西北山區(qū)公路紅砂巖與黏土混合泥石堆積層穩(wěn)定性分析

石峰勇 劉博洋 王鑫 烏日娜

（1.內(nèi)蒙古阿拉善盟交通運輸事業(yè)發(fā)展中心，內(nèi)蒙古 阿拉善盟 750300；2.內(nèi)蒙古阿拉盟交通運輸工程質(zhì)量和農(nóng)村公路服務(wù)中心，內(nèi)蒙古 阿拉善盟 750300）

紅砂巖與黏土混合泥石堆積層滑坡在我國西北地區(qū)較為常見，其土體穩(wěn)定性受多種因素影響，且土體滑移條件較為復(fù)雜。公路建設(shè)工程項目在線路布設(shè)控制點的制約因素下，在穿越不良地質(zhì)路段時，對紅黏土砂礫堆積層切坡開挖后，切坡側(cè)土體的穩(wěn)定性極易受到外界因素擾動及雨雪天氣影響，引起破內(nèi)剪應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生坡面及破內(nèi)剪切破壞，最終誘發(fā)沿路切坡土體的曲面滑坡。

一、紅砂巖與黏土混合泥石堆積層特性

內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善左旗敖倫布拉格境內(nèi)穿越大壩山盤山路段的滑坡體為紅砂巖與黏土混合泥石堆積層，呈泥狀膠結(jié)結(jié)構(gòu)，強度及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受外界自然環(huán)境的影響較為明顯，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)其物理特性有易風(fēng)化、遇水脹解性、高透水性、強保水性等。具體表現(xiàn)為該地堆積層孔隙率較大，經(jīng)過日照及風(fēng)蝕及雨水的反復(fù)作用下，易崩解成小碎塊，且體積略有增加，膨脹率約為1.3%～4.8%，崩解后遇水易軟化，崩解后土體的整體性及板塊性較差，且土體強度下降較快，物理結(jié)構(gòu)發(fā)生變化后其強度表現(xiàn)具有不可逆轉(zhuǎn)性。由于該對基層中黏土混合泥石占比較高，因此堆積層土體穩(wěn)定的情況下，其強度相對松散破碎狀態(tài)下較高，發(fā)生土體滑移時內(nèi)部土體常表現(xiàn)出較為明顯的剪應(yīng)力突變。

二、紅砂巖與黏土混合泥石堆積層穩(wěn)定性分析

（一）強度折減理論

根據(jù)目前主流研究成果來看，土體穩(wěn)定性分析中廣泛采用的數(shù)值分析方法是有限元法，而強度折減法則是有限元分析中最為常用的分析方法，它能夠模擬復(fù)雜地貌和地質(zhì)構(gòu)成的土體穩(wěn)定性問題計算機分析。強度折減法主要思路是將切坡側(cè)土體的強度參數(shù)（抗拉強度、黏聚力c、內(nèi)摩擦角Ф）同時除以一個折減系數(shù)（記作“F”），通過強度折減的反復(fù)迭代計算，不斷將新得到的c′和Ф′作為新的計算參數(shù)，直至切坡側(cè)土體達(dá)到極限平衡狀態(tài)并發(fā)生剪切破壞為止。土體強度參數(shù)值與極限破壞時得到的強度參數(shù)值之比，就是要計算的穩(wěn)定安全系數(shù)。計算中，考慮切坡側(cè)土體的重力加速度為常數(shù)、邊坡荷載作用不變，計算收斂過程中切坡側(cè)土體達(dá)到極限狀態(tài)后，土體內(nèi)部發(fā)生剪切破壞，可得到切坡側(cè)土體的最小穩(wěn)定安全系數(shù)，之后根據(jù)土體彈塑性計算結(jié)果便可以得到切坡側(cè)土體的滑移破壞面位置所在。由于強度折減法不但可以滿足切坡側(cè)土體的非線性應(yīng)力-應(yīng)變分析計算，還可以用于應(yīng)變相容、靜力平衡條件下的切坡側(cè)土體穩(wěn)定性分析，因此該方法的適用范圍較為廣泛。

