地震作用下黑方臺黃土滑坡穩(wěn)定性分析及治理措施

馬學寧

（蘭州交通大學 土木工程學院，蘭州730070）

0 引 言

我國西北地區(qū)受青藏高原隆升的影響，地形起伏大，地質構造錯綜復雜，地震活動強，頻率高.2008年汶川大地震和2010年玉樹大地震表明我國地震活動正處于活躍期，地震作用下邊坡失穩(wěn)破壞引起的災害程度與自然地理、地質構造息息相關.

目前對地震作用下邊坡穩(wěn)定性分析常采用的方法有擬靜力法、紐馬克法以及動力有限元法等［1－4］.擬靜力法是工程上非常常見的方法［2］，其計算簡單、方便于工程應用，但是該方法的分析過程是在靜荷載下求得的，無法反映動荷載的性質.紐馬克法在國外得到了較普遍的應用［3］，但其缺乏破壞標準，無法對穩(wěn)定性進行判斷.動力有限元法是將每一時刻的動應力施加到結構上，按靜力方法計算了每個時刻穩(wěn)定安全系數，最后得出了安全系數隨時間的變化曲線，這三種方法各有特點和缺陷.基于此，本文以甘肅省永靖縣黑方臺黃土滑坡為依托，采用擬靜力法的有限元強度折減法和簡化畢肖普法對地震作用下該黃土滑坡在加固前后的穩(wěn)定性進行計算分析.

1 工程概況

1.1 滑坡區(qū)自然地理條件和地質條件

甘肅省永靖縣的黑方臺，屬于黃河四級階地，海拔高度為1700m左右，總面積約為13.44km2.該地帶分布有50多個滑坡，彼此疊置、相連，構成了滑坡發(fā)育群.滑坡區(qū)為3個區(qū)域：鹽鍋集河灣、焦家河灣和黃茨凸岸.滑坡類型最齊全、最密集的地帶分布在焦家河灣.

黑方臺焦家河灣崖頭滑坡全長800m左右，坡體走向NE30°.該段地形最陡（黃土段40°～45°；基巖段35°～50°），高度最大，黃土分布厚度為50～55 m.斜坡前緣空間狹窄，坡腳與公路相鄰，路面寬度為7～10m.滑坡所在地帶的地震動加速度峰值為0.10g，動力反應譜特征周期為0.45s，地震基本烈度為Ⅶ度.另外，這里交通繁忙、來往行人較多，一旦發(fā)生滑坡，將造成嚴重的災害.所以分析該滑坡在地震作用下的穩(wěn)定性，對保證該區(qū)域安全意義重大.

該滑坡主要土層組成為：①馬蘭黃土，厚30m，垂直裂隙發(fā)育；②離石黃土，厚18m，顏色較深；③亞粘土，該層較薄，厚約5m；④卵石層，厚約5m；⑤砂泥巖互層，厚約60m左右.

1.2 滑坡的形成條件

依據黑方臺地區(qū)崖頭滑坡的實際情況，經現(xiàn)場調查、分析得出，該滑坡形成的內因為地形地貌、地質構造、地層巖性，外因主要為地震作用、農業(yè)灌溉和降雨入滲.

1.2.1 內因

（1）地形地貌

黑方臺為黃土臺源地貌，地形平整開闊，呈長條形分布，其前緣與黃河相連，坡高100～125m，屬斜坡地形，整個坡體上陡下緩，平均坡度約為35°.且該地區(qū)植被覆蓋率較低，溝壑縱橫交錯，水土流失非常嚴重，為黃土滑坡的形成提供了必要的前提.

（2）地層巖性

黑方臺地區(qū)黃土層的特點：①疏松多孔、東厚西薄且垂直節(jié)理發(fā)育；②含有較多易溶鹽；③土質不均，有粘土夾層；④抗剪強度遇水后顯著下降.⑤新黃土干密度較小、孔隙率較大、變形大，而老黃土密度大、滲透性和壓縮性較??；⑥砂泥巖遇水易軟化、崩解，力學性質較差，屬不良滑床.

（3）地質構造

該滑坡地質構造復雜，造就了高陡的邊坡，使其基巖裂隙較發(fā)育，基巖的完整性很差，增大了基巖的透水性，為黃土滑坡的發(fā)育創(chuàng)造了良好的條件.

