延安新區(qū)黃土高填方邊坡穩(wěn)定性分析

王衍匯，倪萬魁，石博溢，李征征，戴 磊

(長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安710054)

自西部大開發(fā)戰(zhàn)略以來，我國西部地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)得到了良好的發(fā)展契機(jī)，但由于該地區(qū)特殊的環(huán)境地質(zhì)與地貌特征，在工程建設(shè)中常會遇到高填深挖的問題，由此形成的高邊坡變形和穩(wěn)定性問題均十分突出[1－2]。延安新區(qū)建設(shè)是延安市平山造地、上山建城，拓展城市發(fā)展空間，實(shí)施“中疏外擴(kuò)”城市發(fā)展戰(zhàn)略的重大舉措。延安新區(qū)一期綜合開發(fā)工程地處黃土丘陵地區(qū)，地形條件、工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件復(fù)雜，同時又具有高填方、超大土方量、用地功能多樣、建設(shè)環(huán)境復(fù)雜、相互影響因素多等特點(diǎn)，存在一定的高填方邊坡穩(wěn)定問題。因此，如何準(zhǔn)確地分析黃土高填方邊坡的穩(wěn)定性及變形特征已經(jīng)成為工程建設(shè)中的關(guān)鍵性技術(shù)問題。

本文以延安新區(qū)13標(biāo)段北端110 m黃土高填方邊坡為研究對象，根據(jù)研究區(qū)邊坡的地質(zhì)條件和填方邊坡的實(shí)際情況，選擇合理的邊坡計算剖面，采用極限平衡分析法和平面有限元法對延安新區(qū)填方高邊坡在地下水位升高、暴雨、地震等工況下的穩(wěn)定性、變形特征及應(yīng)變分布規(guī)律進(jìn)行了綜合評價。研究成果對延安新區(qū)建設(shè)具有一定的理論指導(dǎo)和重要的實(shí)際應(yīng)用價值。

1 高填方邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)及土層參數(shù)

1.1 邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型

延安新區(qū)初步規(guī)劃面積10.5 km2，場區(qū)內(nèi)地形起伏大，最大高差可達(dá)308 m，總體地勢北高南低，坡度約2%～5%。選擇新區(qū)內(nèi)填方高達(dá)110 m的邊坡為研究對象，該邊坡位于延安新區(qū)13標(biāo)段北端，原地形呈北、西、東三面高，中部橋溝溝谷低洼，向東南開口的谷狀地形，并且地勢由北向南逐漸降低，地層由第四系覆蓋層、Q2黃土和青灰色巨厚層中細(xì)粒砂巖組成。邊坡按階梯狀填筑，共設(shè)十一級臺階，每級高10 m，平臺寬3 m，設(shè)計坡率為1∶2.25。選取的計算剖面延康家溝的主溝(NNW向)方向，計算剖面由上至下分別為以Q2和Q3黃土為填料的填土、Q2原狀土和砂巖巖層，填土層按照力學(xué)性質(zhì)差異分為四層，其中填土1的填料為Q3黃土，填土2、填土3和填土4的填料均為Q2黃土(圖1)。

圖1 邊坡計算剖面簡圖

1.2 剖面土層參數(shù)

填方場區(qū)內(nèi)均勻布置14個鉆孔，每填10 m進(jìn)行取樣，填土參數(shù)通過現(xiàn)場取樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)取值，其中壓縮模量由室內(nèi)土工高壓固結(jié)試驗(yàn)得到;Q2原狀土和砂巖材料參數(shù)取自文獻(xiàn)[3]。剖面土層參數(shù)詳見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)取值

2 高填方邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 計算工況

邊坡穩(wěn)定性分析采用3種工況進(jìn)行計算，分別為:天然工況、暴雨工況和地震工況[4－8]。根據(jù)延安新區(qū)北區(qū)工程氣象站測得數(shù)據(jù)推算，暴雨工況下雨水浸沒邊坡填筑體約5 m厚度。按《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[9](GB50011 －2001)抗震設(shè)防烈度為 6 度，考慮本工程特殊性，宜提高一度，按7度考慮設(shè)計基本地震加速度值為0.15 g，設(shè)計地震分組為第一組，設(shè)計特征周期為0.35 s。此外，該研究區(qū)的地下水補(bǔ)給來源為大氣降水，地下水以泉水溢出、蒸發(fā)及人工開采等方式排泄。天然條件下，地下水自周邊分水嶺地帶順地勢向溝谷徑流匯集，轉(zhuǎn)化為地表徑流排泄于區(qū)外。由于該研究區(qū)填方體下伏地基為砂巖、泥巖，其中泥巖透水性弱，而填料選取的是Q2黃土和Q3黃土，透水性較好，因本填方為全流域溝谷填平，破壞了地下水徑流排泄條件，這將引起地下水位的升高。因次，為了更全面的分析高填方邊坡的穩(wěn)定性，除了分析邊坡在天然條件下穩(wěn)定性，還必須考慮地下水位上升后的穩(wěn)定性，參照文獻(xiàn)[10]，取地下水位升高6 m和12 m的情況。

2.2 穩(wěn)定性計算結(jié)果分析

通過巖土計算軟件Geo－Studio中的穩(wěn)定性計算模塊(slope/w)，采用 Morgenstern－Price法分別對自然邊坡和地下水位升高后的邊坡在天然工況、暴雨工況和地震工況下進(jìn)行穩(wěn)定性計算[11]。穩(wěn)定性計算結(jié)果參考值詳見表2。