尋找切坡側(cè)土體失穩(wěn)的臨界狀態(tài)，需要對土體的強度參數(shù)黏聚力c和內(nèi)摩擦角Ф進(jìn)行折減計算：

根據(jù)摩爾庫侖準(zhǔn)則，折減因數(shù)表示切坡側(cè)土體的實際抗剪強度與極限平衡狀態(tài)時抗剪強度之比。在此，切坡側(cè)土體穩(wěn)定性安全系數(shù)在有限元強度折減法中同樣可以定義為：切坡側(cè)土體到達(dá)極限破壞狀態(tài)時，對切坡側(cè)土體的抗剪強度指標(biāo)（c黏聚力、內(nèi)摩擦角）進(jìn)行折減的程度，巖土體的實際抗剪強度與折減后臨界破壞（極限破壞）時的剪切強度的比值為安全系數(shù)。

通過對切坡土體的抗剪強度參數(shù)黏聚力cF和內(nèi)摩擦角φF進(jìn)行折減后，方可對切坡側(cè)土體的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值運算分析，迭代運算后得到切坡側(cè)土體處于極限平衡臨界破壞狀態(tài)時的折減系數(shù)，就是極限平衡狀態(tài)下的切坡側(cè)土體的穩(wěn)定安全系數(shù)FS，進(jìn)而找到切坡側(cè)土體的土體滑坡面位置，并仿真模擬出土體滑坡面的具體形態(tài)。

（二）堆積層失穩(wěn)判定與分析

由上文折減理論闡述，切坡側(cè)土體穩(wěn)定安全系數(shù)通過折減迭代計算，以極限形式存在的一個參數(shù)常量。在目前相關(guān)研究領(lǐng)域內(nèi)，基于有限元仿真分析時，切坡側(cè)的土體失穩(wěn)判定類型有三種。

1.以土體位移收斂性為判定依據(jù)

一般以土體剪切強度折減計算中，剪應(yīng)力或滑坡土體位移不收斂為失穩(wěn)的判定依據(jù)；在迭代運算時，仿真模型土體的位移增量、位移變形量、荷載增量三種曲線均存在收斂點（極值點）。

2.以系統(tǒng)能量守恒為判定依據(jù)

一般根據(jù)功能原理，仿真模型土體的內(nèi)部機械能和收到的外部應(yīng)力對研究土體的外力做功相等，當(dāng)切坡側(cè)土體的強度折減到一定程度時（表現(xiàn)為達(dá)到極限平衡狀態(tài)），外力做功高于土體的內(nèi)部機械能時，其多余能量將被釋放，繼而引發(fā)切坡側(cè)土體失穩(wěn)滑移；在仿真運算時，計算結(jié)果一般可能存在一定的計算偏差。

3.以復(fù)雜系統(tǒng)突變性為判定依據(jù)

一般通過切坡側(cè)土體坡腳到坡頂?shù)呢灤┝芽p為判定依據(jù)，此時表現(xiàn)為位移突變量或者塑性應(yīng)變增加量，隨著強度的不斷折減，產(chǎn)生自上而下的貫穿位移（土體裂縫）；切坡側(cè)土體的極限平衡狀態(tài)突變?yōu)闃O限破壞狀態(tài)，當(dāng)塑性區(qū)域整體貫穿即發(fā)生土體滑移，此時可以根據(jù)位移突變點具體位置、塑性應(yīng)變增加量計算得到相對應(yīng)的強度折減系數(shù)，卻具有相對較高的安全性系數(shù)。

三、建模與ANSYS仿真分析

調(diào)取內(nèi)蒙古大壩山烏力吉至大壩山（巴阿界）公路的地勘數(shù)據(jù)，并對研究路段的切坡側(cè)土體進(jìn)行土工試驗，得到相關(guān)巖土參數(shù)如表1所示。

表1 切坡側(cè)土體材料參數(shù)

