邯武公路滑坡加固工程穩(wěn)定性分析

丁點點，高 楊

宿州學院地球科學與工程學院，安徽宿州，234000

由邊坡失穩(wěn)引發(fā)的滑坡是一種自然地質現(xiàn)象，降雨是誘發(fā)滑坡的重要因素之一。雨水滲入邊坡之后，會產生附加的動水壓力和靜水壓力，邊坡體原有的應力平衡狀態(tài)在這些荷載的作用下被打破，降雨入滲降低了邊坡的抗滑力，邊坡基質吸力下降；同時，邊坡的安全系數(shù)降低，從而導致滑坡現(xiàn)象的發(fā)生。

近年來，降雨入滲條件下邊坡的穩(wěn)定性為國內外學者研究的熱點，常用的分析方法主要有極限平衡法[1-2]、有限單元法[3-4]和有限差分法[5-6]等，本文基于通用極限平衡法，采用GEO-SLOPE有限元計算軟件，對邯武公路K12+775、K12+750滑坡處進行數(shù)值模擬計算，驗證加固措施的可行性。

1 計算分析理論與方法

1.1 飽和-非飽和滲流理論

滲透系數(shù)k的不同是水流運動在非飽和區(qū)與飽和區(qū)的主要區(qū)別。在非飽和區(qū)域，滲透系數(shù)是基質吸力與飽和度之間的一個關系式；而在飽和區(qū)域，滲透系數(shù)常被視作一常數(shù)。根據(jù)質量守恒原理，飽和-非飽和滲流控制微分方程為[7]:

(1)

式中，kij為飽和區(qū)滲透張量(m/s)，ki3為kij中j=3時對應的飽和滲透系數(shù)(m/s)；kr(h)為相對滲透系數(shù)(m/s)；h為水頭壓力(kPa)；C為容水度(m3/m3)，在飽和區(qū)C=0；β為水的體積壓縮系數(shù)，在非飽和區(qū)域β=0，在飽和區(qū)β=1；Ss為儲水率(m3/m3)；S為匯源項；t為時間變量(s)，xi、xj分別為水平方向和豎直方向。

1.2 計算方法

采用通用極限平衡法(GLE法)進行邊坡的穩(wěn)定性計算。GLE法相對于Bishop、Ordinary、Janbu和Sarma等方法，它同時考慮了水平力和力矩的平衡。極限平衡法中，由力矩平衡可推導出安全系數(shù)方程如下：

(2)

考慮力平衡的安全系數(shù)方程如下：

(3)

式中，c′為有效凝聚力；φ′為有效摩擦角；μ為孔隙水壓力；N為條塊底部法向力；N為條塊底部法向力；W為條塊重量；D為線荷載；A為合成外部水壓力；α為土體底部傾斜角；β、R、x、f、d、w為幾何參數(shù)。

屈服準則采用摩爾-庫倫強度準則：

τ=c+σntanφ

(4)

式中，τ為抗剪強度(即剪切破壞)；c為粘聚力；σn為剪切面上的法向力，φ為內摩擦角。

2 工程實例分析

2.1 工程概況

受強降雨的影響，邯武公路K12+808～ K12+715段發(fā)生了滑坡，滑坡體積約為56 000 m3。滑坡的產生不僅阻礙了交通，而且威脅到坡頂處天主教堂和旁側天橋的穩(wěn)定，如不進行及時治理，隨著雨水的進一步入滲，將可能導致公路掩埋、旁側天橋失穩(wěn)以及坡頂教堂垮塌。

根據(jù)鉆探和槽探資料，并結合上部區(qū)域地質資料，滑坡體主要由第①層微-中風化粗砂巖和第②層全風化粗砂巖組成；滑坡面主要由第③層全風化泥巖組成；滑坡床主要由第④層強-中風化泥巖和第⑤層微風化泥巖組成。

2.2 滑坡加固措施

滑坡區(qū)的加固擬采用鋼筋混凝土抗滑樁、連梁及預應力錨桿聯(lián)合加固。具體做法為抗滑樁沿坡面布置兩排，第一排樁沿斜坡面距擋墻10 m，第二排樁沿斜坡面距第一排樁30 m，樁徑均為1.3 m，間距4 m；抗滑樁樁頂用梯形連梁連接，梯形連梁底寬1.5 m，高0.5 m，斜面與垂直方向夾角為25°；連梁和抗滑樁均施工完成后，恢復擋墻。

2.3 參數(shù)選取

根據(jù)現(xiàn)有的地質資料和相關經驗值，滑坡處的巖土體物理力學參數(shù)的選取如表1所示。

抗滑樁的直徑為1.3 m，間距為4 m，下排樁深度為8 m，上排樁深度為12 m，抗剪力大于等于1 300 kN，樁的安全系數(shù)為1.5。

表1 各巖土層的物理力學參數(shù)

