某場地中部斜坡崩滑堆積體穩(wěn)定性分析與評價①

李和志， 林麗萍， 段艷平， 葛 莎， 賀建清

（1.湖南城建職業(yè)技術學院，湖南 湘潭 411104； 2.湖南省自然資源調查所，湖南 婁底 417099； 3.湖南科技大學，湖南 湘潭 411201）

工程建設經常會遇到大型邊坡開挖，邊坡穩(wěn)定性關系到工程建設的安危，對大型邊坡穩(wěn)定性的研究具有十分重要的意義。 近年來，許多學者用不同的方法研究邊坡的穩(wěn)定性問題，取得了豐碩成果［1-5］。 極限平衡法是邊坡穩(wěn)定性分析中常用的分析方法，該方法建立在極限平衡理論基礎上，以安全系數(shù)為度量標準，與目前勘探、試驗所得原始數(shù)據(jù)的精度相匹配，方法簡便易行［6］。

某場地中部斜坡地帶分布較厚的崩滑堆積體，邊坡開挖易誘發(fā)堆積體失穩(wěn)，形成不穩(wěn)定斜坡。 本文通過室內試驗、反演分析確定崩滑堆積體的物理力學參數(shù)；根據(jù)場地環(huán)境條件及巖土層分布特征，利用軟件分析了斜坡在不同工況下的整體和局部穩(wěn)定性及變形特征，綜合評價了場地中部斜坡的穩(wěn)定性和發(fā)展趨勢；基于斜坡的穩(wěn)定性分析和評價結果，提出了相應的防治建議。

1 工程地質特征

擬建場地原始地貌為剝蝕丘陵地貌。 場地由高丘及低谷組成，整體特征呈北西、西南面高，中部向北東傾斜的凹陷地形；北西邊界地形標高約450 m，南邊界地形標高約350 m，南西面為一崗地（最高海拔446.26 m），東側為水庫（水面標高約335.2 m）；場地北部由北西向南東傾斜，地形坡度約35°；場地南部由南西高崗向東傾斜，傾斜方向約50°，地形由陡坡至緩坡。 地形坡度18°～36°［7］。

場地中部斜坡地帶分布較厚的崩滑堆積體。 崩滑堆積體平面分布范圍較為清晰，分界特征突出，后緣南西側沿地形陡緩坡交接線延伸，至北西側與斷層F1 相交，北西側以斷層F1 為界，前緣以4＃、5＃、6＃樓西南側為界。 崩滑堆積體平面中心長約460 m，最大寬度約170 m，厚度2.5 ～19.0 m。 現(xiàn)場場地地形受近代農林活動及本次工程場地土石方挖填影響較大，場地中部斜坡地帶開挖形成2～3 級臺階，一級臺階標高383.8 m，二級臺階標高417 m，三級臺階標高438 m，一、二級臺階開挖坡率接近1 ∶1，三級臺階開挖坡率約1 ∶3.5。

崩滑堆積體物質由含碎石粉質黏土、泥質粉砂巖塊石、細砂巖塊石組成，土質結構松散，力學性能差，大氣降水作用下易接近飽水狀態(tài)，坡體已產生失穩(wěn)現(xiàn)象。

2 巖土體力學參數(shù)選取

巖土體強度參數(shù)的變化對邊坡穩(wěn)定性有重要影響［8］。 通過室內試驗、反演分析確定崩滑堆積體的物理力學參數(shù)。

2.1 混合土重度

根據(jù)勘察結果，場地分布的混合土主要由碎石土和細砂巖塊石、泥質粉砂巖塊石組成，所占比重為5 ∶3 ∶2，依據(jù)大重度試驗及室內試驗結果，混合土重度取值詳見表1。 混合土天然重度為23.55 kN／m3、飽和重度為24.47 kN／m3。

表1 混合土重度取值

2.2 混合土抗剪強度c、φ 值

2.2.1 室內試驗

為查明混合土物理力學特征，共取粉質黏土試樣9 件進行物理力學試驗，土樣測試嚴格按《土工試驗方法標準》（GB／T 50123—2019）［9］執(zhí)行。 試驗數(shù)據(jù)按《巖土 工 程 勘 察 規(guī) 范（2009 年 版）》 （GB 50021—2001）［10］有關規(guī)定進行統(tǒng)計，物理力學指標統(tǒng)計情況詳見表2。