1.2.2 外因

（1）水的作用

黑方臺屬中溫帶半干早氣候，年平均氣溫10.1℃，最低氣溫－22.6℃，最高氣溫37.2℃，最大凍深109cm.年均降水293.2mm，以短時間內的集中降水為主，7～9月的降水量約為全年的70%～80%.另外，該區(qū)域農業(yè)灌溉地表水下滲也是滑坡的另一主要因素.

（2）人為因素

對該地區(qū)的黃土滑坡而言，人類活動對滑坡穩(wěn)定性的影響主要有兩方面原因：①開挖山體筑路，改變了坡體原有的平衡狀態(tài)；②農業(yè)灌溉改變了該地區(qū)水文地質條件，特別是后者對該滑坡的影響較大.

20世紀60年代中期該地區(qū)移民提灌工程，每年提灌5次左右，年均提水量678×104m3.由于漫灌，改變了該區(qū)域水文地質條件.目前，黃土層自20 m以下處于飽水軟塑狀態(tài)，卵石層底部形成了潛水層，現(xiàn)有泉眼63處.大面積灌溉和降雨入滲，將對滑坡體造成的影響為：①水的入滲增大了靜水壓力、動水壓力；②水滲至砂泥巖隔水層產生了浮力；③水入滲軟化土體，強度降低；④土體體含水量增加，自重增大，下滑力增加.

2 計算原理

2.1 簡化畢肖普法

簡化畢肖普法求解滑坡穩(wěn)定安全系數的一般公式為：

式（1）～（3）中：Fs為安全系數，W 為土條重力，N′為土條底邊法向有效力，c、φ分別為第i個土條底邊有效粘聚力和內摩擦角；Uα為孔隙水壓力；α為土條底邊傾角；R為土條底切向力的轉動半徑；f為土條底邊法向力轉動半徑.

同理可得地震作用下簡化畢肖普法求解滑坡穩(wěn)定安全系數的一般公式為：

式中，Q為地震作用力的水平分力；y為水平地震作用力對轉動圓心的距離.

當采用抗滑樁等方法加固邊坡時，在穩(wěn)定性計算時，把抗滑樁的加固作用以抗滑力的形式考慮到抗滑力矩中.

2.2 基于擬靜力法的有限元強度折減法

在理想彈塑性有限元計算中，強度折減法是將邊坡巖土體抗剪強度參數逐漸降低，直到其達到破壞為止，可以得到破壞滑動面（可以求解坡面塑性應變和位移）和邊坡的安全系數Fs［5－6］.在強度折減法計算中，按如下公式對土體粘聚力和內摩擦角進行折減：

式中：c、φ分別為土體粘聚力和內摩擦角；c′、φ′分別為折減后的土體粘聚力和內摩擦角.

采用擬靜力法的有限元強度折減法對地震作用下邊坡的穩(wěn)定性進行計算時，地震作用按《水利水電工程邊坡設計規(guī)范》（SL386－2007）推薦的計算公式（a＝Ci·Cz·Kh，Kh為地震峰值加速度；Ci為重要性系數；Cz為綜合影響系數）進行求解，地震加速度施加在邊坡坡面的水平方向上.

3 滑坡體模型及穩(wěn)定性分析

3.1 整治前滑坡模型及穩(wěn)定性分析

取黑方臺焦家崖頭滑坡主軸斷面進行穩(wěn)定性分析，斷面如圖1所示.滑坡體物理力學指標如表1所示，表中馬蘭、離石黃土和亞粘土的內摩擦角和粘聚力為不排水試驗強度指標.

圖1 滑坡主軸斷面圖（單位：m）

表1 滑坡巖土體物理力學指標

二維滑坡有限元模型邊界條件為：側面施加水平方向約束，底面在水平和豎直方向都施加約束；模型上的荷載為：豎直方向施加重力加速度g，臨坡面水平方向施加加速度a，加速度a＝Ci·Cz·Kh，取Ci＝1.0、Cz＝0.25；g＝9.8m／s2，由于滑坡所在地段的地震峰值加速度為0.10g，動反應譜特征周期為0.45s，地震基本烈度為7度，所以取Kh＝0.10 g.圖2為ANSYS軟件建立的平面有限元模型.

