邊坡穩(wěn)定性反演分析的簡(jiǎn)易方法

袁曉波 李東亮 蔡曙周

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司,北京 100055)

1 概述

在地質(zhì)選線(xiàn)過(guò)程中,需要科學(xué)地評(píng)價(jià)斜坡的穩(wěn)定性,并給出相對(duì)合理的評(píng)估結(jié)果[13]。 地質(zhì)選線(xiàn)是以繞避、防范鐵路建設(shè)及運(yùn)營(yíng)期間可能發(fā)生的地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害,降低、減小鐵路工程建設(shè)及營(yíng)運(yùn)安全風(fēng)險(xiǎn)為目的的過(guò)程[4,5]。

在山區(qū)選線(xiàn)過(guò)程中,需要對(duì)線(xiàn)路附近邊坡的狀態(tài)進(jìn)行分析。 受限于選線(xiàn)工作的時(shí)間要求,若逐一對(duì)線(xiàn)路附近邊坡進(jìn)行勘探、取樣、測(cè)試、分析、評(píng)定等工作,其工程量太大,不切合工作實(shí)際[69]。 通過(guò)參數(shù)反演分析,可高效地解決上述問(wèn)題。

楊令強(qiáng)等[10]通過(guò)統(tǒng)計(jì)理論反演巖土體參數(shù),分析抗滑樁受力并進(jìn)行邊坡可靠度分析;蔡影[11]基于強(qiáng)度折減系數(shù),采用有限元及MATLAB 等軟件進(jìn)行擬合分析,反演出較準(zhǔn)確的抗剪參數(shù);易念平等[12]假定土體較均勻,考慮空間、荷載、滲流效應(yīng),編制程序?qū)吰逻M(jìn)行反演分析;王家臣等[13]對(duì)軟弱地基邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了三維反演分析;安關(guān)峰等[14]將遺傳算法與有限元數(shù)值分析方法相結(jié)合,反演巖土參數(shù)。

從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析出發(fā),定性分析斜坡所處的穩(wěn)定狀態(tài),并結(jié)合物探成果,利用Janbu 條分法對(duì)斜坡的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行反演分析。

2 工程概況

地形地貌:工點(diǎn)位于九寨溝縣漳扎鎮(zhèn)白水河左岸,地貌單元屬構(gòu)造侵蝕中高山峽谷,溝谷切割較深,斜坡山體陡峻,坡度約43°,坡面順直。

地層巖性:斜坡地層主要為第四系堆積體,巖性為碎石土,成份為碎石夾粉土。 巖性雜亂,主要為灰?guī)r、板巖碎塊,偶見(jiàn)千枚巖、粗粒砂巖,分選性差,顆粒最大約500 mm,最小約3 mm,主要為次棱角狀,少量顆粒具有磨圓度。

工程地質(zhì):工程場(chǎng)地位于川青塊體、甘南塊體的交界部位,斷裂構(gòu)造發(fā)育。 河谷發(fā)育塔藏?cái)嗔?為塊體邊界斷裂(東昆侖斷裂)的東段,斷裂帶產(chǎn)狀200 ～210°∠70 ～80°。 受斷裂影響,白水河兩側(cè)出露的基巖破碎,崩塌滑坡發(fā)育,受地震、斷裂構(gòu)造、地質(zhì)災(zāi)害影響較大,工程地質(zhì)條件復(fù)雜。

水文地質(zhì):地表水主要為白水河,河面寬約12 m,坡面未見(jiàn)地下水及泉點(diǎn)出露,坡頂后方2 ～5 m 處可見(jiàn)截水溝。 地下水主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降雨及白水河入滲,以泉點(diǎn)及地下徑流的方式排泄;地表水主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降雨及雪水融化,排泄方式為地表徑流及入滲地下水。

不良地質(zhì):陡坎坡面存在淺層崩塌現(xiàn)象,山坡坡面局部存在表層的溜塌現(xiàn)象。

3 斜坡穩(wěn)定性分析

3.1 斜坡形態(tài)分析

斜坡前緣位于九環(huán)公路,九環(huán)公路為連接九寨溝縣城與九寨溝景區(qū)的唯一通道。 九環(huán)公路修建過(guò)程中,對(duì)斜坡前緣進(jìn)行了削坡,人為造成邊坡坡腳變陡,在斜坡前緣形成了高陡的臨空面。 據(jù)實(shí)測(cè)資料,斜坡前緣臨空面高28.5 ～40 m,坡度約72°,斜坡坡腳有矮墻,坡面無(wú)防護(hù)(見(jiàn)圖1)。