表2 含碎石粉質黏土物理力學指標統(tǒng)計表

2.2.2 參數(shù)的反演分析

5＃樓、6＃樓場地整平開挖山體，受持續(xù)降雨的影響，斜坡前緣邊坡發(fā)生變形破壞，主要表現(xiàn)為邊坡中部平臺出現(xiàn)拉張裂縫，為防止邊坡發(fā)生進一步滑移，建設方采取了應急處理措施（反壓），至勘察期未發(fā)現(xiàn)邊坡變形進一步擴大，因此根據(jù)裂縫分布位置對剖面建立模型進行反演分析。 勘察期為雨季，土體達到近飽和狀態(tài)，因此采用飽和狀態(tài)來擬合持續(xù)降雨工況，邊坡處于相對平衡狀態(tài)（欠穩(wěn)定），穩(wěn)定系數(shù)Fs取1.005，選取此時混合土對應的c、φ值（即c＝10.73 kPa，φ＝19.50°）作為混合土飽和狀態(tài)下抗剪強度參數(shù)反演值。 天然狀態(tài)下，邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定系數(shù)Fs取1.15，選取此時混合土對應的c、φ值（即c＝13.28 kPa，φ＝21.0°）作為混合土天然狀態(tài)下抗剪強度參數(shù)反演值。 反演分析結果見表3～4。

表3 飽和狀態(tài)下抗剪強度參數(shù)反演分析表

表4 天然狀態(tài)下抗剪強度參數(shù)反演分析表

從表3 ～4 看出，天然狀態(tài)和飽和狀態(tài)下，崩滑堆積體穩(wěn)定性對內摩擦角φ的靈敏度均比對黏聚力c的靈敏度更高。

2.2.3 抗剪強度參數(shù)的確定

根據(jù)現(xiàn)場調查情況，斜坡前緣邊坡主要受大氣降水和坡腳開挖的影響而發(fā)生滑移，未形成滑動帶，因此混合土抗剪強度參數(shù)c、φ值按試驗值、反演值、土石比及地區(qū)經驗綜合取值。 混合土抗剪強度參數(shù)取值詳見表5。

表5 混合土抗剪強度參數(shù)取值表

3 穩(wěn)定性分析與評價

3.1 計算工況與模型

3.1.1 計算工況

鑒于中部斜坡崩滑堆積體所處地理位置、場地整體規(guī)劃存在的邊坡類型和高度及發(fā)生變形破壞后的危害程度，確定邊坡工程安全等級為一級，大氣降水是影響崩滑堆積體穩(wěn)定性的主要因素，根據(jù)《建筑邊坡工程技術規(guī)范》（GB 50330—2013）［11］，采用兩種工況進行計算，工況1（天然工況）為自重工況，工況2（飽和工況）為自重＋持續(xù)降雨或暴雨工況。

3.1.2 計算模型

為系統(tǒng)模擬分析崩滑堆積體的穩(wěn)定性狀況，根據(jù)場地環(huán)境條件及巖土層分布特征，由北向南選取4 個工程地質剖面（1-1′、2-2′、3-3′、4-4′）建立計算模型。圖1 為各剖面位置示意圖，圖2 為工程地質剖面2-2′計算模型。

圖1 各剖面位置示意圖

圖2 剖面2-2′計算模型

3.2 穩(wěn)定性評價標準

根據(jù)《建筑邊坡工程技術規(guī)范》 （GB 50330—2013）［11］，崩滑堆積體的穩(wěn)定狀態(tài)按照邊坡穩(wěn)定性系數(shù)進行判定，見表6。

表6 穩(wěn)定性狀態(tài)判定表

中部斜坡為永久邊坡，安全等級按一級考慮，工況1和工況2 屬于一般工況，根據(jù)《建筑邊坡工程技術規(guī)范》（GB 50330—2013）［11］，F(xiàn)st取1.35。

