南京市某下蜀土邊坡穩(wěn)定性分析及加固措施

施 威，劉 剛，邵景晨，宋雙雙

（1.江蘇南京地質(zhì)工程勘察院,江蘇 南京 210041；2.河海大學地球科學與工程學院,江蘇 南京 210098；3.南京市土地整理和集體土地征收管理中心,江蘇 南京 210005）

南京市的滑坡災害以小型淺層土質(zhì)滑坡為主，可以分為下蜀土（即下蜀組粉質(zhì)黏土）滑坡、堆積層滑坡和黏性土滑坡。其中，下蜀土滑坡的發(fā)生是因其力學性質(zhì)較差、垂直裂隙發(fā)育且具有遇水后抗剪強度明顯下降的特性，在受到降雨影響后土體重度增大，抗剪強度下降，邊坡受到朝向臨空面的側(cè)向推力，最終導致土體沿著一個圓弧形的貫通滑動面破壞[1-3]。當前國內(nèi)外對于滑坡的穩(wěn)定性評價方法主要有極限平衡法和數(shù)值分析法。Bishop 于1955 年提出極限平衡法之后，經(jīng)過各國學者專家[4-6]的努力研究與修正，極限平衡法已經(jīng)成為最重要的研究邊坡穩(wěn)定性的一種研究方法。隨著計算機技術(shù)的日漸成熟，數(shù)值分析法逐漸成為研究邊坡穩(wěn)定性的主流方法。數(shù)值分析法的優(yōu)點在于其可以重現(xiàn)邊坡變形破壞的過程，在眾多數(shù)值分析法的理論中，有限元方法獲得了更多學者[7-16]的青睞。以上兩種方法在實際工程中被廣泛使用，羅衛(wèi)民[8]使用slide 軟件對某巖質(zhì)邊坡進行穩(wěn)定性分析，證實了slide 在計算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)中的可靠性，同時也指出其在反映材料復雜本構(gòu)關(guān)系方面的缺陷。吳發(fā)根等[9]用slide 軟件的計算結(jié)果作為邊坡治理依據(jù)，對東莞某失穩(wěn)邊坡進行穩(wěn)定性評價。褚鉛波[10]在對土質(zhì)滑坡的穩(wěn)定性研究中，發(fā)現(xiàn)相較于傳統(tǒng)的極限分析法和極限平衡法，flac3d 在邊坡穩(wěn)定性分析中同樣具有可行性，并且可以得到坡體破壞的明確物理意義。劉漢東等[11]通過自編強度折減程序的修正，將flac3d 所得穩(wěn)定性系數(shù)的精度提高。沈金瑞等[12]通過使用赤平投影和flac3d 軟件的方法研究多組節(jié)理邊坡穩(wěn)定性，避免了復雜節(jié)理邊坡采用工程經(jīng)驗建立模型的盲目性。唐江濤等[13]使用Geobim-sufer-Ansys 對填筑體進行三維地質(zhì)建模，提高了三維模型的精準度，并導入flac3d 進行數(shù)值模擬分析，驗證了邊坡的變形破壞模式。栗東平等[14]運用flac3d 軟件對巷道開挖過程的穩(wěn)定性進行分析，研究了側(cè)壓系數(shù)和巷道頂板、底板和兩幫的變形破壞規(guī)律。陳云生等[15]使用flac3d 軟件對不同開挖深度的基坑邊坡進行數(shù)值模擬，分析出邊坡的潛在滑面和失穩(wěn)模式，并設計了一種合理的錨固排列方案。商兆濤等[16]采用flac3d 軟件對孔隙水壓力作用下基坑開挖變形規(guī)律進行數(shù)值模擬，分析地下連續(xù)墻入土深度對基坑穩(wěn)定性的影響，驗證了強度折減法對安全系數(shù)和失穩(wěn)破壞面的判斷有效性。

