嵐皋縣某邊坡穩(wěn)定性分析與治理

錢 璞，王 瑞

(1.榆林路橋勘察設(shè)計(jì)院，陜西 榆林 719000；2.中國(guó)建筑一局(集團(tuán))有限公司，北京 100079；3.西安科技大學(xué)，陜西 西安 710054)

1 嵐皋縣環(huán)境地質(zhì)條件

嵐皋縣城坐落于山脈連綿的秦巴山區(qū)，屬于亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候，具有降雨量豐富、四季分明的特點(diǎn)，其中降雨量充沛且主要集中在6～9月份。嵐皋縣多山地分布，其中最高山的海拔為2 640多m，最低山的海拔為332.5 m，海拔高差懸殊較大。整個(gè)縣城的地勢(shì)東南高西北低，山河交錯(cuò)縱橫，地勢(shì)非常復(fù)雜。該地區(qū)山脈眾多，嵐皋縣所在地區(qū)邊坡多以松散堆積為主，在氣候上夏季多雨且集中，在降雨時(shí)節(jié)發(fā)生邊坡坍塌、滑坡的可能性增加。在工程建設(shè)中，邊坡的危害是不可忽視的，不僅會(huì)增加成本，如果處理不當(dāng)還會(huì)造成人員的傷亡和財(cái)產(chǎn)的損失。

項(xiàng)目區(qū)位于嵐皋縣西部石門鎮(zhèn)，距嵐皋縣城約30 km，省道207線橫貫全鎮(zhèn)。中心地理坐標(biāo)：東經(jīng)108°46′35″，北緯32°19′09″，交通十分便利。勘查區(qū)交通位置見圖1所示。

圖1 勘查區(qū)交通位置圖

2 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 Geo-Studio軟件的介紹

Geo-Studio有限元分析軟件是20世紀(jì)七十年代由加拿大著名的巖土軟件開發(fā)商Geo-slope公司面向巖土工程、水利工程、地質(zhì)工程以及公路工程等相關(guān)領(lǐng)域開發(fā)的一套仿真分析軟件。本文對(duì)于嵐皋縣某邊坡的分析先在Seep/w模塊建立邊坡的滲流模型，對(duì)邊坡的壓力水頭、孔隙水壓力進(jìn)行分析，然后在Seep/w模塊下新建Slope/w模塊，結(jié)合滲流模塊的孔隙水壓力情況對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。相比于傳統(tǒng)分析方法，Geo-Studio可以使計(jì)算結(jié)果更符合邊坡實(shí)際的效應(yīng)。Geo-Studio作為地質(zhì)構(gòu)造專門的分析軟件，具有高效、專業(yè)、功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)，不受邊坡形狀和材料不均勻的限制。

2.2 模型的建立

根據(jù)嵐皋縣石門鎮(zhèn)千戶安置小區(qū)某邊坡工程的特點(diǎn)，建立模型如圖2所示，邊坡長(zhǎng)55 m，寬80 m，坡頂相當(dāng)高程307～308 m，坡底相對(duì)高程269～270 m，相對(duì)高差約40 m，邊坡所處斜坡整體坡度25～35°，坡前人工邊坡坡度45°～65°，邊坡頂部為通村上山道路，邊坡中部為既有通村道路，邊坡坡腳為石門鎮(zhèn)集鎮(zhèn)千戶安置區(qū)安置點(diǎn)，坡面上下部出露地層為第四系全新統(tǒng)殘坡積層及沖洪積層，斜坡頂部為志留系砂巖、泥質(zhì)頁(yè)巖出露，基巖較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育。

圖2 邊坡1-1’剖面數(shù)值模擬

2.3 材料參數(shù)的選取

邊坡殘積土下的石英砂巖的物理力學(xué)指標(biāo)選自《巖土工程勘察設(shè)計(jì)手冊(cè)》，體積含水率和基質(zhì)吸力的范圍見下圖3。

圖3 材料體積含水率函數(shù)

