吉縣收費站辦公樓邊坡穩定性分析及處治方案

趙昀昀，王 海

(山西省交通規劃勘察設計院，山西 太原 030006)

吉縣收費站辦公樓邊坡穩定性分析及處治方案

趙昀昀，王 海

(山西省交通規劃勘察設計院，山西 太原 030006)

臨吉高速公路吉縣收費站辦公樓邊坡最高達到124 m，邊坡穩定性及其對辦公樓的安全影響尤為重要。針對邊坡的工程地質特征，采用定性和定量的分析評價方法對邊坡進行了整體和局部穩定性分析，并提出了強化坡體整體穩定性，同時加固坡體局部穩定性的固腳強腰處治方案。

邊坡工程；穩定性；處治

1 前 言

邊坡穩定性分析一直是巖土工程中重要的研究方向，然而其分析評價方法、參數的選取，至今仍是一大難題。邊坡穩定性分析評價方法大致可分為定性和定量分析。定性分析主要通過分析邊坡工程地質條件及特征，依靠經驗或通過工程類比，來分析其穩定狀態，稱為工程地質分析法，這種方法受到個人經驗的影響，分析結果差異較大；定量分析概況起來主要有三類：以極限平衡法為主的傳統算法、以有限元模型為主的模擬計算方法和以現代非線性科學、信息科學為主的新技術方法。在定量計算分析過程中，不可避免地要涉及到由于巖土性質的復雜性導致的不確定性因素，如滑動面位置確定、計算參數選取等。

本文以臨吉高速公路吉縣收費站辦公樓高邊坡為工程實例，將定性與定量分析方法相結合，相互補充完善，使邊坡穩定性分析評價結果更接近實際情況，為滑坡工程治理，預測預警和危險性評價提供依據。

2 工程地質條件

2.1 氣象、水文

邊坡區屬于暖溫帶大陸性氣候，年平均氣溫10 ℃，區內年平均降水量為529.4 mm，年最大降水量828.9 mm，年最小降水量277.6 mm。

2.2 邊坡形態

邊坡區位于黃土殘垣溝壑區，微地貌為黃土沖溝、陡坡、黃土塬等。邊坡坡腳高程在836 m左右，坡頂為黃土塬頂，高程為960 m左右，相對高差124 m，坡角為30°～60°。坡面植被多為荒草和灌木，坡頂為蘋果園。

2.3 地層巖性

路塹邊坡由第四系全新統(Q4)崩積土、第四系上更新統(Q3eol)黃土、中更新統(Q2pl)黃土(粉質粘土)及卵石和新近系上新統(N2)粘土、砂礫組成。

3 邊坡工程地質特征

區內地層主要為第四系全新統(Q4)崩積土、第四系(Q2-3)上～中更新統黃土、新近系上新統(N2)粘土、粉質粘土及鈣質結核層。從上往下可以分為四層。

①層：第四系全新統(Q4)崩積土，分布于邊坡前緣緩平臺上，分布厚度4～7 m，根據走訪調查，邊坡在60年前發生過崩塌，后經過磚廠改造，在緩平臺上僅留下了部分崩積物。崩積土以粉土為主，淡黃色～褐黃色，稍密～松散狀，稍濕，孔隙發育，含水量10.2%～23.3%，巖芯采取率低，多為散土狀。

②層：第四系上更新統(Q3)黃土，分布于邊坡的頂部，以粉土為主，淡黃色，稍密，稍濕狀，節理裂隙和大孔隙發育，在邊坡上多形成呈陡坡地形，厚度15～25 m。本次勘察鉆孔中未揭示該層，根據臨吉高速勘察報告，該土層具濕陷性，孔隙大，易濕陷形成落水洞。

③層：第四系中更新統(Q2)黃土，分布于邊坡中部，以粉質粘土為主，夾有粉土，褐黃色，多為硬塑狀，含水量14.0%～20.1%，垂直節理較發育，邊坡上多形成近直立的陡坎地形。