前人對極限平衡法和有限元法在邊坡工程中的應用研究已經(jīng)十分成熟，但關(guān)于下蜀士滑坡的相關(guān)理論研究當前仍然存在空白。下蜀土為風成土，具有弱膨脹性，遇水易產(chǎn)生垂直裂隙，導致強度大幅降低。本文通過現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)，結(jié)合研究區(qū)下蜀土的變形破壞特點，建立了典型的圓弧滑動面模型，使用極限平衡法和有限元法進行降雨和地震工況下的穩(wěn)定性分析，并根據(jù)下蜀土邊坡的特點提出了針對性的治理措施。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)環(huán)境條件

研究區(qū)位于浦口區(qū)珍珠泉度假區(qū)內(nèi)高爾夫閘站西側(cè)，為剝蝕堆積崗地地貌，總體地勢西高東低，坡體兩側(cè)高中間低。2022 年7 月22 日，受連續(xù)強降雨影響，該邊坡出現(xiàn)滑坡地質(zhì)災害。根據(jù)現(xiàn)場踏勘調(diào)查確定該滑坡屬于淺層土質(zhì)滑坡，規(guī)模為小型。

1.2 邊坡基本特征

該邊坡近南北走向，坡向朝南，總寬約90 m，經(jīng)測量，坡腳道路高程+18 m～+19.5 m，路寬約3.8 m，坡頂高程約+30 m，高差10.5～12 m，坡度約35°，坡腳塊石擋墻為早期修路時砌筑，墻高1.3～1.8 m，頂寬約0.5 m。2021 年擋墻局部出現(xiàn)破損，后進行了修復，現(xiàn)狀坡面主要發(fā)育低矮草本植被。根據(jù)鉆孔揭露地層和已有地質(zhì)資料顯示，該邊坡主要由素填土和粉質(zhì)黏土組成，其中素填土厚約0.5 m，粉質(zhì)黏土層未揭穿。

本次滑坡周界清晰，滑坡后緣呈圈椅狀，滑坡陡坎高約1 m（見圖1），陡坎周邊植被出現(xiàn)傾倒和歪斜，后緣可見多條張拉裂縫。根據(jù)地質(zhì)測繪和工程鉆探等資料可知，滑坡體主要組成物質(zhì)為粉質(zhì)黏土，滑面位于粉質(zhì)黏土地層中，滑面總體呈圓弧狀。該滑坡地質(zhì)災害發(fā)生后，坡腳漿砌塊石擋墻被沖毀，滑坡體阻斷坡腳道路。未損毀的老舊擋墻局部出現(xiàn)明顯鼓脹，表層水泥砂漿抹面脫落（見圖2）。

圖2 老舊擋墻現(xiàn)狀圖Fig.2 Status quo of the old retaining wall

1.3 滑坡影響因素分析

1）地形地貌條件?；滤幍孛差愋蜑閸彽?，早期的切坡修路改變了原始地形地貌，形成現(xiàn)狀條件下總高差約12 m 的純土質(zhì)邊坡，邊坡平均坡度約35°，坡腳開挖后采用塊石擋墻對邊坡進行了支護，但年久失修，當坡腳存在陡立臨空面且支護結(jié)構(gòu)不足以支撐上部坡體產(chǎn)生的側(cè)壓力或剩余下滑力時，邊坡將會變形破壞從而發(fā)生滑坡。

2）邊坡地層結(jié)構(gòu)及巖性特征。邊坡淺部主要為素填土和可塑狀的粉質(zhì)黏土，土體結(jié)構(gòu)松散，有利于雨水浸潤和入滲，從而使土體強度降低，重度增加，下滑力增大，易引發(fā)滑坡。

3）人類工程活動。根據(jù)周邊居民介紹，該道路于2011 年建設，建設時對原始山體進行了坡腳開挖，破壞了原有地形地貌，改變了邊坡應力平衡狀態(tài)，形成的臨空面不利于邊坡穩(wěn)定。人類工程活動直接影響了原始邊坡的穩(wěn)定性。

