方向330°（見圖1）。

圖1 邊坡工程地質(zhì)平面圖

該邊坡堆積體物質(zhì)主要由第四系殘坡積（Q4el+dl）碎、礫石土組成，碎、礫石主要成分為白云巖、板巖等。粒徑5～100 mm，局部夾200 mm 以上的塊石和2 m 左右的大孤石。碎、礫石多呈次棱角狀，骨架顆粒部分接觸，分布不均勻，其間為黏土和細(xì)顆粒充填。堆積體厚度在中部最厚，前部及后部稍薄，為潛在滑體。

軟弱層為第四系殘坡積（Q4el+dl）礫石土，礫石成分為白云巖、板巖等，粒徑5～10 mm，多呈次棱角狀；土為粉質(zhì)黏土，黏性強(qiáng)，多呈可塑狀，土石質(zhì)量比約為5∶5。本層礫石土覆蓋于基巖之上，為軟弱層，是不穩(wěn)定邊坡潛在滑動(dòng)面，厚度0～2.50 m，平均厚1.40 m?；鶐r為神農(nóng)架群（Ptsh）白云巖，巖層產(chǎn)狀為283°∠42°（見圖2）。

圖2 原邊坡3-3’工程地質(zhì)剖面圖

依據(jù)技術(shù)先進(jìn)、施工便利、安全可靠及經(jīng)濟(jì)合理性等原則[9]，建議對(duì)該欠穩(wěn)定邊坡采用挖方減重+回填壓腳+地表排水的綜合措施進(jìn)行治理。

2 原邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 模型建立

選取該邊坡沿主滑方向的主剖面3-3’作為研究對(duì)象，運(yùn)用南京庫侖公司開發(fā)的GEO5 軟件中的土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析模塊，分別對(duì)該剖面建立天然/降雨工況下的穩(wěn)定性分析模型，模型尺寸嚴(yán)格按照原剖面3-3’繪制，分為堆積體、軟弱層、基巖三個(gè)區(qū)域，采用條分法分別計(jì)算天然工況及降雨工況下邊坡的穩(wěn)定性。

2.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)地勘成果以及反演分析結(jié)果，結(jié)合類似地質(zhì)條件工程經(jīng)驗(yàn)等綜合分析，最終確定不穩(wěn)定邊坡的巖土計(jì)算參數(shù)（見表1）。

表1 物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)法

2.3 條塊劃分

條分法是將邊坡滑動(dòng)土體豎直分成若干條塊，并把各條塊當(dāng)成剛體，分別求作用在各條塊上的力對(duì)圓心的滑動(dòng)力矩和抗滑力矩，然后求邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)[10]。

由于條塊數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果影響較大，不合理的條塊劃分會(huì)影響邊坡治理方案設(shè)計(jì)的安全性和經(jīng)濟(jì)性[11]。因此，有必要首先研究條塊數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響規(guī)律，進(jìn)而獲得比較合理的條塊劃分。

依據(jù)文獻(xiàn)[9]的條塊劃分順序，選用建筑邊坡規(guī)范推薦的傳遞系數(shù)法（隱式解）[9,12]求解，并跟國(guó)際上通用的Morgenstern-price 法[8,13]做檢核，分別計(jì)算不同條塊數(shù)下3-3’剖面在天然/降雨工況時(shí)的穩(wěn)定性系數(shù)（見表2），其與條塊數(shù)間的關(guān)系曲線見圖3、圖4。

表2 不同條塊數(shù)下3-3’剖面的穩(wěn)定性系數(shù)

從圖3、圖4和表2可以看出：①在天然/降雨工況下，采用傳遞系數(shù)法計(jì)算得到的不同條塊數(shù)下該邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)的極差分別為0.028、0.027，采用Morgenstern-price 法計(jì)算得到的不同條塊數(shù)下該邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)的極差分別為0.026、0.025，可見條塊數(shù)的多少對(duì)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果影響較大；②傳遞系數(shù)法跟嚴(yán)格的Morgenstern-Price 法計(jì)算結(jié)果比較接近，隨著條塊數(shù)的增加，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)呈現(xiàn)先快速下降后逐步趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)；③當(dāng)條塊數(shù)達(dá)到20 個(gè)以上時(shí)，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)基本趨于穩(wěn)定。

圖3 天然工況下邊坡穩(wěn)定系數(shù)–條塊數(shù)關(guān)系曲線

圖4 降雨工況下邊坡穩(wěn)定系數(shù)–條塊數(shù)關(guān)系曲線

由于邊坡滑面為折線形滑面，條塊數(shù)太少會(huì)導(dǎo)致原始坡面和滑面失真，使得滑面控制點(diǎn)處傾角變化大于10°，計(jì)算結(jié)果偏危險(xiǎn)[11]；而條塊數(shù)過多則會(huì)導(dǎo)致模型更復(fù)雜，計(jì)算量陡增。鑒于此，所建模型條塊數(shù)均取23 個(gè)。

2.4 主滑段與抗滑段劃分

該欠穩(wěn)定邊坡滑動(dòng)面后緣陡，前緣較平緩，存在明顯的抗滑段和主滑段。減重只能在邊坡上部主滑段進(jìn)行，壓腳只能在邊坡前緣抗滑段及其以外回填土石，如在邊坡前緣抗滑段挖方或在中上部主滑段填方，則進(jìn)一步削弱了邊坡的抗滑力或增加下滑力，均不利于邊坡的穩(wěn)定。文獻(xiàn)[14-15]采用Gisinθi-μGicosθi＞0 來確定滑坡的主滑段，此法忽略了黏聚力及條間力的作用。本文在邊坡穩(wěn)定性分析模型中，提出采用傳遞系數(shù)法隱式解，分別計(jì)算出天然工況及降雨工況下各條塊的剩余下滑力Pi。如果Pi+1-Pi＞0，條塊位于主滑段，反之，則位于抗滑段；如果Pi+1-Pi=0，條塊位于抗滑段與主滑段的分界線上。

