人工堆造山體邊坡地質災害分析

李文生

（重慶地質礦產勘查開發局川東南地質大隊，重慶 400030）

1 工程概況

1.1 場地地層巖性

根據現場調查和鉆探結果，綜合考慮土層的形成時代、成因和物理力學性質指標，發現西側研究區域地基土層主要有6層 (圖1)，自上而下分述如下：

1.1.1 粉質黏土：黃褐色，硬塑，局部可塑，干強度中等，中等壓縮性，分布不穩定，土質均勻，層厚0.0～7.0m。

1.1.2 粉質黏土：黃褐色，可塑，干強度中等，中等壓縮性，土質均勻，分布不穩定，層厚2.0～5.0m。

1.1.3 粉質黏土：黃褐色，硬塑，局部可塑，干強度中等，中等壓縮性，土質均勻，局部缺失或已挖除，層厚3.2～3.5m。

1.1.4 粉質黏土：黃褐色，硬-堅硬，干強度中等，中等壓縮性，土質均勻，局部有分布，層厚4.8～10.0m。

1.1.5 泥巖：灰白色-黃褐色，中-強風化，鈣質膠結，破碎-極破碎，屬軟巖，遇水不易軟化，巖溶不發育，巖體基本質量等級為Ⅴ級，層厚2.0～8.8m。

1.1.6 石灰巖：灰-淺灰色，局部白色，沿裂隙部位表層局部為黃褐色，局部夾泥質灰巖，較破碎-較完整，屬較硬巖，巖體基本質量等級為Ⅳ級，未見底。

填料主要來源于場區工程棄土，以及削坡土石方和建筑垃圾，其中工程棄土為粉質黏土，黃褐色，可塑，干強度中等，中等壓縮性，中等韌性，稍有光澤，土質均勻，堆土層厚0～50m。

鉆探過程中發現近坡腳位置地基土體中地下水位標高為19m，向山體內側地下水位略有抬升，地下水位穩定。根據各土層基本物理力學性質指標，其中填土力學參數是根據現場取土樣進行室內擊實試驗確定的最大干密度(1.68g·cm-3)和最優含水量 (18.2%)后制樣進行重塑土力學試驗測得。

1.2 堆山引起的工程地質問題

該工程存在的主要工程地質問題包括2個方面：一是水平和垂直方向的變形問題；二是永久邊坡整體穩定性問題(主要指由于堆載而產生的剪切破壞，對周圍建筑物、道路、管線產生的不良影響)，這2個方面是決定堆山工程成敗的主要控制因素。

如果在堆填過程中不能保證堆載產生的剪應力增長與地基土的強度增長速率相一致。將會產生地基失穩現象，出現以下一些不良的工程地質現象：

1.2.1 如果山體荷載增大造成周圍地基土產生側向擠壓可能使其剪切破壞造成周圍的地基土隆起。

1.2.2 填土如果強度不夠可能使山體局部產生滑塌破壞。

1.2.3 人工堆載造成地基土層中產生大的超孔隙壓力難以消散，影響地基的固結，也不利于邊坡穩定。

2 計算模型及工況

圖1 工程地質橫剖面圖

2.1 計算模型

計算時根據工程實際對巖土體本構模型選擇常用的Mohr-Coulomb彈塑性模型。計算模型采用15節點實體單元，幾何模型寬度為2.5倍邊坡高度，垂直方向為2倍的邊坡高度。右側邊界為人工山體主峰高度最大位置。

采用標準邊界條件即：模型左右兩側水平向約束，模型底面水平向和垂直向約束。

2.2 計算工況

根據初步設計，堆土施工自設計邊界四周向中心分層堆積、壓實，分層厚度為30cm。假設滑動面為圓弧形，采用極限平衡法分析表明竣工后邊坡穩定性受地基影響較大，潛在滑動面穿過地基①和②土層，故堆土速度對地基中變形和孔隙壓力變化對施工期間和工后邊坡穩定性影響較大，需選擇較合理的施工速度。

在考慮工期、造價等幾個因素的條件下，經過多次分析，確定堆土施工工期定為1a較合適，計算時首先對地基自重應力場和根據初始地下水位引起的孔隙壓力進行計算，然后根據堆土施工過程，依次計算以下4個工況:

圖2 超孔隙壓力時程曲線

工況1：第1階段，第1～6個月(180d)堆土至45m標高。

工況2：第2階段準備在第7～8個月停止堆土，使地基中超孔隙壓力得以適當消散。

工況3：第3階段用4個月時間完成剩余全部堆土方量。

工況4：第4階段對工后1a內的地基土體中固結變形進行模擬，以分析土體中超孔隙壓力消散和固結特征。

最后采用強度折減法對工后邊坡穩定性進行計算。根據極限平衡法分析結果確定竣工后邊坡潛在滑動面位置(圖1)，該剖面位于人工山體西側中部，對該剖面的分析結果對西側山體穩定性分析具有代表性。計算時在地基土層中潛在滑動面附近布置10個監測點(圖1)以便對土體變形和孔隙壓力進行跟蹤分析。

