黃土高陡邊坡穩(wěn)定性研究

劉 洋，劉 潤(rùn)，程 輝，門(mén)玉明

(1.陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑與測(cè)繪工程學(xué)院， 陜西 西安 710018；2.西安建筑科技大學(xué) 土木學(xué)院， 陜西 西安 710055；3.長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪工程學(xué)院， 陜西 西安 710054；4.陜西高速公路工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司， 陜西 西安 710086)

黃土高陡邊坡穩(wěn)定性研究

劉 洋1，2，劉 潤(rùn)3，4，程 輝3，門(mén)玉明3

(1.陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑與測(cè)繪工程學(xué)院， 陜西 西安 710018；2.西安建筑科技大學(xué) 土木學(xué)院， 陜西 西安 710055；3.長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪工程學(xué)院， 陜西 西安 710054；4.陜西高速公路工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司， 陜西 西安 710086)

通過(guò)對(duì)延安寶塔山景區(qū)地質(zhì)災(zāi)害治理工程中的日本工農(nóng)學(xué)校舊址黃土高陡邊坡典型案例在進(jìn)行詳細(xì)勘察的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析,對(duì)滑坡發(fā)育特征及成災(zāi)因素進(jìn)行深入研究，利用有限元軟件FLAC3D建立了黃土高陡邊坡數(shù)值模型，進(jìn)行了穩(wěn)定性和破壞機(jī)理的數(shù)值模擬試驗(yàn)，深入研究了黃土高陡邊坡的穩(wěn)定性和破壞機(jī)理。研究結(jié)果表明：黃土濕陷性、坡度、水、工程荷載條件、氣候變化以及人為因素是影響黃土高陡邊坡穩(wěn)定性的主要因素；黃土高陡臨空坡體的破壞形式主要為塑性剪切破壞。最后提出了使用格構(gòu)錨桿錨固技術(shù)進(jìn)行綜合治理的技術(shù)方案。

黃土；高陡邊坡；穩(wěn)定性分析；破壞機(jī)理

黃土富含碳酸鹽等易溶鹽，以粉粒(0.05 mm～0.005 mm)為主，孔隙比e大，垂直節(jié)理發(fā)育，具有非飽和性、水敏性、濕陷性、欠壓密性、結(jié)構(gòu)性、直立性、類超固結(jié)性、觸變性等工程特性。隨著地質(zhì)演變，厚層堆積的黃土臨空條件遠(yuǎn)比其它巖土邊坡明顯，坡腳極易遭受降雨與流水侵蝕，極易發(fā)生自然的退縮和侵蝕破壞，形成了特有的地形地貌，造就了黃土塬、黃土梁頂部地形平坦，邊緣為陡直斜坡的特征[1-4]。

工程地質(zhì)條件錯(cuò)綜復(fù)雜的黃土邊坡容易形成不良地質(zhì)現(xiàn)象，引發(fā)滑塌、崩塌、邊坡失穩(wěn)等地質(zhì)災(zāi)害。近年來(lái)，由于該區(qū)域人類活動(dòng)不斷增強(qiáng)，大量高邊坡沒(méi)有進(jìn)行科學(xué)治理，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重影響黃土地區(qū)人們的生命安全、生活、生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。對(duì)高陡邊坡段釗等[5-6]分別從彈塑性變形、應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)系方面研究黃土特性。胡晉川[7]、孫超等[8]從突變等研究了黃土高原區(qū)滑坡和崩塌的發(fā)育類型、形成特征及分布特征。劉保健等[9]理論研究黃土邊坡穩(wěn)定性分析方法。谷天峰等[10]、李剛等[11]對(duì)循環(huán)荷載下黃土邊坡變形進(jìn)行了研究。魯潔等[12]進(jìn)行了壓實(shí)黃土強(qiáng)度和變形各向異性的試驗(yàn)研究。張濤等[13]通過(guò)模型試驗(yàn)研究了微型樁、錨拉樁加固黃土邊坡的機(jī)理。

目前黃土高陡邊坡穩(wěn)災(zāi)害問(wèn)題已經(jīng)成為地質(zhì)災(zāi)害治理研究的熱點(diǎn)，且對(duì)延安地區(qū)高陡邊坡穩(wěn)定性定性研究的相關(guān)文獻(xiàn)不多，且研究深度較淺。延安市寶塔山地質(zhì)災(zāi)害有特殊的歷史意義，選擇日本工農(nóng)學(xué)校遺址后典型黃土邊坡為研究對(duì)象，結(jié)合詳細(xì)勘察，通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬分析相結(jié)合的方法，對(duì)該高陡邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并提出相應(yīng)的治理工程措施。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)治理工程的效果進(jìn)行了驗(yàn)算分析。