2.4 計算剖面選取

根據(jù)現(xiàn)場觀察踏勘及給出的滑坡剖面圖，選取樁號為K12+775和樁號為k12+750兩剖面進行分析，具體剖面圖如圖1和圖2所示。

圖1 樁號為K12+775邊坡剖面圖

圖2 樁號為K12+750邊坡剖面圖

3 邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 滑坡前的邊坡穩(wěn)定性分析

圖3 樁號為K12+775邊坡滑坡前的安全系數(shù)

圖3和圖4分別為樁號K12+775和K12+750邊坡支護前的安全系數(shù)圖。從圖中可以看出，滑坡前樁號為K12+775和K12+750邊坡安全系數(shù)分別為0.863和1.063，邊坡安全系數(shù)均小于1.1，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，會沿全風化泥巖軟弱層發(fā)生滑坡。

圖4 樁號為K12+750邊坡滑坡前的安全系數(shù)

圖5 加固后K12+775邊坡潛在滑動面處于不同位置的安全系數(shù)

3.2 K12+775邊坡支護后的邊坡穩(wěn)定性分析

布設雙排樁、梁的邊坡穩(wěn)定性分析。圖5為雙排樁、梁加固后K12+775邊坡潛在滑動面可能出現(xiàn)的位置的安全系數(shù)圖。由圖5(a)可以看出，當滑動面處于坡腳和坡頂之間時，邊坡的安全系數(shù)為1.204，此時邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，不會沿全風化泥巖軟弱層發(fā)生滑坡。由圖5(b)可以看出，當滑動面處于下排樁與坡頂之間時，邊坡的安全系數(shù)為1.347，大于1.2，邊坡不會發(fā)生破壞。從圖5(c)可以看出，當滑坡面處于坡頂與上排樁之間時，邊坡的安全系數(shù)為2.819，邊坡不會在這兩者之間發(fā)生破壞。通過對這三種滑動面可能出現(xiàn)位置的邊坡安全系數(shù)進行對比分析，可以看出采取雙排樁、梁的支護措施十分有效，能夠保證邊坡的穩(wěn)定性。

3.3 K12+750邊坡支護后的邊坡穩(wěn)定性分析

圖6為雙排樁、梁加固后K12+750邊坡安全系數(shù)圖，從圖6中可以看出，采用雙排樁、梁固后邊坡的穩(wěn)定性極高，相比滑坡前的安全系數(shù)1.063有了極大的提高，說明采用雙排樁、梁支護能夠確保邊坡的穩(wěn)定性。

圖6 雙排樁、梁加固后K12+750邊坡安全系數(shù)

4 結 論

通過對樁號K12+775及K12+750滑坡支護前后安全系數(shù)的對比，可以得出以下結論：

(1)K12+775段采取加固措施后，滑動面處于坡腳和坡頂之間、下排樁與坡頂之間或坡頂與上排樁之間時，邊坡的安全系數(shù)均大于1.2，此時邊坡基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會發(fā)生失穩(wěn)破壞。

(2)采用雙排樁、梁加固后，K12+750邊坡安全系數(shù)為20.3，相比滑坡前的安全系數(shù)1.063有了極大的提高，說明采用雙排樁、梁支護能夠確保邊坡的穩(wěn)定性。

[1]Rahimi A,Rahardjo H,Leong E C,et al.Effect of antecedent rainfall patterns on rainfall-induced slope failure[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2011,137:483-491

[2]Rahardjo H,Nio A S,Leong E C,et al.Effect of groundwater table position and soil properties on stability of slope during rainfall[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2010,136:1555-1564

[3]Cai F,Ugai K.Numerical analysis of rainfall effects on slope stability[J].International Journal of Geomechanics,2004,4:69-78

[4]婁一青.降雨條件下邊坡滲流及穩(wěn)定有限元分析[J].水利學報,2007,42(S1):346-351

[5]榮冠,王思敬，王恩志，等.強降雨下元磨公路典型工程邊坡穩(wěn)定性研究[J].巖石力學與工程學報,2008,27(4):704-711

[6]宋曉晨,徐衛(wèi)亞，邵建富，等.霧雨作用下的非飽和邊坡穩(wěn)定性分析[J].河海大學學報：自然科學版,2002,30(6):16-20

[7]周家衛(wèi),徐衛(wèi)亞，鄧俊曄，等.降雨入滲條件下邊坡的穩(wěn)定性分析[J].水利學報,2008,39(9):1066-1073