3.3 穩(wěn)定性計算與評價

利用SLOPE／W 軟件對斜坡崩滑堆積體進行整體和局部穩(wěn)定性分析。

3.3.1 整體穩(wěn)定性計算

根據(jù)場地巖土層分布特征及崩滑堆積體分布厚度，為系統(tǒng)模擬斜坡崩滑堆積體整體穩(wěn)定性，假定滑動面為土巖接觸面，滑動面呈折線形，整體穩(wěn)定性計算方法采用不平衡推力傳遞系數(shù)法。

整體穩(wěn)定性計算結果詳見表7。 圖3 為兩種工況下剖面2-2′整體穩(wěn)定性計算結果。

表7 斜坡崩滑堆積體整體穩(wěn)定系數(shù)計算結果

根據(jù)斜坡崩滑堆積體整體穩(wěn)定性計算結果，天然工況下，坡體基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，局部堆積體厚度較大且分布范圍集中在坡體前緣地段（3-3′），穩(wěn)定性稍差，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；飽和工況下，平面上主要表現(xiàn)為：坡體兩側處于穩(wěn)定狀態(tài)，中部處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，且場地北側較南側穩(wěn)定性更好；剖面上表現(xiàn)為：前緣堆積體厚度較大且坡度較大、斜坡相對高差較大的區(qū)域穩(wěn)定性更差，同時整體穩(wěn)定性受前緣臨空狀態(tài)控制。

3.3.2 局部穩(wěn)定性計算

崩滑堆積體主要由混合土組成，土中所含塊石以不規(guī)則狀相互疊加，塊石孔隙間充填含碎石粉質黏土，整體呈碎裂結構，因此坡體局部穩(wěn)定性按圓弧形滑面計算，計算方法采用簡化畢肖普（Bishop）法，搜索斜坡危險滑動面，并計算其穩(wěn)定系數(shù)。

采用自動搜索法計算坡體局部穩(wěn)定性小于穩(wěn)定性評價標準規(guī)定值分布區(qū)域，有效評價在不利工況下坡體局部失穩(wěn)的可能性，并計算不利滑面的穩(wěn)定性系數(shù)。各剖面計算結果見表8，圖4 為剖面2-2′局部穩(wěn)定性計算結果。

圖4 剖面2-2′局部穩(wěn)定性計算結果

表8 斜坡崩滑堆積體局部穩(wěn)定系數(shù)計算結果

根據(jù)斜坡崩滑堆積體局部穩(wěn)定性計算結果，天然工況下，坡體處于欠穩(wěn)定-穩(wěn)定狀態(tài)，危險滑面穩(wěn)定系數(shù)Fs＝1.007～1.384；飽和工況下，坡體處于基本穩(wěn)定-不穩(wěn)定狀態(tài)，危險滑面穩(wěn)定系數(shù)Fs＝0.885 ～1.161。 不利滑面主要集中分布于一級臺階（設計地坪標高383.8 m）東側邊坡，其次為一級臺階西側邊坡。 斜坡崩滑堆積體穩(wěn)定性表現(xiàn)為中部向兩側逐步趨向于穩(wěn)定。 持續(xù)降雨或暴雨是影響坡體穩(wěn)定性的主要因素，同時還受崩滑堆積體厚度、切方邊坡坡度及高度等因素控制。 計算結果表明，剖面3-3′穩(wěn)定性最差，天然工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，其次為剖面2-2′。 計算結果與現(xiàn)場實際變形情況一致。

3.3.3 位移場、應變場計算

采用有限元強度折減法對崩滑堆積體進行位移場計算，是在理想彈塑性有限元計算中將巖土體抗剪強度參數(shù)逐漸降低直到其達到破壞為止，可根據(jù)彈塑性計算結果得到塑性應變和位移突變的地帶，同時得到斜坡強度儲備安全系數(shù)。

