珠海某邊坡穩(wěn)定性分析

陳海東

（1 建材廣州工程勘測院有限公司；2 中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心廣東總隊）

0 引言

工程建設(shè)領(lǐng)域中的邊坡穩(wěn)定性問題，一直是巖土領(lǐng)域中的高難度課題，其綜合要求較高，涉及了工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、巖土力學(xué)、支護(hù)結(jié)構(gòu)等多個領(lǐng)域。李元松[1]等將邊坡穩(wěn)定性分析評價方法劃分為工程地質(zhì)定性分析法、工程力學(xué)理論分析法等5 類。其中工程力學(xué)理論分析法中的極限平衡法、數(shù)值分析法（有限單元分析）等方法趨于完善和成熟，且應(yīng)用較為廣泛。以上方法通常與安全系數(shù)法相結(jié)合，結(jié)果簡便、直觀，可對邊坡的穩(wěn)定性作出定量評價。我國邊坡相關(guān)規(guī)范中的傳遞系數(shù)法（即剩余推力法），其中的穩(wěn)定系數(shù)即安全系數(shù)，此方法就是極限平衡法與安全系數(shù)法結(jié)合的結(jié)果。

邊坡根據(jù)構(gòu)成物性質(zhì)的不同，分為巖質(zhì)和土質(zhì)邊坡。土質(zhì)邊坡中的極限平衡法多采用垂直條分法，即假定邊坡處于極限平衡狀態(tài)時，其滑動面上的各個土條之間滿足靜力平衡方程，利用作用力平衡和力矩的平衡計算邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)Fst。常見的方法有瑞典法、畢肖普簡化法、滑楔法、斯賓塞法（Spencer 法）等。隨著信息技術(shù)和計算機(jī)的普及，計算土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的軟件很多，有基于極限平衡法的理正邊坡軟件、基于有限單元分析的Midas 軟件等，這些軟件計算速度快、精確度高。對珠海某處邊坡通過兩款軟件進(jìn)行建模分析，計算其穩(wěn)定性，為下一步邊坡治理和穩(wěn)定性研究提供數(shù)據(jù)支持。

1 工程概況

珠海市斗門區(qū)某造紙廠北側(cè)邊坡，坡面植被良好，山坡坡腳為原紙廠宿舍樓，坡頂為電房及菜地，西南側(cè)邊坡距離宿舍樓約4m，北側(cè)距離電房及菜地較近，坡頂最高處標(biāo)高約24.51m，設(shè)計坡底標(biāo)高為約2.39m，坡高約11m，坡長約60m，原紙廠宿舍樓西北段坡度50°～60°，進(jìn)入雨季后，隨降雨量增大，邊坡西段及中段發(fā)生了垮塌，坡頂?shù)孛娉霈F(xiàn)裂縫，最大裂縫處約10㎝，見圖1～圖4。邊坡下部擋土墻高約2m，年久失修，坡頂為工業(yè)建筑，坡腳為民房住宅，如失穩(wěn)將會造成重大的人身及財產(chǎn)損失。因此有必要對該邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，為下一步災(zāi)害的防治提供理論支持。

圖1 邊坡西段垮塌

圖2 西段全貌

圖3 西南方向終端垮塌

圖4 坡頂處地面裂縫（已修補(bǔ)）

2 地質(zhì)概況

根據(jù)邊坡的勘察資料顯示，該邊坡主要地層有三層，素填土層、殘積土層、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。區(qū)域地質(zhì)圖見圖5。

圖5 區(qū)域地質(zhì)圖

該邊坡素填土層較薄，主要土體為殘積土。由于興建時間較早，坡頂水泥硬化層較薄，且多處出現(xiàn)破損。殘積土為花崗巖風(fēng)化形成，主要為粘土，少量石英砂，上部夾含少量坡積土，石英礫砂約含10%～30%，干強(qiáng)度較高，韌性小，土質(zhì)不均勻。該殘積土層較厚，約20m，勘察報告揭示，下部花崗巖較完整，滲透系數(shù)較小，可視為相對隔水層。各土層物理力學(xué)指標(biāo)如表1。

表1

3 穩(wěn)定性計算

3.1 計算模型選取

根據(jù)勘察報告的選取剖面顯示，該邊坡主要土體為殘積土，可近似考慮該邊坡為均質(zhì)土坡，可采用極限平衡法的力學(xué)模型，假定潛在滑移面為圓弧形，采用瑞典條分法分析。

瑞典條分法主要假定是土體法向應(yīng)力是土體重力在法線方向的分量，該分量通過滑動點(diǎn)圓心，在力矩平衡方程中不出現(xiàn)該計算量。畢肖普[2]（Bishop）后來對該方法進(jìn)行了重要的變動，他引入了滑動面的安全系數(shù)F，安全系數(shù)定義實(shí)質(zhì)是對土體的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了折減，表現(xiàn)為：

土條上的力一般根據(jù)（Morgenstern & Price；Janbu）提出的合理性邊界條件，土體的抗剪強(qiáng)度根據(jù)安全系數(shù)的定義折減，劃分的土條上的力可按下列條件分析：

⑴土體重力：水位線以上為天然重度，水位線下為飽和重度。

⑵土條上部荷載：根據(jù)實(shí)際坡頂荷載進(jìn)行定義。

⑶地震慣性力：主要為水平地震力，和劃分土條的重力有關(guān)，即下文平衡方程中的hQ。

⑷土體垂直方向上的總應(yīng)力，包括法向作用力和水頭壓力。

條分法靜力平衡公式：

計算簡圖見圖6。

圖6 瑞典條分法計算簡圖

3.2 理正軟件計算工況及結(jié)果

該邊坡的穩(wěn)定性計算分析主要考慮一般工況、地震工況及地震+暴雨工況三種典型工況。

一般工況的邊坡土體物理力學(xué)指標(biāo)選取天然重度及相應(yīng)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)（直剪快剪）；暴雨工況的邊坡土體的物理力學(xué)指標(biāo)選取飽和重度及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)（飽和直剪）。三種工況的計算結(jié)果見表2。