通過(guò)設(shè)置材料的體積含水率函數(shù)和材料性質(zhì)，可以得到邊坡殘積土、石英砂巖、沖洪積砂卵石的體積含水量與孔隙壓力的關(guān)系、體積含水量與基質(zhì)吸力的關(guān)系、孔隙水壓力與傳導(dǎo)率的關(guān)系。

在地下水位線以上，土中的孔隙水壓力相對(duì)于孔隙氣壓力是負(fù)的，這個(gè)負(fù)的孔隙水壓力常被作為正的基質(zhì)吸力而提及，因此孔隙水壓力值常為負(fù)，巖土體的孔隙壓力隨著含水量的增大而減小。對(duì)于殘積土來(lái)說(shuō)，孔隙水壓力隨著含水率的增加幾乎呈線性的減小；在體積含水量較低時(shí)，體積含水量對(duì)于石英砂巖和沖洪積砂卵石孔隙水壓力的影響較大，隨著體積含水量的增加，石英砂巖和沖洪積砂卵石的孔隙水壓力的增長(zhǎng)幅度變緩。

基質(zhì)吸力隨著巖土體體積含水量的增大而減小，傳導(dǎo)率隨著孔隙水壓力的增大而減小，材料不同，滲透系數(shù)不同，傳導(dǎo)率與孔隙水壓力的變化關(guān)系也不相同。巖土體的孔隙水壓力和傳導(dǎo)率的大小都受到了體積含水量的影響，石英砂巖和沖洪積卵石的傳導(dǎo)率明顯高于殘積土的傳導(dǎo)率。

2.4 模擬結(jié)果及分析

模型建立完成后，賦予材料的各項(xiàng)參數(shù)及邊界條件，然后利用Seep/w模塊進(jìn)行邊坡的滲流模擬。

材料參數(shù)賦予完成后進(jìn)行滑移面的設(shè)置，由于在勘察中發(fā)現(xiàn)邊坡中部的道路出現(xiàn)裂縫，所以滑移面選擇進(jìn)入和退出形式，滑移面的進(jìn)入選擇在邊坡中部的道路附近，滑移面的退出選擇在坡腳附近?；泼嫘问皆O(shè)置完成后，開始進(jìn)行邊坡的穩(wěn)定性分析，模擬結(jié)果如下圖4所示。

圖4 正常狀態(tài)下邊坡的滑移線

從圖4中可以看出，在天然狀態(tài)下邊坡的安全系數(shù)為1.038，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。整個(gè)滑坡體屬于較為松散的殘積土，邊坡發(fā)生滑動(dòng)時(shí)，滑坡的后緣位于邊坡中部的道路往下2 m左右，所以導(dǎo)致中部道路變形明顯，受邊坡前緣滑塌變形破壞影響，坡體中部通村道路整體下沉，路面被拉裂，形成多條不規(guī)則拉張裂縫。

嵐皋縣7月份降雨較為集中，一般降雨天數(shù)為3～7 d。在進(jìn)行降雨條件下邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)，降雨時(shí)長(zhǎng)選擇為48 h，單位小時(shí)降雨量選擇為0.003 m/h。

利用天然狀態(tài)下的邊坡的模擬結(jié)果，新建一個(gè)Seep/w模塊，初始水頭和孔隙水壓力的情況選擇為天然狀態(tài)分析的最后狀態(tài)。持續(xù)時(shí)間設(shè)置為172 800 s，分析步數(shù)選擇48步，設(shè)置完成后更改材料的參數(shù)，并利用樣條函數(shù)得到巖土體的體積含水量以及水壓的傳導(dǎo)系數(shù)，再進(jìn)行模擬。