4）雨水入滲影響。經(jīng)調(diào)查，該段邊坡在遇降雨時多呈漫流狀，大量雨水入滲坡體，使得巖土體自重增加，抗剪強度降低，邊坡抗滑力減小，因此，降雨是坡體變形和滑坡產(chǎn)生的重要引發(fā)因素。

1.4 滑坡破壞模式

該邊坡為南京地區(qū)具有代表性的下蜀土邊坡，坡體上部為可塑狀粉質(zhì)黏土，平均埋深約3.1 m，物理力學性質(zhì)較差，下部為硬塑-堅硬，性質(zhì)較好。結(jié)合勘查可見研究區(qū)夏季雨量充沛，且坡面穩(wěn)定地下水位在1～1.2 m，下蜀土具有弱膨脹性，遇水以后極易形成垂直裂隙；因此，在降雨條件下抗剪強度明顯下降，土體自重增加的同時抗滑力減小。因此本次滑坡破壞模式主要是發(fā)生在淺層可塑狀粉質(zhì)黏土層中的圓弧滑動。

2 治理前邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 穩(wěn)定性分析方法及計算模型

本次研究采用極限平衡法及有限元方法進行計算。由于剖面1-1′具有明顯的變形特征，土層特點鮮明，受降雨的影響較大，在邊坡破壞之后仍處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，所以本次計算選取1-1′剖面進行穩(wěn)定性計算，剖面圖見圖3。對邊坡進行以下3 種工況的計算：1）天然工況；2）暴雨工況；3）地震工況。室內(nèi)試驗所得土體力學參數(shù)見表1，滑坡穩(wěn)定性狀態(tài)的劃分標準見表2。

表1 邊坡土體物理力學參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of slope soil

表2 滑坡穩(wěn)定狀態(tài)劃分表Tab.2 Landslide stable state classification table

圖3 剖面1-1′Fig.3 The section 1-1′

2.2 邊坡極限平衡法計算分析

該滑坡是淺層土質(zhì)滑坡，滑動面呈圓弧形。參考《滑坡防治工程勘查規(guī)范》，發(fā)現(xiàn)該斷面的穩(wěn)定計算應采用畢肖普法，并結(jié)合Janbu、Spencer 等方法進行檢驗。圖4 為畢肖普法在3 種情況下的最危險滑動面，Janbu 法和Spencer 法對其進行了驗證。表3 是極限平衡法計算的各種方法的穩(wěn)定系數(shù)。

表3 治理前極限平衡法計算結(jié)果Tab.3 Calculation result of limit equilibrium method before treatment

圖4 治理前邊坡的穩(wěn)定性Fig.4 Stability of the slope before treatment

2.3 邊坡有限元計算分析

有限元方法計算所用軟件為FLAC-3D，根據(jù)邊坡的地層分布狀況，建立了如圖5 所示的剖面模型，邊坡土體的力學參數(shù)見表1。

圖5 治理前邊坡數(shù)值模型Fig.5 Slope model before treatment

FLAC-3D 軟件不同于其他的有限元分析軟件，該軟件通過使用強度折減法計算邊坡的安全系數(shù)。強度折減法首先選取一個初始的折減系數(shù)，將邊坡土體的參數(shù)按照折減系數(shù)進行折減，折減后的參數(shù)再次代入計算，按照這樣的循環(huán)不斷計算。若計算結(jié)果收斂，則邊坡仍然穩(wěn)定，若不收斂，則說明邊坡已經(jīng)破壞，此時的折減系數(shù)就是邊坡的安全系數(shù)[17]。為確保有限元模型符合實際，采用有限元分析的結(jié)果與實際滑坡情況進行對比分析。計算確定滑坡前緣位于坡腳擋土墻中下部，與現(xiàn)場擋土墻中下部發(fā)生明顯鼓脹和開裂的事實吻合。計算確定的滑坡后緣位于坡肩位置，現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)該區(qū)域滑坡陡坎明顯，高差約1 m，且發(fā)育有貫通線張拉裂縫；計算確定的滑體厚度與現(xiàn)場調(diào)查及鉆孔揭露結(jié)果基本一致，厚度均在3 m 左右。經(jīng)對比分析，發(fā)現(xiàn)有限元模型參數(shù)有效，符合實際情況。