表2

該邊坡主要構(gòu)成物為殘積土，工程性質(zhì)較好，但由于高度較高且坡度較大，一般工況下不利剖面的穩(wěn)定安全系數(shù)為0.709，地震工況下穩(wěn)定安全系數(shù)為0.678，暴雨+地震工況穩(wěn)定安全系數(shù)最低，僅為0.452，均處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需要對邊坡進(jìn)行處理。

3.3 邁達(dá)斯軟件分析結(jié)果

邊坡模型選取為二維降雨滲流邊坡穩(wěn)定性計算模型，該模型高度為30m，總寬度50m，邊坡高度20m，坡度1.2。降雨強(qiáng)度為暴雨，根據(jù)珠海的氣象資料，降雨量選擇300mm/d，持續(xù)時間10 小時。土體材料及屬性參數(shù)見表3。

表3

計算工況分為一般工況及暴雨工況兩種。

計算云圖見圖7、圖8。

圖7 一般工況

圖8 暴雨工況

經(jīng)計算，一般工況其穩(wěn)定安全系數(shù)為1.05，暴雨工況下穩(wěn)定安全系數(shù)為0.72。計算結(jié)果顯示邊坡一般工況下欠穩(wěn)定，暴雨工況下為不穩(wěn)定狀態(tài)。

4 邊坡穩(wěn)定性分析及處理建議

該土質(zhì)邊坡坡高最高處約20m，坡度最大處約60°，上部和坡面無可靠的防、排水措施。珠海雨季較長，雨量較大，大規(guī)模的降水通過滲流進(jìn)入邊坡土體，土體飽和自重增加，地下水位升高，動水壓力變大，土體的抗剪強(qiáng)度也由于降雨影響而降低。多種因素的組合，引發(fā)一系列復(fù)雜的變化，均不利于現(xiàn)有邊坡的穩(wěn)定，可能會引發(fā)邊坡坡體的垮塌和上部坡頂?shù)孛娴拈_裂。通過理正和邁達(dá)斯軟件的建模計算結(jié)果，一般工況及暴雨工況下的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)都不符合現(xiàn)有規(guī)范的要求，具有滑坡的可能性。在一般情況下，邊坡可以保持暫時穩(wěn)定，但由于邊坡土體本身應(yīng)力應(yīng)變發(fā)展是一個漸進(jìn)的過程，較難發(fā)覺，在突發(fā)大規(guī)模降雨的情況下，存在邊坡失穩(wěn)的巨大風(fēng)險。在暫時穩(wěn)定狀態(tài)下，其穩(wěn)定安全系數(shù)較低，幾乎沒有安全儲備。因此，該邊坡必須采取行之有效的處理方案以保障人身和財產(chǎn)安全。

對于該邊坡的治理，有以下幾點(diǎn)建議：

⑴對坡頂和坡體進(jìn)行水泥硬化，主要是防治降雨和其他排水浸入邊坡土體。

⑵對邊坡土體進(jìn)行加固，考慮采用錨索等方式進(jìn)行加固，控制邊坡體的位移。

⑶坡腳擋土墻進(jìn)行加固，如不能滿足要求，考慮加置抗滑樁，同時修繕現(xiàn)有擋土墻的排水裝置，保證排水效果。

5 總結(jié)

邊坡的土體是由復(fù)雜的地質(zhì)作用形成的，其本身的工程力學(xué)性質(zhì)和各種工況下的變化，是造成邊坡失穩(wěn)的主要原因，同時外部荷載和人類活動等諸多因素又加大了其復(fù)雜性。隨著社會發(fā)展，工程建設(shè)開始不斷向山區(qū)邊坡等不利地質(zhì)場地擴(kuò)展和延伸，對邊坡的穩(wěn)定性分析變得越來越迫切。傳統(tǒng)的方法由于力學(xué)模型簡單，計算結(jié)果相對安全保守，現(xiàn)在已成為主流的計算方法，但其基本假定沒有考慮變形等因素，因而只有在均質(zhì)土體邊坡中的應(yīng)用和實(shí)際情況比較吻合。對于多層復(fù)雜土層和巖層組成的邊坡，其計算結(jié)果和實(shí)際相差較大。隨著數(shù)值分析方法的進(jìn)步，有限單元、離散單元等方法也開始在邊坡穩(wěn)定分析中得到了較多的應(yīng)用，但其數(shù)據(jù)模型的可靠性尚不能服眾，在實(shí)際運(yùn)用中也有些不接地氣。從該工程的分析結(jié)果看，采用傳統(tǒng)方法和有限單元方法進(jìn)行的計算結(jié)果有些許不同，其原因在于模型的假定和數(shù)據(jù)處理方式的差異，總體上說各有利弊，可以彼此作為補(bǔ)充，有利于對工程的整體把握。

邊坡的穩(wěn)定分析中，關(guān)鍵在于對工程地質(zhì)環(huán)境的查明和正確地質(zhì)模型的建立，一味追求數(shù)字計算的精密和穩(wěn)定安全系數(shù)的取值都是不可取的。邊坡計算中需要抓大放小，通常邊坡穩(wěn)定和水脫不了干系，無論是地表降雨、地下水的變化等，都需要引起足夠的重視；另一方面，人類活動對于邊坡的影響較大，坡頂堆載及坡體開挖引發(fā)的各種事故比比皆是。該兩點(diǎn)需要在邊坡分析和治理中引起足夠的重視。