基于極限平衡理論的外貿路南側邊坡穩(wěn)定性分析

王興宏

（湖南化工地質工程勘察院有限責任公司，湖南 長沙 410004）

0 引言

我國地理環(huán)境幅員遼闊、山川廣布、地質災害多樣，強降雨引起的山體滑坡、崩塌等地質災害多發(fā)?；隆⒈浪痊F(xiàn)象是我國目前最常見的地質災害[1-2]，因其直接造成的經濟損失不可估量，據不完全統(tǒng)計，每年造成的經濟損失約占其他各種自然災害總和的1/4 以上。因此，對于地質災害隱患的排查、勘探以及后續(xù)的及時治理，是一件極其緊迫且具有重要意義的事情。

國外對于滑坡的研究起源于20 世紀20 年代，世界各國對于滑坡的研究僅有零星的報道，直至1950年美國著名學者K.Terzaghi 發(fā)表了《滑坡機理》論文，較為系統(tǒng)地說明了滑坡機理后，各國加大了這方面的研究，發(fā)表了大量關于滑坡原因、過程、穩(wěn)定性分析方面的論文。

國內對于滑坡的研究相較于國外稍晚些，最早起始于建國初期，分別于1959 年和1973 年舉辦了兩次全國性相關的學術交流會議后，奠定了對于滑坡研究的理論基礎，當前國內對于滑坡的穩(wěn)定性計算分析方法較多，且已較為成熟。如李世海等[3]對滑坡的穩(wěn)定性問題進行了較為系統(tǒng)地討論，并說明僅靠計算方法不能有效地解決工程實際問題，應將計算模型與監(jiān)測結果相結合進行判斷分析，以正確判斷山體當前狀態(tài)，這是進行滑坡穩(wěn)定性分析的有效途徑。楊成等[4]在了解滑坡的地質背景及其爆發(fā)因素的基礎上，對滑坡變形機制進行了分析，確定該滑坡為崩塌堆積體牽引式滑坡，并采用定性分析和定量計算，進行穩(wěn)定性分析評價，并在此基礎上提供了治理方案建議。王恭先[5]對滑坡防治中的關鍵技術進行了全面論述并提出了相應的處理方法。熊揚福等[6]基于邊坡的宏觀變形特征，并結合監(jiān)測數據，對孫家莊滑坡的變形機制進行了分析，并對其穩(wěn)定性進行了計算，以預測滑坡的變形趨勢。索俊峰[7]以黃龍縣水磨灣滑坡為研究對象，研究了其區(qū)域地質環(huán)境，并對其滑坡產生原因進行了分析，通過定性分析、定量計算、數值模擬相結合的方法確定了滑坡的穩(wěn)定性系數，且對滑坡的治理提出了不同的治理方案。姚廣等[8]以某山區(qū)公路路塹滑坡為研究對象，對其穩(wěn)定性進行了分析，并提出了合理的處治措施。艾國海等[9]以萬州區(qū)上海大道末端滑坡為研究對象，對其穩(wěn)定性進行了分析，并提出了回填反壓、完善截排水系統(tǒng)、裂縫回填等防治措施。祝方才等[10]以仿真軟件Geo-Slop為基礎，分別采用Morgenstern-Price 法、Spencer 法、Janbu 法及Bishop 法，對深圳外環(huán)高速公路某路塹邊坡在天然工況和飽和工況下進行了穩(wěn)定性分析，得出了最危險滑裂面的邊坡安全系數。

借簽已有成果，本文在分析外貿路南側邊坡的變形特征以及地質勘察計算參數取值的基礎上，分別采用瑞典條分法、簡化Bishop 法對外貿路南側邊坡的局部及整體穩(wěn)定性進行計算分析，分析邊坡破壞原因，并提出相應的治理措施。

1 工程概況及滑坡物質組成

1.1 工程概況

外貿路南側邊坡位于長沙市望城區(qū)丁字灣街道，場地為新建外貿路路堤邊坡，由于連續(xù)強降雨，邊坡出現(xiàn)多次垮塌，坡體發(fā)展多條貫穿裂縫，其中坡頂路面發(fā)展一條平行于路面的縱向裂縫，已經嚴重影響到外貿路行駛車輛的安全。因此，業(yè)主方緊急召集勘察、設計及施工單位參與的緊急會議，共同商討搶險維修工作，根據施工單位測量報告：邊坡坡頂人行道標高為45.00 m，坡腳標高為38.24～39.42 m，坡高為5.58～6.76 m，坡向107°，邊坡垮塌段長度約為50 m。外貿路坡體裂縫和路面裂縫圖片如圖1、圖2 所示。