斜坡形態(tài)為后緣窄、前緣寬,總體走向呈南西向。前緣高程為2 052 m,后緣高程為2 280 m,相對(duì)高差約228 m。 橫向?qū)挾燃s500 m,軸長(zhǎng)約330 m,斜坡面積約114 730 m2,平均坡度約43°。 從斜坡縱斷面形態(tài)上看,斜坡無(wú)中間緩坡平臺(tái),基本上為“一坡到頂”。

3.2 物探解譯

圖1 斜坡坡腳

選線(xiàn)期間,為評(píng)估斜坡穩(wěn)定性,對(duì)斜坡進(jìn)行了高密度電法物理探測(cè),主要目的為探測(cè)覆蓋層厚度,以及潛在滑動(dòng)面、巖性界線(xiàn)、構(gòu)造(斷層、破碎帶)位置。

測(cè)線(xiàn)總長(zhǎng)456 m,測(cè)深至完整基巖下20 m,一般地段電極間距為10 m,異常地段加密至5 m。 坡腳巖性主要為碎石土,臨空面高度28.5 m。 物探顯示,近地表反演電阻率等值線(xiàn)較雜亂,電阻率高低阻相間,推斷為近地表差異風(fēng)化所致,厚度范圍為5 ～30 m,最大深度為30 m。 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,坡腳處巖性較均勻,故將解譯的滑坡最低點(diǎn)與坡腳相連,作為本次斜坡的潛在滑面進(jìn)行深層滑動(dòng)計(jì)算(如圖2 所示)。

圖2 斜坡物探成果

3.3 斜坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)調(diào)查分析,斜坡后緣未發(fā)現(xiàn)強(qiáng)變形,且近50 年未發(fā)生大規(guī)模滑動(dòng),天然狀態(tài)下穩(wěn)定性較好。 根據(jù)物探顯示,斜坡電阻率變化不大,前緣未發(fā)現(xiàn)電阻率異常點(diǎn),說(shuō)明斜坡前緣土體較為均勻,可假設(shè)斜坡土體整體力學(xué)性質(zhì)差異不大,采用綜合力學(xué)參數(shù)進(jìn)行反演分析。 根據(jù)調(diào)查分析,斜坡前緣出露為碎石土,碎石含量為70% ～80%,其間充填粉土,膠結(jié)較好。

天然狀態(tài)下坡面穩(wěn)定性:根據(jù)鄭穎人[15,16]《邊坡與滑坡工程治理》以及《有限元極限分析法及其在邊坡中的應(yīng)用》中的有關(guān)內(nèi)容來(lái)確定反演分析的安全系數(shù),從地質(zhì)變形、位移速率監(jiān)測(cè)和坡體穩(wěn)定性定量分析三個(gè)方面,提出滑坡的四階段演化過(guò)程,分別為穩(wěn)定狀態(tài)、弱變形狀態(tài)、強(qiáng)變形狀態(tài)和臨滑狀態(tài)。

坡面臨空較陡,不時(shí)有石塊從臨空面掉落,表明實(shí)測(cè)斷面小里程端有坡面處于溜坍狀態(tài),部分已經(jīng)溜坍完畢,如圖3 所示。 根據(jù)狀態(tài)分級(jí)指標(biāo)表,坡面處于蠕動(dòng)變形階段(等速變形至加速變形之間)。 由此建議反演分析時(shí),天然狀態(tài)下安全系數(shù)k 取1.04。

圖3 斜坡坡面處于極限平衡狀態(tài)

地震情況下整體穩(wěn)定性分析:區(qū)內(nèi)受地震影響頻繁,根據(jù)中國(guó)地震區(qū)劃圖,場(chǎng)區(qū)屬Ⅷ度區(qū)。

根據(jù)中國(guó)地震局2017 年8 月12 日發(fā)布的《四川九寨溝7.0 級(jí)地震烈度圖》,該斜坡地震烈度達(dá)到Ⅸ度,地震后,斜坡發(fā)生了淺層溜塌,坍塌點(diǎn)距路面高約20 m,寬約12 m,地震后斜坡如圖4 所示。 由此建議在地震條件下進(jìn)行反演分析時(shí),取邊坡整體穩(wěn)定系數(shù)k為1,坡面穩(wěn)定系數(shù)k 為0.99。

圖4 斜坡震后坡面崩塌

4 反演分析

本次計(jì)算采用試算法,通過(guò)三種工況反演分析斜坡的力學(xué)參數(shù)。 第一種工況為前緣臨空面處于即將失穩(wěn)狀態(tài),利用理正巖土軟件,采用折線(xiàn)滑面簡(jiǎn)化Janbu條分法進(jìn)行滑面搜索。

物探顯示,前緣電阻率差別不大,現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查巖性差別亦不大,將巖土體概化為均質(zhì)滑坡,反演得到滑坡的綜合強(qiáng)度參數(shù)[8](如表1 所示)。