3 計算結果

3.1 孔隙壓力變化特征

隨堆土高度變化地基中超孔隙壓力時程曲線見圖2。

堆載初期(第1階段)，地基中孔隙壓力隨堆土高度增大而逐漸增大，第1階段堆土結束時5號監測點出出現最大超孔隙壓力，表明上部堆土厚度越大，超孔隙壓力值和增長幅度越大，最大值達150kPa。

第2階段，固結期孔隙壓力基本呈等幅度下降，第3階段孔隙壓力變化各點有較大差異，隨堆土高度變化，1～4號點孔壓基本不變，8～10號點孔壓變化幅度最大，5～7號點也呈增大趨勢，但變化幅度沒有8～10號點顯著。

圖3 水平(上)與(下)垂直位移時程曲線

圖4 水平(左)與(右)垂直位移等值線(單位：m)

竣工后土體孔隙壓力逐漸下降，1a后孔隙壓力下降約71%。

上述結果表明，土體中孔隙壓力隨堆土高度和速度增大均呈增大趨勢，孔隙壓力越大，則邊坡穩定性系數越低，越接近竣工期，對邊坡穩定性影響越大，施工速度應越緩慢。

3.2 位移變化特征

各監測點水平、垂直位移時程曲線見圖3。隨堆土高度增大，位移量逐漸增大。

第1階段位移增長較慢，地基沉降接近為0，越接近原地表，水平和垂直位移越大，最大水平位移為20cm；第2階段水平位移變化不明顯，垂直位移逐漸增大，孔隙壓力下降，表明地基發生固結沉降；第3階段受坡度影響，堆土增高引起地基中較大的水平壓力增量，接近原地表監測點水平位移快速增大，地基沉降量則穩定增長，堆土施工結束時，最大水平位移為91.2cm，垂直位移位于堆土厚度較大的8號監測點，堆土施工結束時，最大垂直位移量為38.3cm；第4階段水平位移變化較小，垂直位移則有較大的增長。

計算結果顯示，在整個加荷過程中，應注意對坡腳處位移(特別是水平位移)變化規律的觀察。以此來作為調整加荷速率的依據。

竣工后位移速率呈減慢趨勢，但孔隙壓力變化結果表明，工后孔隙壓力下降速度逐漸變慢，故固結變形時間將較長，工后的各項監測內容不可忽視。

3.3 永久邊坡穩定性

計算得到邊坡最終水平、垂直位移等值線(圖4)。可以看出，堆土施工結束后，填土自身也將發生一定的變形才能達到最終穩定，其中1、2層中等值線變化率大。

水平位移特征：最大水平位移位于坡體中間30～40m標高附近，最大水平位移量達到1.1m，1、2土層均在水平位移影響范圍之內，1層土最終水平位移約為90cm，2層土約為80cm。3層及以下土層受影響較小。垂直位移特征：人工邊坡垂直位移最大值位于坡頂和坡面50～55m標高附近，表明填土自身也要發生較大的壓縮沉降填土表面最大沉降量為70cm(分層總和法計算得地表最大沉降量為67cm)。

上述位移特征表明堆土邊坡最終整體穩定性除跟填土自身強度有關，很大程度上決定于地基土層力學性質，特別是1、2層土，極限平衡法搜索得潛在滑動面也穿過該2層土(圖1)，強度折減法計算得邊坡最終穩定性系數為1.28，低于極限平衡法計算結果(1.32)。

以上2種穩定性系數計算結果接近于《建筑邊坡工程技術規范》(GB 50330-2002)對一級邊坡穩定性系數的要求(1.30)，但變形分析結果表明，堆山施工過程結束后，地基和填土體內部將發生較大的差異變形，不利于邊坡永久穩定，應加強施工期間和工后的監測，并應采取預警措施。

結語

結合該工程實際，計算發現，地基中孔隙壓力受堆土施工過程影響較大，總體上隨堆土高度增大而增大，工后1a孔隙壓力消散最大可達71%，消散速度較慢，工后超孔隙壓力消散將經歷至少1a以上的漫長過程。位移時程分析結果表明，受堆土施工影響，土體中位移變化較大和永久變形最大值的位置位于邊坡體中部，需對該處引起重視。竣工時，原地表最大水平位移為91.2cm，最大垂直位移量為38.3cm。堆土體內部將發生自身壓縮，沉降量約為70cm。根據穩定性系數計算結果，永久邊坡穩定性系數為1.28，判定邊坡較穩定，不滿足安全性要求，填土和地基中最終將發生較大的變形，特別是大的差異變形，不利于邊坡永久穩定，需加強對施工和工后土體變形、孔隙壓力等內容的監測。建議施工中嚴格控制填土壓實度使之達到有關規范要求，堆土施工完成后及時進行坡面綠化以減少降雨入滲量并防止水土流失。

[1]魏永幸,楊建國.邊坡地質災害防治技術研究[J].地質災害與環境保護，2000（03）.

[2]林冠玉.廣州南沙某邊坡地質災害成因及穩定性分析[A].中國地質學會工程地質專業委員會2006年學術年會暨“城市地質環境與工程”學術研討會論文集[C].2006年.