1 工程概況

寶塔山四周溝谷深切，為一黃土梁地形，周邊為黃土斜坡。山體的西坡、南坡和東坡較陡，北坡較緩，坡度30°～60°。該地區(qū)多年平均降水量496.2 mm，降水量年內(nèi)分配極不均勻，多集中在7月—9月，每小時(shí)最大降水量高達(dá)62 mm，日最大降水量達(dá)139.9 mm，占全年降水量60%～80%。年際降水量差別較大，最豐年達(dá)871.2 mm(1964年)，最枯年僅330.0 mm(1974年)。氣溫方面，延安市多年平均地溫12.1℃，極端最高地溫為70.2℃，極端最低為-27.8℃。土地凍結(jié)期為每年的12月至次年3月，最大凍土深度為86 cm。工程區(qū)域內(nèi)地層巖性由新到老主要有：第四系全新統(tǒng)沖坡積層，上更新統(tǒng)風(fēng)積層、中更新統(tǒng)風(fēng)積層、下更新統(tǒng)沖洪積層，侏羅紀(jì)地層等。

研究區(qū)平面示意圖如圖1所示，所選典型黃土高陡邊坡位于日本工農(nóng)學(xué)校舊址后坡，坡下為居民區(qū)。如圖2所示，A-A剖面穿過(guò)工農(nóng)學(xué)校所在的窯洞區(qū)域，由于暴雨沖刷，坡前窯洞的洞門(mén)附近均出現(xiàn)了一定程度的坍塌，坡面土體松散，坡體原狀黃土松散崩落于坡底堆積。災(zāi)害隱患直接威脅到工農(nóng)學(xué)校舊址的安全，急需采取措施予以加固，防止其破壞程度進(jìn)一步加劇。選擇的典型黃土高陡邊坡天然坡體既高且陡，坡體后緣裂隙發(fā)育，具備降雨入滲引發(fā)坡體飽和的基本條件；高陡邊坡坡面植被覆蓋率不佳，其變形破壞大都由降雨誘發(fā)，強(qiáng)降雨使得坡面沖刷嚴(yán)重，坡腳堆積大量的松散土體及植被碎屑。

圖1 研究區(qū)面示意圖

圖2 典型坡面現(xiàn)場(chǎng)示意圖

2 模型建立及分析

2.1 模型建立

依據(jù)研究區(qū)的詳細(xì)勘察資料，以圖3所示勘察剖面為原型進(jìn)行建模分析。剖面模型長(zhǎng)90 m，寬10 m，高60 m，坡體下部有兩層窯洞，窯洞高3.5 m，寬3.0 m，進(jìn)深8.0 m。整個(gè)模型采用Brick六面體塊狀與Wedge楔形體網(wǎng)格混合劃分，共有420 481個(gè)節(jié)點(diǎn)，398 484個(gè)單元。建立的計(jì)算模型網(wǎng)格劃分圖如圖4所示，模型土體計(jì)算參數(shù)如表1所示。模擬中假定土體為理想彈塑性材料，采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算[14-15]。對(duì)模型四周施加法向約束條件，模型底面施加三向約束，頂面自由，在此邊界條件下進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡，然后計(jì)算自然狀態(tài)下邊坡的變形與應(yīng)力特征。

圖3 邊坡A-A剖面圖

2.2 數(shù)據(jù)分析

通過(guò)初始地應(yīng)力平衡數(shù)值模擬，計(jì)算自然狀態(tài)下邊坡的變形與應(yīng)力特征，結(jié)果顯示：剖體應(yīng)力云分布圖如圖5所示，坡體的應(yīng)力呈不均勻分布，整體呈現(xiàn)上小下大的層狀分布特征，并在潛在滑動(dòng)面附近具有明顯的分界。

圖6所示為坡體A-A剖面的總位移云圖，從圖6(a)可以看出最大位移集中在窯洞上方的坡體上，計(jì)算所得的最大位移達(dá)到0.209 m，坡體已經(jīng)滑塌變形產(chǎn)生破壞。由于上部位移較大，導(dǎo)致坡體整體的總位移云圖無(wú)法反映窯洞洞門(mén)附近的變形情況。為此，將上部坡體移除，對(duì)坡體的局部位移進(jìn)行成圖，得到如圖6(b)所示的局部總位移云圖，從圖6(b)可看出，在上部窯洞洞門(mén)附近，總位移值約為0.039 m，變形明顯，且與現(xiàn)場(chǎng)照片情況相符。

圖4 計(jì)算模型

圖5 坡體剖面應(yīng)力分布云圖

圖6 坡體剖面總位移分布云圖

將上述總位移分解，得到水平與垂直方向的位移分布云圖如圖7與圖8所示，水平位移最大值出現(xiàn)在滑塌體底部，達(dá)到0.199 m，在局部水平位移上，上部窯洞洞門(mén)附近水平位移達(dá)到0.021 m；垂直位移最大值出現(xiàn)在滑塌體坡肩附近，坡體下挫距離約0.116 m，變形程度較大，邊坡出現(xiàn)破壞。從圖9所示A-A剖面坡體塑性區(qū)分布圖來(lái)看，在滑塌體內(nèi)部及邊緣，出現(xiàn)了明顯剪切塑性破壞分布區(qū)，坡體頂部的巖土體還出現(xiàn)了一定范圍的張拉塑性破壞，在兩層窯洞的洞門(mén)附近，張拉破壞分布明顯，這種塑性破壞的分布形式與通過(guò)勘察發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況基本一致。