使用以上模型對該邊坡進行天然、暴雨及地震3 種工況下的穩(wěn)定性計算。數(shù)值模擬后邊坡的位移和塑性區(qū)結(jié)果以及穩(wěn)定性系數(shù)見圖6 和圖7，各工況穩(wěn)定性系數(shù)見表4。

表4 有限元法計算結(jié)果Tab.4 Calculation results of numerical methods

圖6 治理前邊坡數(shù)值計算結(jié)果Fig.6 Numerical calculation results of slope before treatment

圖7 邊坡塑性區(qū)分布圖Fig.7 Plastic zone distribution map

圖6 包含了數(shù)值計算后邊坡的位移狀況和穩(wěn)定性系數(shù)。比較3 種工況下邊坡的位移狀況，可以發(fā)現(xiàn)邊坡的位移變化趨勢幾乎相同，較大位移均集中在上覆素填土和粉質(zhì)黏土-1 層厚度較大且整個邊坡坡度較大的區(qū)域。對比各工況下的最大位移，可以發(fā)現(xiàn)在天然狀況下邊坡最大位移僅有25.690 cm，而暴雨工況下最大位移激增至40.011 cm，增幅較大，同時穩(wěn)定性系數(shù)也大幅降低，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，地震工況下邊坡位移雖然也有增加，但穩(wěn)定性系數(shù)變化較小，邊坡仍為基本穩(wěn)定狀態(tài)。計算所得天然、暴雨、地震3 種工況的穩(wěn)定性系數(shù)分別是1.102、1.004、1.086，分別處于基本穩(wěn)定狀態(tài)、欠穩(wěn)定狀態(tài)和基本穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)果與極限平衡法相同，可以確定，暴雨是造成研究區(qū)滑坡災害的最主要原因。

邊坡的塑性區(qū)分布狀況及穩(wěn)定性系數(shù)見圖7。邊坡的穩(wěn)定狀況可以通過塑性區(qū)的分布特征來加以判斷。觀察3 種工況的塑性區(qū)分布特征，可以發(fā)現(xiàn)拉應力主要分布在坡頂平緩處，剪應力主要分布在邊坡中部坡度較大的地方，形狀為圓弧狀。這表明，邊坡可能的失穩(wěn)情況是在后緣形成張拉裂縫，在坡腳處剪出。天然情況下，邊坡土體處于干燥狀態(tài)，力學性質(zhì)較好，抗剪強度大，塑性區(qū)難以貫通，所以邊坡整體基本穩(wěn)定。暴雨工況下，邊坡上覆的素填土和粉質(zhì)黏土-1 在雨水入滲的影響下力學性質(zhì)降低，抗剪強度變小，剪應力分布區(qū)域增大，邊坡整體穩(wěn)定性進一步降低，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。地震工況下，水平地震波也會使得邊坡抗剪強度受到影響，塑性區(qū)相較于天然狀況有所增加，但是邊坡整體仍處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

3 邊坡加固措施

綜合考慮該滑坡特征、地層結(jié)構(gòu)、場地條件，經(jīng)設計計算并結(jié)合周邊相似工程的治理經(jīng)驗確定本次治理工程將采用削坡減載、鋼筋混凝土擋墻、格構(gòu)護坡、截排水溝等措施進行地質(zhì)災害治理。削坡坡形和擋土墻設計計算為重點工作，計算中充分考慮邊坡穩(wěn)定性及支護結(jié)構(gòu)安全性。治理設計剖面圖如圖8 所示。

圖8 設計剖面圖Fig.8 Design profile

1）削坡減載。研究區(qū)現(xiàn)已出現(xiàn)滑坡地質(zhì)災害，部分擋土墻被破壞，部分老舊擋墻隆起變形，滑坡對坡腳的行人、車輛構(gòu)成了極大的威脅。設計采用削坡減載方式削除部分滑體，降低邊坡坡度，提高穩(wěn)定性。