圖2 滑坡平面有限元模型

分別采用簡化畢肖普法和有限元強度折減法對地震作用下滑坡整治前的穩(wěn)定性進行了計算.計算結果表明，由簡化畢肖普法得到的穩(wěn)定安全系數為0.915；由有限元強度折減法求得當強度折減系數為0.94時，在坡腳到坡頂范圍內出現(xiàn)了塑性區(qū)，坡面上642號和651號節(jié)點水平位移與強度折減系數的關系曲線如圖3所示，可見，這兩個位置水平方向的位移發(fā)生較大的突變.

圖3 滑坡上特征點水平方向位移與強度關系

采用簡化畢肖普法和有限元強度折減法計算的滑坡穩(wěn)定安全系數和對應的穩(wěn)定狀態(tài)如表2所示［9］，有限元強度折減法計算的穩(wěn)定安全系數為0.94，與簡化畢肖普法得到的穩(wěn)定安全系數0.915差別不大.參考《公路路基設計規(guī)范》（JTGD30－2004）中的規(guī)定，取該滑坡的設計穩(wěn)定安全系數為1.15，依據計算結果可知，在地震作用下該滑坡處于滑動狀態(tài)，需對該滑坡進行加固處理.

表2 地震作用下滑坡對應的穩(wěn)定狀態(tài)

3.2 整治后滑坡模型及穩(wěn)定性分析

3.2.1 整治措施

目前，對黃土滑坡加固的方法很多，主要有抗滑樁或抗滑擋墻、錨索以及多種加固方法的結合等［10－12］.

通過對焦家崖頭滑坡的特征和穩(wěn)定性等進行詳細研究，并結合滑坡現(xiàn)狀、位置、規(guī)模、性質、特征，擬采用如下方法對其加固：①對滑坡后緣出現(xiàn)的裂縫填塞夯實，并對坡面進行修整；②在滑坡前緣布設抗滑樁并設置集水井、滲水豎井與平孔結合排水（設置集水井、滲水豎井，間距約為50m.集水井井徑為3 m，深度為40m.滲水豎井打到礫石層中，井徑為1.0m，且在井中填入如粗砂、礫石等滲透性較好的材料，并與平孔結合，平孔以豎井為中心的扇形布設）的措施.抗滑樁斷面尺寸為3.0m×2.0m，樁長為20.0m，樁間距為6.0m，在樁外側設置護面；滑坡主軸斷面整治方案如圖4所示.

圖4 滑坡主軸斷面整治方案

3.2.2 模型建立及穩(wěn)定性分析

整治后滑坡平面有限元計算模型見圖5.抗滑樁的彈性模量取23GPa，泊松比為0.16，密度為2.5g／cm3，其它參數不變.

圖5 滑坡加固后有限元模型

表3為兩種不同方法求得的地震作用下滑坡穩(wěn)定安全系數及其對應的穩(wěn)定狀態(tài)，可見，滑坡加固后由有限元強度折減法計算的地震作用下滑坡的安全系數為1.42，簡化畢肖普法計算的穩(wěn)定安全系數為1.34，均大于設計穩(wěn)定安全系數1.15，即加固后的滑坡是穩(wěn)定的，且具有較高的安全儲備.

表3 滑坡加固后地震作用下對應的穩(wěn)定狀態(tài)

4 結 論

本文結合甘肅省永靖縣黑方臺焦家崖頭滑坡工程實例，采用簡化畢肖普法和強度折減法對滑坡在地震作用下的穩(wěn)定性進行了計算分析，得到以下結論：

（1）用簡化畢肖普法和有限元強度折減法計算地震作用下滑坡加固前的安全系數分別為0.915和0.94，小于1.15，即該滑坡在地震作用下處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需進行加固處理.

（2）滑坡整治措施采用抗滑樁并結合集水井、滲水豎井和平孔排水，對加固后的滑坡在地震作用下的穩(wěn)定性進行了計算分析，由簡化畢肖普法和強度折減法計算得到的穩(wěn)定安全系數分別為1.34和1.42，大于設計安全系數1.15，即加固后的滑坡是穩(wěn)定的，且有較高的安全儲備.

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