通過(guò)對(duì)降雨后在不同時(shí)刻孔隙水壓力的分布可知，在降雨過(guò)程中，邊坡表層的土體首先達(dá)到飽和，飽和區(qū)主要分布在邊坡的殘積土和邊坡下部的沖洪積砂卵石區(qū)。隨著降雨的持續(xù)，邊坡飽和區(qū)域的面積增大，邊坡表層的飽和區(qū)域逐漸貫通，距離邊坡表面較深處受降雨的影響較小。隨著降雨的持續(xù)增加，積水進(jìn)一步增加，邊坡積水的入滲使邊坡內(nèi)部底層飽和區(qū)域?qū)⑾蛏咸?，使地下水位最終維持在一穩(wěn)定值。

進(jìn)行邊坡的滲流模擬完成后，在滲流模型的基礎(chǔ)上建立邊坡穩(wěn)定性的分析模型，選擇Morgenstern-Price法進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果如下圖5所示。從圖中可以看出，邊坡的殘積土層已經(jīng)達(dá)到飽和，坡腳處石英砂巖和殘積土的交界面近似于與滑坡面平行。經(jīng)過(guò)48 h的降雨，邊坡的安全系數(shù)為0.893，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在降雨的影響下，邊坡極易發(fā)生滑塌等狀況，有效的防護(hù)措施至關(guān)重要。

圖5 降雨條件下邊坡的滑移線

3 邊坡治理措施

3.1 坡率法

坡率法是指對(duì)邊坡的坡度(邊坡的高度與邊坡的寬度的比值)加以調(diào)控，從而達(dá)到邊坡穩(wěn)定的方法。坡率法施工方便，在條件允許的情況下，可以優(yōu)先考慮。在施工時(shí)，坡頂刷方卸載可以和坡腳回填壓坡配合使用，增加坡率法的處置效果，嚴(yán)禁開挖坡腳。

高邊坡采用坡率法放坡時(shí)，工程量較大且會(huì)占地較多，應(yīng)配合錨桿、擋土墻、抗滑樁等措施使用，下段采用結(jié)構(gòu)支護(hù)結(jié)構(gòu)，上段采用坡率法，形成組合邊坡，從而達(dá)到邊坡穩(wěn)定。在進(jìn)行邊坡削破時(shí)，要特別注意地下水的處理，配合排水設(shè)施，因勢(shì)利導(dǎo)，保持坡體范圍內(nèi)的水系暢通。

3.2 擋土墻

擋土墻能夠用來(lái)提高邊坡的穩(wěn)定性，它用來(lái)抵抗邊坡的側(cè)向土壓力，多用在路堤或路塹邊坡，為公路及其他工程的建設(shè)留出空間。

擋土墻有很多種類型，按照結(jié)構(gòu)形式的不同，可以把擋土墻分為重力式擋土墻、錨桿式擋土墻、半重力式擋土墻、懸臂式擋土墻等。下面將從斷面形式和受力特點(diǎn)等方面對(duì)幾種典型的擋土墻進(jìn)行介紹

(1)重力式擋土墻

該種擋土墻的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工程中施工起來(lái)比較方便。重力式擋土墻對(duì)邊坡土體的側(cè)向土壓力的抗力主要來(lái)自于自身的重力。在重力式擋土墻修筑時(shí)通常采用漿砌片石或塊石進(jìn)行修筑，由于主要依靠自身重力來(lái)抵擋邊坡的側(cè)向土壓力，所以該擋土墻一般較重，通常會(huì)在地基條件良好的地區(qū)多采用。

(2)衡重式擋土墻

衡重式擋土墻的斷面形式與重力式擋土墻比較相近，衡重式擋土墻多出了一個(gè)衡重臺(tái)，衡重臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)置能夠?qū)跬翂Φ闹匦南蚝笸埔?，而且衡重臺(tái)的設(shè)置合理的利用的墻背的填土，能夠起到增加墻身穩(wěn)定的目的。擋土墻的墻背設(shè)置成上部仰斜、下部俯斜的形式可以使邊坡挖方的工作量較小，同時(shí)減小了擋土墻的斷面尺寸，節(jié)約了建筑材料。

