土質邊坡淺層失穩處治技術研究

文∕田原

1 前言

在公路、鐵路的施工和運營過程中，土質邊坡水毀破壞現象時常發生。據統計，約80%土質邊坡失穩破壞由水毀引起，其中以邊坡淺層失穩最為常見[1]。在自然環境中，邊坡淺層土體受氣候、降雨等影響，導致土體密實度降低、強度減小，進而引發邊坡失穩破壞。近年來，受全球變暖影響，強降雨發生頻率及強度有顯著增加趨勢。2019年，受臺風利奇馬影響導致的強降雨，使華東地區出現了多處邊坡水毀滑坍事故，嚴重威脅了公路運營安全，并造成了巨大的經濟損失。因此，開展土質邊坡滑坍處治技術研究對于公路、鐵路建設具有重要意義。

為了尋求更高效的邊坡淺層失穩處治技術，本文基于邊坡淺層失穩破壞機理，探尋合理的邊坡穩定性分析方法，在此基礎上對常用邊坡淺層失穩處治方案進行計算分析。

2 土質邊坡淺層失穩破壞模式

降雨導致土質邊坡淺層土體處于浸潤狀態，進而造成土粒間基質吸力降低、抗剪強度減小、土體重度增大、邊坡下滑力增加、抗滑力降低，使邊坡發生失穩破壞。而根據雨水浸潤深度不同，可分為整體曲面與順坡曲面兩種破壞模式，如圖1 所示[2]。

圖1 土質邊坡淺層失穩破壞模式

一般情況下，通過圓弧條分法可以較準確地計算均質邊坡的穩定安全系數及滑動面。但是，對于順坡曲面破壞模式來說，由于圓弧條分法破壞面形狀與實際不符，且計算出的安全系數較大，偏危險；由此，可定義由任意圓弧及其同材料交界面組成的組合滑面，并運用條分法搜索最不利滑動面，然后計算邊坡穩定安全系數。

3 計算模型

計算模型幾何形式為12m 高土質折線形邊坡，折線上部高度8m，寬度12m，折線下部高度4m，寬度7m，浸潤深度為d，如圖2 所示[3]。邊坡土體為路基常用填料粉質粘土，土體相關計算參數如表1 所示。

表1 土體計算參數

圖2 計算模型幾何尺寸

通過邊坡穩定性分析軟件Rocscience Slide 計算邊坡的穩定安全系數與滑動面，計算并考慮浸潤區深度d=0（不浸潤）、d=1.5、d=3、d=4 四種情況，并基于Bishop 法分別采用圓弧滑面及組合滑面兩種計算模式計算邊坡穩定安全系數及滑動面，計算結果如圖3 所示。由計算結果可知，浸水軟化可以顯著降低邊坡穩定安全系數；當浸水范圍較小時，采用圓弧滑面得到偏危險的邊坡穩定性計算結果；浸水軟化范圍越大，滑面形狀越接近圓弧滑面，即表現為整體曲面破壞模式[4]。

圖3 邊坡穩定性計算結果

圖4 安全系數隨浸潤深度變化規律

根據圖3，繪制邊坡穩定安全系數隨浸潤深度變化規律。如圖4 所示，隨著浸潤深度的增加，邊坡穩定安全系數逐漸降低并趨于穩定。當安全系數降至1 時，邊坡土體處于極限平衡狀態，將發生失穩破壞，可將該深度定義為邊坡淺層失穩浸潤深度控制閾值，本例中控制閾值為浸潤深度d=1.5m，該閾值受土體浸潤導致強度參數降低水平、坡面幾何尺寸等因素影響。

4 邊坡淺層失穩處治方案算例分析

為提高邊坡穩定性，通常采用注漿處理、設置抗滑鋼管樁、土釘支護等措施。注漿處理可提高土體強度，而設置抗滑樁、土釘，可增加抗滑力，提高邊坡穩定性。

上文中，當土體浸潤深度為1.5m 時，邊坡處于極限平衡狀態，將發生淺層失穩破壞，因此我們通過對設置抗滑樁、土釘支護、注漿處理三種處治方案進行分析，尋找到了合理的邊坡淺層失穩處置方案。

4.1 抗滑樁

受施工工藝限制，抗滑樁一般設置于水平面上，計算模型中抗滑樁設置于坡頂邊緣內側0.5m 處，共設置一排，縱向間距1.5m，樁長7m，剪切強度20kN，如圖5 所示。在圖 5 中Fs=1.027 所對應滑動面為未設置抗滑樁時危險滑動面；Fs=1.042 所對應滑動面為設置抗滑樁時危險滑動面。可見，由于抗滑樁設置于危險滑面上部位置，該處下滑力較小，因此通過設置抗滑樁無法有效提升邊坡穩定性。

圖5 抗滑樁支護

4.2 土釘支護

從坡頂向下豎向每隔2m 設置一排土釘，共四排，沿線路方向土釘間距為2m，土釘長7m，與水平方向夾角為15°，抗拉力為50kN/m，如圖6 所示。在圖6 中，Fs=1.027 所對應滑動面為未設置抗滑樁時危險滑動面，此時抗滑穩系數為1.027；Fs=1.983 所對應滑動面為設置土釘時危險滑動面。由此可知，設置土釘能夠顯著提高邊坡穩定性；但其土釘支護需在坡面上噴漿防護，且后期綠化難度較高。

圖6 土釘支護

4.3 注漿處理

采用淺層壓力注漿技術對深度2m 范圍內邊坡淺層土體進行注漿處理，通過注漿充填、滲透、擠密效應可以排出土體孔隙中的水分和空氣，使坡面及坡面以下2m 范圍內土體形成一個固結帶，提高淺層土體強度，增加土體抗滲性，防止水土流失。一般情況下，還可以保證土體強度參數不低于浸潤前的水平，即邊坡穩定安全系數不低于未浸潤時的1.964，且有利于邊坡綠化植被生長。

圖7 注漿處理

5 結語

5.1 在邊坡淺層土體軟化造成的失穩破壞情況下，組合滑動面能夠更準確地計算出安全系數與滑動面位置。

5.2 相比于抗滑鋼管樁，土釘支護與注漿處理能夠更有效處治邊坡淺層失穩破壞。