④層：新近系上新統(N2)粉質粘土，分布于邊坡下部，在鉆孔均有揭露，地表僅在邊坡東側底部有出露。邊坡范圍內該層土體巖性以粉質粘土為主，夾粉土砂礫及卵石層，土體以硬塑狀為主，含水量12.1%～25.6%，地層總體較密實，抗剪強度較好，地基承載力總體較好。部分鉆孔中揭示在該層頂部分布有厚0.5～2.0 m的可塑狀粉質粘土，但空間分布不均勻，在邊坡范圍內不連續。

4 邊坡變形特征

2013年5～7月，邊坡區連續大暴雨，坡面曾發生多次黃土掉塊、坍塌等現象，并伴有少量泥流沖刷下來。根據調查，在辦公樓后斜坡西側，出現多次橫向裂縫及縱向沖溝，裂縫長2～3 m，呈不連續狀，可見寬度0.2～0.3 m。另外，在邊坡上西側發現一處黃土小崩塌，造成坡腰處截水溝堵塞。

綜上所述，目前邊坡未發生大規模的變形，僅在邊坡中部出現少量的橫向卸荷裂隙，伴隨小型黃土崩塌、塌落等現象。

5 邊坡穩定性分析與評價

5.1 邊坡整體穩定性分析

(1)工程類比法

根據臨吉高速公路勘察報告，收費站周邊存在多處黃土崩塌，如吉縣2#隧道進口、吉縣4#隧道進口和K232+390處，其斜坡陡傾，坡度一般大于50°，垂直節理發育，受地表水侵蝕和重力作用，均產生了自然崩塌或滑塌。崩塌體規模一般不大，但其具有突發性，能量較集中，破壞力不能忽視。

另外，在距離收費站辦公樓西側約800 m處的吉昌鎮小府村北山體，于2014年4月22日，受降雨影響，也產生了大型黃土滑坡。

上述產生的黃土崩塌區的工程地質條件與項目區極為相似，且位于同一個地貌單元內，通過類比分析，項目區的邊坡具有產生黃土滑坡的條件，穩定性較差，特別是在持續強降雨的作用下，極易產生崩塌和滑坡。

(2)數值計算法

①參數的選取

邊坡土層抗剪強度參數的取值直接影響邊坡計算、分析的可靠性。本次穩定性分析，C、φ值的選取，是在試驗數據統計分析的基礎上，結合周邊黃土邊坡參數經驗值，綜合選取抗剪強度，取值情況下表1。

表1 邊坡土體物理力學參數表

②數值計算分析

該段邊坡總體上屬于土質滑坡，采用簡化畢肖普法(總應力法)，選取代表性斷面B-B′(見圖1)，對邊坡穩定性進行計算，計算公式如下

(1)

(2)

式中：K為整個滑體剩余下滑力計算的安全系數；b為單個土條的寬度，m；W為條塊重力，kN，浸潤線以上取重度，以下取飽和重度；θ為條塊的重力線與通過此條塊底面中點半徑之間的夾角，度。

圖1 B-B′斷面整體穩定性計算剖面圖

工況最小穩定系數圓心位置及半徑自然狀態1.03圓心坐標:(45.463,114.754)半徑:94.156地震作用下(Ⅶ度區)0.95

根據計算結果(表2)，該邊坡在自然狀態下最不利穩定系數為1.03，說明邊坡在自然狀態下，整體上處于基本穩定狀態。但在不利工況下，邊坡穩定性系數將會降低，具有產生整體滑動的可能性。

綜上所述，該邊坡在自然狀態下，坡體是基本穩定的，發生整體滑動的可能性較小，但在不利工況下，邊坡可能整體失穩。

5.2 邊坡局部穩定性分析

根據邊坡地形特征、構造物設置情況，從縱向上可將邊坡分為三個區，即為邊坡前緣緩平臺區(Ⅰ區)、緩平臺至字牌區(Ⅱ區)和字牌至坡頂區(Ⅲ區)，各區位置見圖2。

(1)Ⅰ區

該區分布高程836～856 m，坡高15～20 m，總體坡向120°，平面上呈圈椅狀，面積約為400 m2，體積約為0.22萬m3。邊坡前緣緩平臺上分布有厚度4.0～7.0 m崩積土，巖性多為粉土，結構松散，含植物根系，崩積土之下多為N2粉質粘土，多為可塑狀態，且為相對隔水層，降雨之后，雨水多滯留于該粉質粘土層之上，難以下滲排泄，使土體飽和，抗剪強度降低，極易使崩積土沿土層分界線向下滑動，產生局部滑塌。綜合評價，該區坡體處于欠穩定狀態。