1.2 滑坡物質組成

坡體物質組成主要為①-1 人工填土，系人工回填而成，雜色、褐黃色，主要成分為黏性土，含少量卵礫石，結構中密～密實，硬質含量約為5%～10%，粒徑一般為5～40 mm，最大粒徑約為70 mm。坡面及坡腳分布為①-2 人工填土，暗紅色，主要成分為黏性土，含少量卵礫石，稍濕，結構松散～稍密，硬質含量約為7%，粒徑一般約為5～35 mm，最大粒徑約為60 mm。邊坡的典型地質剖面圖如圖3 所示。

2 滑坡穩(wěn)定性分析

2.1 變形特征分析

根據現(xiàn)場地質調查和勘察資料，滑坡變形特征主要表現(xiàn)在坡頂外貿路路基發(fā)育一條裂縫以及坡體中上部出現(xiàn)多次垮塌，坡后緣發(fā)展兩條明顯的縱向裂縫，裂縫方向均近平行邊坡走向；根據施工單位監(jiān)測結果，邊坡沒有明顯的滑動面，局部偶見掉塊現(xiàn)象，下部也未發(fā)現(xiàn)明顯的變形跡象，邊坡變形整體表現(xiàn)為坡體下挫，見圖4。

2.2 成因分析

1）垮塌原因分析。從現(xiàn)場原位測試結果得知，坡頂及坡肩人工填土①-1 呈中密～密實狀，坡面及坡腳人工填土①-2 呈松散～稍密狀，邊坡在暴雨條件下，人工填土①-2 因浸水軟化，最終垮塌。

2）外貿路路基裂縫發(fā)育原因分析。①邊坡垮塌后，坡體后緣形成一臨空面，靜止土壓力得到釋放，加上路面荷載作用及暴雨的影響，路面產生一條張裂縫。②坡面人工填土①-2，為松散～稍密狀，暴雨工況下，土體軟化下沉，臨空面高度增加，裂縫進一步發(fā)育。③以外貿路基裂縫為圓弧入口，土體在上部荷載及土體自重的作用下，可能從松散～稍密狀人工填土①-2 圓弧滑出，產生整體的圓弧滑動，從而導致坡頂外貿路側路基產生裂縫。

2.3 穩(wěn)定性計算方法

根據地質勘探資料及其邊坡變形特征，本文采用圓弧滑動條分法進行滑坡穩(wěn)定性系數計算。

滑坡穩(wěn)定性系數Fs計算公式如下：

式中：Ti=（Qi+Qbi）sinθi+Pwicos（αi-θi）；

其中，Ni=（Qi+Qbi）cosθi+Pwisin（αi-θi）；

Ti為第i條塊滑體在滑動面切線反力，kN/m；

Qi為第i條塊單位寬度巖土體自重，kN/m；

Qbi為第i條塊滑體外加荷載的單位寬度自重，kN/m；

θi、αi分別為i條塊底面和地下水位面傾角，（°）；

Pwi為第i條塊單位寬度總滲透力，kN/m；

Ri為第i條塊滑體在滑動面上抗力，kN/m。

Ni=（Qi+Qbi）cosθi+Pwisin（αi-θi）；

ci為第i條塊內聚力，kPa；

li為第i條塊滑面長度，m。

2.4 計算參數取值

本文滑坡體巖土計算參數根據室內試驗、工程地質類比法和地區(qū)經驗等系統(tǒng)分析而來，并結合反演成果進行了校核。其中坡體垮塌部分人工填土①-1 采用室內試驗殘余抗剪強度參數，坡面及坡腳人工填土①-2 采用室內試驗天然及飽和抗剪強度參數，具體參數見表1 和2。

表1 滑塌區(qū)人工填土①-1 計算參數表Table 1 Calculation parameters of the artificial fill①-1 in slump area

表2 弱變形區(qū)人工填土①-2 計算參數表Table 2 Calculation parameters of the artificial fill①-2 in weak deformation area