通過對研究路段現(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn)，坡頂存在最大寬度為25cm的延坡橫向裂縫。

圖1 最大裂縫位置平面圖

圖2 最大裂位置縫橫斷面圖

根據(jù)研究路段的現(xiàn)場地形踏勘、地勘及土工試驗數(shù)據(jù)，基于ANSYS建立有限元平面應(yīng)變數(shù)值計算模型。

圖3 最大裂位移處滑動面仿真

綜上所述，通過折減理論對山區(qū)公路切坡側(cè)紅砂巖與黏土混合泥石堆積層土體的受力及計算分析，結(jié)合土體失穩(wěn)條件判定和分析，利用ANSYS仿真建模有效證明了該路段切坡側(cè)土體存在潛在滑移風(fēng)險，為該路段的地質(zhì)災(zāi)害隱患處置提供了有利理論依據(jù)。

四、紅砂巖與黏土混合泥石堆積層土體滑移處置措施

公路切坡側(cè)土體滑移處置的一般原則是在保證措施安全可靠的前提下，工程施工便捷且工程造價經(jīng)濟合理。通常情況下，可采用修筑混凝土抗滑樁、修筑擋土墻、土體內(nèi)噴射錨固混凝土、滑體刷坡這四類處置措施。但是，結(jié)合大壩山烏力吉至大壩山（巴阿界）公路山區(qū)紅黏土砂礫高切坡路段的地質(zhì)材料類型和仿真滑移面測算情況來看，由于切坡側(cè)滑體高度達(dá)12m、滑體側(cè)向土壓力較大，修筑混凝土抗滑樁或擋土墻的混凝土用量較大，考慮材料運距及混凝土價格等工程經(jīng)濟制約性因素來看，這兩種處治方式經(jīng)濟可行性較低。

因此，在處治方案比選中，優(yōu)先推薦刷坡或噴射混凝土錨固滑體兩種方式。對切坡失穩(wěn)土體刷坡時，在確定經(jīng)濟刷坡坡腳后，優(yōu)先對滑體整體性較差的部分進(jìn)行臺階開挖，然后充分利用滑體后方土體及下方巖體的穩(wěn)定性和承載力，從坡體中上部位開始配合向土體內(nèi)噴射混凝土進(jìn)行上部錨固，以增強土體的整體性和穩(wěn)定性。對切坡側(cè)土體處治完畢后，還需要做好相應(yīng)的防護(hù)及監(jiān)測：在坡頂需要做好排水措施，避免雨季積水下滲對后方土體的整體性和穩(wěn)定性造成不良影響；二是在切坡土體刷坡后的下方土體表面輔以抗沖刷防護(hù)材料鋪筑；三是在坡頂對已存在、新發(fā)生的裂縫進(jìn)行監(jiān)測，對其寬度、長度進(jìn)行現(xiàn)場標(biāo)記并作記錄，定期通過記錄數(shù)據(jù)對隱患部位進(jìn)行滑動預(yù)測。

五、結(jié)語

本文以西北山區(qū)公路常見的土體滑坡類型為研究對象，通過理論分析及仿真分析發(fā)現(xiàn)：紅砂巖與黏土混合泥石堆積層的彈性模量較低，其穩(wěn)定安全系數(shù)隨土體整體性下降成正相關(guān)關(guān)系，其內(nèi)摩擦角對土體穩(wěn)定系數(shù)影響程度較大；在土體穩(wěn)定系數(shù)下降至土體極限破壞平衡狀態(tài)前，塑性區(qū)域能夠保持較破壞區(qū)域較高的穩(wěn)定性，這位該地區(qū)滑坡地質(zhì)災(zāi)害路段的處治提供了思路。因此，對破壞區(qū)域的滑體進(jìn)行先行刷坡處治，后輔以輔助加固及防護(hù)措施較為經(jīng)濟可行，在后期土體監(jiān)測過程中，必要的仿真分析對于安全、經(jīng)濟、高效指導(dǎo)施工尤為重要。