(3)懸臂式擋土墻

懸臂式擋土墻主要由立壁、墻踵板和墻趾板三部分組成，斷面尺寸較重力式擋土墻要小，采用鋼筋混凝土澆筑而成。受土壓力分布的影響，立壁的下部會(huì)承受較大的土壓力，在進(jìn)行鋼筋配置的時(shí)候，要設(shè)置更多的鋼筋。懸臂式擋土墻適合于邊坡較低的情形，一般不大于7 m。

3.3 抗滑樁

采用抗滑樁處治邊坡滑動(dòng)時(shí)，將樁體打入到滑動(dòng)面以下承載能力較高的穩(wěn)定巖層，利用滑動(dòng)面以下穩(wěn)定地層對(duì)抗滑樁產(chǎn)生的抗滑力來(lái)抵擋來(lái)自滑動(dòng)面上部不穩(wěn)定土體產(chǎn)生的滑動(dòng)力?？够瑯对诠こ讨幸话阍O(shè)置在滑坡前緣較佳，充分利用了抗滑樁抗滑力的同時(shí)，使得較小的樁長(zhǎng)便能夠滿足抗滑力的需要，使工程的造價(jià)得到了降低。

可以依據(jù)樁頭約束的不同，把抗滑樁分為普通樁和錨索樁(如圖6)?？够瑯兜倪x擇還應(yīng)綜合考慮到滑坡的類型、規(guī)模、地質(zhì)條件以及施工條件和工期要求等條件。

圖6 抗滑樁

抗滑樁在工程領(lǐng)域被廣泛的應(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)抗滑的效果明顯，通過(guò)合理的設(shè)置，單根樁便可以擋住大量的滑坡土體，抵抗來(lái)自邊坡的巨大滑坡推力，當(dāng)滑坡規(guī)模較大時(shí)，可以采用多排樁聯(lián)合進(jìn)行治理。

(2)抗滑樁的位置設(shè)置比較靈活，根據(jù)滑坡形式的不同，可以選擇在滑坡的前緣、中部、后部進(jìn)行抗滑樁配置，這是其他抗滑措施很難做到。

(3)相比于擋土墻來(lái)說(shuō)，工程中采用抗滑樁施工時(shí)對(duì)滑坡的擾動(dòng)較小。這樣可以減少對(duì)滑坡體的影響，不至與因?yàn)槭┕ざ鸹庐a(chǎn)生較大的滑動(dòng)。

錨索抗滑樁還有特有的特點(diǎn)：

(1)由于錨索的存在，改變了錨索抗滑樁的受力狀態(tài)，使得樁身的彎矩和剪力變小，因此可以減小樁的截面和埋深，降低了工程造價(jià)；

(2)錨索抗滑樁的錨索的設(shè)置控制了樁頭的位移量，有利于保持滑動(dòng)面以上土體的穩(wěn)定；

(3)錨索樁對(duì)于施工的要求較高，特別是錨索的防腐和灌漿要求尤為嚴(yán)格。

通過(guò)對(duì)邊坡防護(hù)措施總結(jié)，認(rèn)為錨桿抗滑樁比較靈活，土方作業(yè)量小，工期短，可以滿足工期緊張的需求，適合本邊坡工程的工程防護(hù)。

4 小 結(jié)

(1)結(jié)合邊坡的工程概況，將土工試驗(yàn)得到的土的物理力學(xué)參數(shù)賦予各地層，建立了邊坡的滲流和穩(wěn)定性分析模型。

(2)應(yīng)用Seep/w、Slope/w模塊模擬降雨對(duì)于邊坡穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)天然條件下邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.038，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；在降雨條件下，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為0.893，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)通過(guò)分析，錨索抗滑樁在處理效果和工期要求更適合本工程。