表1 天然狀態(tài)下坡面參數(shù)反演值

自動(dòng)搜索坡面最危險(xiǎn)滑面(如圖5 所示),通過(guò)固定c 值,調(diào)整φ 值,使計(jì)算的k=1.04,即可得到土層參數(shù)c-φ 曲線(xiàn)(如圖6 所示)。

圖5 自動(dòng)搜索的坡面最危險(xiǎn)滑面

圖6 天然坡面穩(wěn)定性系數(shù)k=1.04 曲線(xiàn)

第二種工況為根據(jù)地震狀態(tài)下坡面崩塌處于極限穩(wěn)定狀態(tài),k=0.99,采用折線(xiàn)條分法進(jìn)行反演分析計(jì)算(如表2、圖7 所示)。

表2 地震狀態(tài)下坡面參數(shù)反演值

圖7 地震條件下坡面穩(wěn)定系數(shù)(k=0.99)曲線(xiàn)

第三種工況為歷史地震最大烈度取Ⅸ度,邊坡處于極限穩(wěn)定狀態(tài),k=1,采用折線(xiàn)條分法進(jìn)行反演分析計(jì)算(如表3 所示)。

表3 地震狀態(tài)下斜坡整體參數(shù)反演值

滑坡計(jì)算中,采用物探解譯滑面,如圖8 所示。

圖8 整體穩(wěn)定性計(jì)算

地震條件下整體穩(wěn)定性系數(shù)曲線(xiàn)如圖9 所示。

圖9 地震條件下整體穩(wěn)定性系數(shù)(k=1)曲線(xiàn)

反演分析匯總分析:將不同狀態(tài)反演分析得到的數(shù)值匯總,如圖10 所示。

圖10 反演結(jié)果匯總

根據(jù)邊坡目前所處狀態(tài),邊坡力學(xué)參數(shù)取值位于圖10 的陰影區(qū)時(shí),才能滿(mǎn)足前述的三種工況。

由圖10 可以看出,斜坡坡面穩(wěn)定系數(shù)中,c-φ 曲線(xiàn)斜率較大;斜坡整體穩(wěn)定系數(shù)中,c-φ 曲線(xiàn)斜率較小。 因此,c 值對(duì)坡面穩(wěn)定性影響較大,φ 值對(duì)斜坡整體穩(wěn)定性影響較大。 在實(shí)際工程處理中,表層的溜塌可以通過(guò)坡面削坡、坡面防護(hù)進(jìn)行處理;深層滑動(dòng)安全系數(shù)一般決定著線(xiàn)性工程是否可以從附近通過(guò)。 因此,在地質(zhì)選線(xiàn)過(guò)程中,滑坡最不利位置宜選取陰影區(qū)中底部邊界,即φ 值較小的區(qū)域。

將圖10 陰影區(qū)底部參數(shù)帶入計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如表4 所示。

表4 天然狀態(tài)下邊坡整體穩(wěn)定系數(shù)

根據(jù)《鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10025—2006),天然狀態(tài)下,k≥1.2;地震作用下,k≥1.15。 根據(jù)中國(guó)地震區(qū)劃圖,該場(chǎng)地烈度為Ⅷ度,地震動(dòng)峰值加速度為0.2g,在地震作用下,穩(wěn)定系數(shù)k=1.15 時(shí),下滑推力為460 kN/m。

通過(guò)計(jì)算的滑坡推力可以看出,線(xiàn)路從該滑坡通過(guò)存在的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)較小。

5 結(jié)束語(yǔ)

山區(qū)地質(zhì)選線(xiàn)中,線(xiàn)路通過(guò)不良地質(zhì)體時(shí),對(duì)施工及后期運(yùn)營(yíng)安全有極大的威脅,極端狀態(tài)下,可能造成線(xiàn)路方案不成立。 因此,在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育地區(qū),地質(zhì)選線(xiàn)尤為重要。

通過(guò)物探解譯推測(cè)斜坡潛在滑面,采用Janbu 條分法并結(jié)合物探成果,判定線(xiàn)路從斜坡經(jīng)過(guò)的可行性。根據(jù)邊坡實(shí)際狀況及地震狀態(tài)情況,反演計(jì)算斜坡的物理力學(xué)參數(shù),分析斜坡的穩(wěn)定性,得到斜坡在天然狀態(tài)下穩(wěn)定系數(shù)為1.2,地震工況下滑坡推力為460 kN/m。 由此可以認(rèn)為,線(xiàn)路可以從斜坡經(jīng)過(guò)。

在反演過(guò)程中,對(duì)邊坡的參數(shù)進(jìn)行有限元分析,再與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析,可以更好地反映邊坡土體的實(shí)際狀態(tài),為后期進(jìn)行邊坡支擋設(shè)計(jì)提供可靠的力學(xué)參數(shù)。