根據(jù)技術(shù)規(guī)范及同類工程經(jīng)驗，此類邊坡設計坡比一般為1∶1～1∶2.5，本次設計選取設計坡比1∶1、1∶1.5、1∶2 和1∶2.5 分別進行試算，最終確定設計坡比為1∶2 時邊坡達到穩(wěn)定性要求。圖9 是3 種工況下按照1∶2 削坡后邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，均滿足規(guī)范要求。

圖9 按1∶2 坡比設計邊坡的穩(wěn)定性Fig.9 Design slope stability based on 1∶2 slope ratio

2）擋土墻支護。目前坡腳擋墻鼓脹變形嚴重，整體強度降低，抗滑力有限，安全儲備不足，無法充分發(fā)揮支擋抗滑作用，因此將原漿砌塊石擋墻拆除，新建鋼筋混凝土擋墻，新建擋墻頂寬0.5 m，底寬1.5 m，墻高2 m，埋深0.7 m，鋼筋采用HRB400，混凝土強度等級C30，擋墻下部設C15 的素混凝土墊層，墊層厚10 cm。墻身布設直徑100 mm 的PVC 泄水管，孔口距地面0.5 m，水平間距2 m，斜率0.05∶1，以提高坡腳抗滑力，從而增加邊坡穩(wěn)定性。擋土墻設計計算時墻后推力選取主動土壓力和剩余下滑推力中的大值作為下滑推力計算值。計算內(nèi)容包括抗滑動穩(wěn)定性計算、抗傾覆穩(wěn)定性計算和地基應力及偏心距計算，經(jīng)計算，擋土墻抗滑穩(wěn)定性系數(shù)1.35，抗傾覆穩(wěn)定性2.20，均滿足規(guī)范要求；地基應力及偏心距計算亦滿足規(guī)范要求。

3）格構(gòu)護坡。為防止削坡后的坡面在強降雨下發(fā)生淺表層水土流失，設計對坡面進行格構(gòu)護坡，對削坡后的坡面采用2.5 m×2.5 m 的正方形格構(gòu)護坡，格構(gòu)就坡勢施工，梁身截面尺寸300 mm×300 mm，坡面開槽將梁身埋入地面以下200 mm。地梁尺寸400 mm×500 mm，地梁與鋼筋混凝土擋墻之間預留10 mm 施工縫；壓頂梁尺寸300 mm×500 mm；梁底均設厚度10 cm、強度C20 的素混凝土墊層找平，格構(gòu)梁身采用構(gòu)造配筋，鋼筋選用為3 根直徑14 mm 的HRB400 鋼筋，格構(gòu)梁、地梁和壓頂梁混凝土強度等級均為C30，格構(gòu)內(nèi)采用草皮鋪貼，防止雨水沖刷和下滲造成表層水土流失，格構(gòu)內(nèi)進行護面處理，避免雨水沖刷和下滲。

4）截排水溝。為減少坡面匯水對邊坡穩(wěn)定性的影響，設計在坡頂和坡腳設置鋼筋混凝土排水溝，為保證坡面匯水順利排出，在坡頂及坡底設置截、排水溝。坡頂截水溝設置于格構(gòu)外側(cè)2 m 處，現(xiàn)場可根據(jù)地形和植被發(fā)育情況進行微調(diào)；坡腳排水溝設置于擋墻外側(cè)，原坡面沖溝位置設置一道縱向排水溝，水溝下設厚10 cm、強度C15 的素混凝土墊層，溝身均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，截面尺寸為50 cm×50 cm。

4 治理后邊坡穩(wěn)定性分析

4.1 邊坡極限平衡法計算分析

根據(jù)設計規(guī)范，采用畢肖普法對治理后的邊坡進行極限平衡法的計算，并對其進行驗算。圖10是3 種工況下的可能滑動面，用畢肖普法進行計算。表5 為每種方法計算出的穩(wěn)定性系數(shù)。