2.5 穩(wěn)定性計算結果及分析

根據邊坡變形特征，邊坡垮塌后形成臨空面，臨空面段在強降雨及路基荷載作用下存在局部滑動的可能，故需驗算臨空部分的天然工況和暴雨工況下的局部穩(wěn)定性。邊坡坡腳填土松散～稍密狀，存在整體圓弧滑動的可能，故需驗算邊坡在天然工況和暴雨工況下的整體穩(wěn)定性。本研究分別采用瑞典條分法、簡化Bishop 法計算邊坡的穩(wěn)定性，其計算模型如圖5 所示。

1）選取典型地質剖面圖，結合邊坡變形特征，采用自動搜索最危險滑動面，對邊坡局部穩(wěn)定性進行分析，計算簡圖見圖6，計算結果見表3。

表3 邊坡局部穩(wěn)定性計算結果與分析Table 3 Analytical table of local slope stability calculation

由表3 計算結果可得，瑞典條分法、簡化Bishop法的計算結果均表明，正常工況下，邊坡局部穩(wěn)定性為基本穩(wěn)定狀態(tài)，而非正常（暴雨）工況下，邊坡局部穩(wěn)定性為不穩(wěn)定狀態(tài)。

2）選取典型地質剖面圖，結合邊坡變形特征，采用以外貿路基裂縫為圓弧入口，給定搜索危險斷面，對邊坡整體進行穩(wěn)定性分析，計算簡圖見圖7，計算結果見表4。由表4 所示計算結果可得，瑞典條分法、簡化Bishop 法的計算結果均表明，正常工況及非正常（暴雨）工況下，邊坡整體穩(wěn)定性均處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此可判定邊坡不會以外貿路基裂縫為圓弧入口，從坡腳松散～稍密狀人工填土①-2 圓弧滑出，產生整體的圓弧滑動。因而可得邊坡外貿路路基裂縫主要由于邊坡垮塌后，坡體后緣形成一臨空面，靜止土壓力得到釋放，加上路面荷載作用及暴雨的影響，路面產生一條張裂縫造成的；坡面人工填土①-2，為松散～稍密狀，暴雨工況下，土體軟化下沉，臨空面高度增加，土壓力不斷得到釋放，裂縫逐漸發(fā)育。

表4 邊坡整體穩(wěn)定性計算結果與分析Table 4 Analytical table of global slope stability calculation

3 結論與建議

1）邊坡穩(wěn)定性計算結果表明，采用瑞典條分法、簡化Bishop 法計算得到的各種工況下滑坡穩(wěn)定性系數，正常工況下，邊坡局部處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，非正常（暴雨）工況下處于不穩(wěn)定狀態(tài)；邊坡整體穩(wěn)定性計算，正常工況及非正常（暴雨）工況下邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2）通過對比瑞典條分法、簡化Bishop 法的計算結果發(fā)現(xiàn)，由于考慮了條塊間的水平力作用，簡化Bishop 法較瑞典條分法的計算結果稍大。

3）坡面及坡腳人工填土①-2 呈松散～稍密狀，邊坡在暴雨工況下，人工填土①-2 浸水軟化，下沉，造成垮塌。邊坡外貿路路基裂縫主要由于邊坡垮塌后，坡體后緣形成一臨空面，靜止土壓力得到釋放，加上路面荷載作用及暴雨的影響，路面產生一條張裂縫造成的。因此，首先，建議對外貿路基裂縫進行灌漿封閉；其次，坡腳回填土進行反壓，且在反壓前，對坡面垮塌影響范圍內松散～稍密狀人工填土①-2進行強夯處理，強夯處理的同時加強邊坡監(jiān)測，防止邊坡擾動，產生二次垮塌。

4）由于邊坡坡底有一在建污水管網，若該段污水管網改線，邊坡有放坡條件，建議采用人字坡式排水+護腳擋墻進行支護，坡面放坡坡率采用1:1.75，坡面開挖成臺階狀，以增大填土與坡面之間的摩擦，回填土應進行分層夯實，壓實系數不小于0.94。

5）若邊坡無放坡條件，建議采用路堤重力式擋土墻，重力式擋土墻建議以強夯的回填土作為持力層；填筑之前將坡面開挖成臺階狀，以增大填土與坡面之間的摩擦，施工應盡量減少對邊坡巖土體擾動。