根據(jù)各條塊剩余下滑力曲線（見圖5），降雨工況下第10 條塊與第11 條塊的分界線為邊坡抗滑段與主滑段的分界線；天然工況下第12 條塊與第13 條塊的分界線為邊坡抗滑段與主滑段的分界線（見圖6）。出于安全考慮，建議取降雨工況下第10 條塊與第11 條塊的分界線作為邊坡抗滑段與主滑段的分界線。

圖5 邊坡剩余下滑力–條塊數(shù)關(guān)系曲線

圖6 抗滑段與主滑段分界計(jì)算結(jié)果圖

3 減重壓腳方案

減重壓腳治理方案設(shè)計(jì)，首先要確定在哪個(gè)位置減，其次減多少方，以及如何壓腳。本文根據(jù)邊坡工程地質(zhì)條件及上文計(jì)算成果，設(shè)計(jì)了四種方案（見圖7）。方案一：在1-6 條塊所處位置挖方244 m3，全部壓在坡腳處；方案二：在1-9 條塊所處位置挖方514 m3，全部壓在坡腳處；方案三：在2-9 條塊所處位置挖方518 m3，全部壓在坡腳處；方案四：在2-9 條塊所處位置挖方228 m3，全部壓在坡腳處。

圖7 減重壓腳治理方案圖

對(duì)以上四種方案分別建立天然/降雨工況下的穩(wěn)定性分析模型，采用傳遞系數(shù)法計(jì)算出與之對(duì)應(yīng)的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)和滑動(dòng)面前緣剩余下滑力。

4 減重壓腳治理效果評(píng)價(jià)

通過模擬四種邊坡治理方案，從穩(wěn)定性系數(shù)、滑動(dòng)面前緣剩余下滑力及方案性價(jià)比三個(gè)方面，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從中選出最優(yōu)方案。

4.1 穩(wěn)定性系數(shù)及前緣剩余下滑力

根據(jù)規(guī)范[16]要求，治理后邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)需達(dá)到1.15 以上。將四種減重壓腳方案的穩(wěn)定性系數(shù)和滑動(dòng)面前緣剩余下滑力計(jì)算結(jié)果與原剖面進(jìn)行對(duì)比（見表3）。

表3 四種方案的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)和剩余下滑力

從表中可以看出，經(jīng)四種方案治理后，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)均提高了。其中方案二和方案三治理效果較好，穩(wěn)定性系數(shù)均滿足了規(guī)范要求，相應(yīng)的滑動(dòng)面前緣剩余下滑力也降為了0；而方案一和方案四在降雨工況下穩(wěn)定系數(shù)均達(dá)不到規(guī)范要求，滑動(dòng)面前緣仍存在剩余下滑力，尚需輔以其他支擋工程才能永久穩(wěn)定邊坡。

4.2 方案性價(jià)比型

由上述分析可得，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)和剩余下滑力跟挖方減重方量及挖方部位關(guān)系較大。不合理的治理方案，挖方及回填總量多，穩(wěn)定性系數(shù)提高的卻少，造成了不必要的資金浪費(fèi)，也延長(zhǎng)了工期。本文對(duì)降雨工況下滿足規(guī)范要求的方案二和方案三的性價(jià)比進(jìn)行了對(duì)比分析，定義性價(jià)比W=穩(wěn)定性系數(shù)的增量ΔFs/總造價(jià)S[14]，并設(shè)單寬每m3挖方和填方的造價(jià)為b。計(jì)算結(jié)果（見表4）表明，方案二的性價(jià)比最高，應(yīng)優(yōu)先考慮。

表4 兩種方案性價(jià)比計(jì)算表

5 結(jié)論

通過折線形土質(zhì)邊坡實(shí)例，研究了不同條塊數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的影響規(guī)律，并對(duì)原邊坡主剖面3-3’進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，得出了抗滑段和主滑段的分界線。在上述基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了四種減重壓腳組合治理方案，分別從邊坡體穩(wěn)定性系數(shù)、滑動(dòng)面前緣剩余下滑力、方案性價(jià)比三個(gè)方面綜合評(píng)價(jià)了邊坡的治理效果，并得出以下結(jié)論：

（1）條塊數(shù)對(duì)該邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果影響較大，隨著條塊數(shù)的增加，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)呈現(xiàn)先快速下降后逐步趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。

（2）邊坡的剩余下滑力曲線可以快速、準(zhǔn)確地劃分出邊坡的主滑段和抗滑段，進(jìn)而確定挖方減重范圍。

（3）通過對(duì)邊坡體的穩(wěn)定性系數(shù)、滑動(dòng)面前緣剩余下滑力及治理方案性價(jià)比綜合分析，合理、有效地調(diào)整治理方案，用較少的挖方量和回填量，獲得較高的穩(wěn)定性系數(shù)，不僅節(jié)約了工程造價(jià)，也縮短了工期。

（4）本文減重壓腳治理方案整體設(shè)計(jì)思路可以應(yīng)用到類似邊坡及滑坡治理工程中， 對(duì)其減重壓腳位置的選擇和確定具有一定的指導(dǎo)意義。