表5 治理后極限平衡法計算結(jié)果Tab.5 Calculation result of limit equilibrium method after treatment

圖10 治理后邊坡的穩(wěn)定性Fig.10 Stability of the slope after treatment

表5 中的穩(wěn)定性系數(shù)相較于治理之前的穩(wěn)定性系數(shù)有顯著的提升。削坡使得邊坡上覆地層中性質(zhì)較差的土體被移除，大大降低了在暴雨狀況下素填土和粉質(zhì)黏土-1 力學性質(zhì)大幅降低，導致邊坡發(fā)生變形破壞的可能性。新建的混凝土擋土墻，降低了原有損毀擋土墻存在的安全隱患，有效地避免了坡體從坡腳位置滑出。截排水和護坡等措施使得降雨時水流從地表快速排出，減小了土體力學性質(zhì)降低而造成變形破壞的風險。最危險滑動面區(qū)域由之前小面積的分布于淺層土體的圓弧轉(zhuǎn)為當前的大面積整體的圓弧，邊坡的失穩(wěn)概率大幅度降低，穩(wěn)定性提高。

4.2 邊坡有限元計算分析

進行有限元計算時邊坡模型如圖11 所示，圖12 為計算所得穩(wěn)定性系數(shù)及位移云圖，數(shù)值計算的穩(wěn)定性系數(shù)見表6。

表6 治理后邊坡數(shù)值計算結(jié)果Tab.6 Numerical calculation result after treatment

圖11 治理后邊坡數(shù)值模型Fig.11 Slope model after treatment

圖12 治理后邊坡數(shù)值計算結(jié)果Fig.12 Numerical calculation result after treatment

有限元方法計算出的穩(wěn)定性系數(shù)相較于治理前也大幅提升，天然、暴雨、地震工況下穩(wěn)定性系數(shù)分別是1.30、1.211、1.293，穩(wěn)定性系數(shù)較治理前大幅提升，在3 種工況下都是穩(wěn)定狀態(tài)。與極限平衡法計算結(jié)果相符，證實了治理措施的有效性。

5 結(jié)論

本文以南京典型下蜀土滑坡為研究對象，使用極限平衡法和有限元法對下蜀土滑坡穩(wěn)定性及治理措施進行研究。通過兩種模擬方法對比得出以下結(jié)論。

1）研究區(qū)已經(jīng)發(fā)生了滑坡地質(zhì)災害，滑坡類型為淺層下蜀土滑坡，滑動面為圓弧形。誘發(fā)滑坡的因素有以下幾點：1）該邊坡的主要地層為素填土和可塑性較強的下蜀組粉質(zhì)黏土；2）邊坡遭遇強降水，坡體力學性質(zhì)降低；3）坡腳的原有漿砌石擋墻早已出現(xiàn)鼓脹等變形破壞現(xiàn)象。以上風險隱患仍然存在，邊坡有再次失穩(wěn)的可能性。

2）在治理前，天然工況、暴雨工況和地震工況下，下蜀土邊坡分別處于基本穩(wěn)定、不穩(wěn)定、基本穩(wěn)定狀態(tài)，用極限平衡方法計算結(jié)果分別為1.101、1.009 和1.094；有限元法計算出的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.102、1.004 和1.086。塑性區(qū)分布以上覆素填土和粉質(zhì)黏土為主。下蜀土具有弱膨脹性，降雨導致下蜀土邊坡的土質(zhì)變差，很容易發(fā)生圓弧滑移，對人身財產(chǎn)安全造成重大威脅，必須進行邊坡加固治理。

3）針對下蜀土邊坡特點提出了削坡減載和設置截排水溝等治理措施，治理之后3 種工況下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)比治理之前有了明顯的提升。極限平衡法計算出的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.285、1.200和1.275，邊坡在3 種工況下已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。有限元法計算結(jié)果分別為1.30、1.211 和1.293，各工況下的穩(wěn)定性系數(shù)與極限平衡法計算結(jié)果保持一致。證明該邊坡的治理措施十分有效。