圖7 坡體水平位移分布云圖

圖8 A-A剖面坡體垂直位移分布云圖

圖9 塑性區(qū)分布圖

安全系數(shù)為邊坡剛好達(dá)到臨界破壞狀態(tài)時(shí)，巖土體的實(shí)際抗剪強(qiáng)度與臨界破壞時(shí)的折減后剪切強(qiáng)度的比值[16]，通過(guò)逐步減小材料的強(qiáng)度使邊坡達(dá)到極限平衡狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)，針對(duì)Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則，安全系數(shù)F由方程(1)、方程(2)來(lái)確定：

(1)

(2)

式中：ctrial為折減后的黏聚力；φtrial為折減后的內(nèi)摩擦角；Ftrial為折減系數(shù)。

經(jīng)FLAC3D的強(qiáng)度折減模塊計(jì)算在自重情況下所得的安全系數(shù)為1.04，按《建筑邊坡技術(shù)規(guī)范》[16](GB50330—2013)推薦的BiShop法計(jì)算得到的安全系數(shù)為1.03。兩者基本相同，判定邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。圖10為最大剪應(yīng)變?cè)隽糠植荚茍D，由圖10可看出研究剖面處出現(xiàn)一道貫通的剪切帶，位置與高陡邊坡的潛在滑動(dòng)面位置基本接近。

圖10 最大剪應(yīng)變?cè)隽糠植荚茍D

通過(guò)分析可以看出，影響黃土高陡邊坡穩(wěn)定性的因素主要有內(nèi)在因素和外部因素兩方面，內(nèi)在因素包括組成邊坡的黃土濕陷性、地形坡度、水的作用等。外部因素包括地震、工程荷載條件、氣候變化以及人為因素等等。內(nèi)在因素對(duì)邊坡的穩(wěn)定性起控制作用，外部因素起誘發(fā)破壞作用。高陡臨空坡體的破壞形式主要為塑性剪切破壞，坡面高陡積聚了較大的重力勢(shì)能，加之降雨沖刷或入滲引起淺層部分坡體抗剪強(qiáng)度降低，極易引發(fā)變形破壞。

3 結(jié) 論

(1) 通過(guò)分析得出影響黃土高陡邊坡穩(wěn)定性的因素主要有：黃土濕陷性、地形坡度、水、工程荷載條件、氣候變化以及人為因素等。

(2) 黃土高陡臨空坡體的破壞形式主要為塑性剪切破壞，坡面高陡積聚了較大的重力勢(shì)能與降雨入滲和沖刷引起淺層部分坡體抗剪強(qiáng)度降低，引發(fā)變形破壞。

(3) 依據(jù)研究區(qū)高陡邊坡的變形破壞機(jī)理的研究成果，并結(jié)合治理區(qū)的特殊情況，建議治理工程采用輕型錨桿格構(gòu)，在保證安全的前提下，不破壞坡體的原有景觀，并結(jié)合邊坡防排截水等輔助措施，能夠極大地降低邊坡在雨季或汛期失穩(wěn)的可能性。

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Stability Evaluation of High and Steep Loess Slope

LIU Yang1,2, LIU Run3,4, CHENG Hui3, MEN Yuming3

(1.SchoolofCivilEngineering&Geodesy,ShaanxiCollegeofCommunicationTechnology,Xi'an,Shaanxi710018,China;2.CollegeofCivilEngineering,Xi'anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi'an,Shaanxi710055,China;3.SchoolofGeologyEngineeringandGeomatics,Chang'anUniversity,Xi'an,Shaanxi710054,China;4.ShaanxiExpresswayTesting&MeasuringCo.,Ltd.,Xi'an,Shaanxi710086,China)

In this paper the stability of high-steep loess slope was studied based on the Baotashan Geological Hazard Management Project in Yan'an. Based on the engineering geological conditions, theoretical analysis and FLAC3D numerical model are used to analyze the failure mechanism of the high and steep slope. The results show that the main factors that affect the stability of high steep slope are loess collapsibility, slope, water, engineering load, climate change and human factors. And damage in the form of high and steep loess slope of the main airport for plastic shear failure. Finally the engineering proposal of lattice anchor was suggested to the project.

loess; high and steep slope; stability analysis; damage mechanism

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.03.018

2017-01-11

2017-03-08

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41572261)；國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目(41502277)；西部綠色西部綠色建筑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地開(kāi)放研究基金項(xiàng)目(LSKF201707)

劉 洋(1980—)，男，陜西子長(zhǎng)人，博士研究生，講師，主要從事結(jié)構(gòu)智能控制、工程防災(zāi)減災(zāi)方面的研究工作。 E-mail: yangliu1106@163.com

TU42

A

1672—1144(2017)03—0092—04