選擇有代表性的2-2′剖面建立有限元計算模型，初始狀態(tài)采用天然狀態(tài)下的計算參數(shù)，計算結果詳見圖5 和表9。

圖5 2-2′剖面位移場計算結果

表9 有限元法位移場、應變場計算結果

根據(jù)有限元計算結果，隨著崩滑堆積層（混合土）抗剪強度逐漸減小，首先一級臺階東側邊坡出現(xiàn)變形，表現(xiàn)為：折減系數(shù)為1.15 時，最大位移量為0.074 m，坡體出現(xiàn)塑性變形區(qū)，呈臨界穩(wěn)定狀態(tài)；折減系數(shù)為1.16 時，發(fā)生塑性應變和位移突變，形成滑移面，最大位移量達到0.600 m，斜坡一級臺階東側邊坡失穩(wěn)，同時一級臺階西側邊坡出現(xiàn)位移；折減系數(shù)為1.18 時，最大位移量繼續(xù)增大，但主滑面位置不變；折減系數(shù)達到1.25 時，受坡體前緣變形破壞的影響，新的剪出口形成，在持續(xù)降雨或暴雨及自重加大的情況下，后緣坡體發(fā)生滑移。 綜上，剖面2-2′坡體穩(wěn)定性安全儲備系數(shù)為1.15，與前述計算結果相符。

3.3.4 穩(wěn)定性評價及發(fā)展趨勢

通過對崩滑堆積體穩(wěn)定性和位移場計算，在兩種計算工況下，斜坡整體處于基本穩(wěn)定-穩(wěn)定狀態(tài)，受前緣剪出口邊坡坡度、坡高及堆積體厚度的影響，由坡體中部向兩側，坡體穩(wěn)定性逐步增強。 坡體穩(wěn)定性主要表現(xiàn)為局部變形的特征，天然工況下，一級臺階東側邊坡處于欠穩(wěn)定-基本穩(wěn)定狀態(tài)，一級臺階西側邊坡處于基本穩(wěn)定-穩(wěn)定狀態(tài)，受大氣降水的影響，巖土體含水率增大，自重加大，坡體局部將出現(xiàn)滑移，當土體達到近飽和狀態(tài)時，一級臺階東側邊坡失穩(wěn)，一級臺階西側邊坡處于臨界狀態(tài)，變形區(qū)域向兩側及后緣擴展。 依據(jù)場地整體規(guī)劃，建議采用分級、分區(qū)支擋和防護的治理措施。

4 防治方案建議

根據(jù)斜坡崩滑堆積體的分布范圍、變形特征、影響因素、穩(wěn)定現(xiàn)狀、小區(qū)整體規(guī)劃等，結合考慮對象及施工條件，建議采用以下防治方案：

1） 截排水工程：水是影響坡體穩(wěn)定性的主要因素，在坡體周邊設置截排水溝，與場地規(guī)劃排水系統(tǒng)連成一體，形成綜合排水系統(tǒng)，同時做好地表防水措施。

2） 支擋工程：根據(jù)崩滑堆積體的分布特征及斜坡穩(wěn)定性計算結果，在一級臺階（383.80 m）東側邊坡布置抗滑樁板墻，具體位置可根據(jù)現(xiàn)場地形變化情況及整體規(guī)劃情況進行調整，建議布置于邊坡坡腳。 必要時可采用錨拉式樁板墻。 重力式擋土墻布置于二級及三級臺階邊坡坡腳及擬建小區(qū)道路內側。

3） 護坡工程：考慮大氣降水對坡體沖刷的影響，可采用格構錨桿擋墻對規(guī)劃形成的邊坡坡面進行防護，框格間種植植被。

5 結 論

1） 通過室內試驗、反演分析確定了斜坡巖土體的物理力學參數(shù)。

2） 場地中部斜坡整體處于基本穩(wěn)定-穩(wěn)定狀態(tài)，由坡體中部向兩側，坡體穩(wěn)定性逐步增強。 坡體局部穩(wěn)定性表現(xiàn)為：自然狀態(tài)下，受大氣降水的影響，坡體局部出現(xiàn)滑移；土體達到近飽和狀態(tài)時，一級臺階東側邊坡失穩(wěn)，一級臺階西側邊坡處于臨界狀態(tài)，變形區(qū)域向兩側及后緣擴展。

3） 基于崩滑堆積體的穩(wěn)定性分析與評價結果，提出了相應的防治方案建議：截排水、分級分區(qū)支擋和護坡等。