(2)Ⅱ區

該區分布高程856～890 m，坡高53.0～55.0 m，總體坡向130°。該段地形較陡，坡角在50°～60°左右，坡面分布有少量植被，巖性以第四系中更新統黃土，中密/硬塑，稍濕狀，垂直節理較發育，具大孔隙。根據計算分析(見表3)，該區自然穩定系數為1.17，處于基本穩定狀態。但字牌位置有寬約2.0 m的平臺，平臺之后為直立陡坎，邊坡上部的雨水沿坡面紊流，多匯集于該平臺處，對平臺已造成侵蝕，考慮雨水作用，從平臺處產生拉張裂縫，并形成滑塌的可能性較大。另外在該區東側，坡體多呈直立狀，且近期有黃土局部小塌落。綜合評價，該區坡體處于欠穩定狀態。

圖2 B-B′斷面Ⅱ區局部穩定性計算剖面圖

工況最小穩定系數圓心位置及半徑自然狀態地震作用下(Ⅶ度區)1.171.12圓心坐標:((44.564,56.154)半徑:35.529

(3)Ⅲ區

該區分布高程890～960 m，坡高55.0～125.0 m，總體坡向120°。該段地形較陡，坡角在45～65°，坡面植被發育，巖性為第四系上、中更新統黃土，稍密～中密，稍濕狀，垂直節理發育，具大孔隙。坡頂為黃土塬，平坦開闊，無附加荷載影響；字牌之上坡體植被發育，受到雨水侵蝕作用較小，排水較順暢，根據經驗，該區內坡體產生局部滑塌可能性較小，穩定性相對較好。但下部的Ⅱ區穩定性較差，如果Ⅱ區產生滑動，勢必會牽引該區，造成滑動。

6 處治方案

根據邊坡巖性、結構特征，以考慮坡體整體穩定性為主，輔以加強坡體局部穩定性的固腳強腰處治方案。

建議在字牌位置和緩平臺區頂加強橫向截水溝，將雨水引排至邊坡范圍之外，防止雨水下滲軟化坡體；在坡腳位置設置擋墻，防止緩平臺區(Ⅰ區)崩積物產生滑塌；在Ⅱ區采用土釘墻結構加強該區穩定性，土釘長度15～20 m為宜，并對該區東側較陡不穩定坡體，進行適當削坡，坡率1∶0.75～1∶05為宜；對坡體邊坡穩定性進行監測。

該方案優點：(1)減少對環境的破壞；(2)能保留坡面原有的設施；(3)不侵占坡頂耕地。

7 結 論

(1)根據工程類比及穩定性計算，邊坡在自然狀態下，整體上處于基本穩定狀態，但在不利工況下，邊坡穩定性系數將會降低，具有產生整體滑動的可能性。

(2)對邊坡采用了定性和定量的穩定性評價方法，結果表明邊坡Ⅰ區和Ⅱ區屬于欠穩定狀，Ⅲ區穩定性相對較好。

(3)對該邊坡采用局部加固+支擋+截排水的固腳強腰綜合治理方案。

[1] 鄭穎人.邊坡穩定分析的一些進展[J].地下空間，2001，21(4)：262-265.

[2] 陳祖煜. 土質邊坡穩定分析原理、方法、程序[M] 北京：中國水利水電出版社，2003：135.

2016-05-25

趙昀昀(1985-)，女，工程師，主要從事公路工程勘察設計、試驗及檢測等方面的工作。

U416.1

C

1008-3383(2017)03-0008-03