表2 穩(wěn)定性系數(shù)計算結(jié)果值

根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》[9](GB50330—2002)的規(guī)定，結(jié)合本工程邊坡特點(diǎn):黃土填方邊坡，填方邊坡高度約110 m，地層構(gòu)成水平階地，地質(zhì)條件較為單一，故天然工況下邊坡安全系數(shù)取1.30，暴雨工況和地震工況下取 1.10[12－13]。由表 2可見，邊坡在三種工況下穩(wěn)定性均符合安全系數(shù)要求，較為穩(wěn)定。對比暴雨工況和地震工況可以看出，暴雨和地震對邊坡穩(wěn)定性皆為不利因素，其中地震對邊坡穩(wěn)定性的影響遠(yuǎn)大于暴雨的影響;地下水位升高12 m后的邊坡在地震工況下，穩(wěn)定性系數(shù)最低，為1.116;對比地下水位升高后邊坡的穩(wěn)定性與自然邊坡的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)地下水位升高后，穩(wěn)定性系數(shù)降低，且隨著水位的升高穩(wěn)定性降低。

對比在天然工況下地下水位對潛在滑體的影響(如圖2所示)，發(fā)現(xiàn)自然邊坡的潛在滑面后緣、中部穿過填方體，下緣為原地面與填方體接觸面，滑體約占整個填方體的40%;而地下水位升高后，原地面和部分填筑體的土體飽和，強(qiáng)度降低，潛在滑面下移部分穿過填方體，潛在滑面為土體與巖體的接觸面，滑體體積較自然邊坡增大，約占整個填方體的50%。

3 高填方邊坡變形特征分析

3.1 有限元網(wǎng)格劃分

根據(jù)邊坡穩(wěn)定計算模型，對填土、原狀土和巖層采用平面應(yīng)變模型選擇合理的網(wǎng)格尺寸自動劃分平面網(wǎng)格。采用自由網(wǎng)絡(luò)劃分法進(jìn)行劃分，其中網(wǎng)格類型為四節(jié)點(diǎn)四邊形單元和三節(jié)點(diǎn)三角形單元[14]。劃分網(wǎng)格時，對邊坡中易出現(xiàn)應(yīng)力集中的坡腳進(jìn)行局部細(xì)化，剖面共劃分3 766個單元、5 571個節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格劃分結(jié)果見圖3。

圖2 邊坡穩(wěn)定性條分圖(Morgenstern－Price法)

3.2 邊界條件

為了減小邊界條件對體系應(yīng)力的影響，取邊坡兩側(cè)伸展各50 m作為橫向邊界;下方砂巖強(qiáng)度比上方原狀土及填筑體大得多，潛在滑面不會出現(xiàn)在砂巖內(nèi)部，且變形較小，故取向下伸展30 m作為底邊界[15]。對該模型的左邊界和右邊界施加水平約束，使其X方向位移為0，Y方向自由;底邊界施加水平約束與豎向約束，使其X、Y方向位移均為0。

圖3 有限元網(wǎng)格劃分圖

3.3 計算結(jié)果及分析

3.3.1 剪應(yīng)變

采用sigma/W有限元軟件對自然邊坡和地下水位升高后的邊坡進(jìn)行分析。邊坡計算剖面內(nèi)剪應(yīng)變γxy(x、y分別代表該剖面的水平與豎直方向)分布情況見圖 4，由圖 4 可見[16]:

(1)自然邊坡和地下水位升高后的邊坡的最大剪應(yīng)變等值線分布特征相似，邊坡中下部和坡腳處的剪應(yīng)變密集，邊坡內(nèi)未出現(xiàn)貫通的滑移面，表明邊坡整體穩(wěn)定。

(2)自然邊坡的最大剪應(yīng)變?yōu)?.02087;地下水位升高后，邊坡內(nèi)地下水位以下的土體飽和，導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低變形量增大，且隨著水位的升高，變形量增大，地下水位升高6 m后，最大剪應(yīng)變?yōu)?.02532，地下水位升高12 m后，最大剪應(yīng)變?yōu)?.02688。

3.3.2 最大水平及豎向位移

由于原始地基不均勻性以及填方高度的差異，使得填方邊坡內(nèi)的應(yīng)力分布不均勻，因而不同部位的變形量也就不等，圖5(a)可見水平位移集中產(chǎn)生于邊坡的臨空面，填方邊坡中部和坡腳處土體的右向水平位移較大，可能發(fā)生邊坡表面剝落現(xiàn)象;圖5(b)可見，垂向位移總體上表現(xiàn)為從上至下逐漸減小的均勢，填方厚度較大的坡頂處的土體由于沉降產(chǎn)生的豎直向下位移較大。由表3可見，地下水位的升高后，土體變形量增大，邊坡的最大水平位移與豎直位移也隨之增高，進(jìn)而坡面土體更容易產(chǎn)生剝落現(xiàn)象，邊坡的沉降量也有所增加。

圖4 邊坡的剪應(yīng)變γxy

圖5 自然邊坡的水平與豎向位移圖

表3 邊坡最大水平及豎向位移

4 結(jié)論

(1)根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330—2002)[9]的規(guī)定，利用極限平衡法計算表明延安新區(qū)黃土高填方邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，邊坡未出現(xiàn)顯著的滑裂面和應(yīng)力集中帶，其中地下水位升高12 m后的邊坡在地震工況下穩(wěn)定性系數(shù)最低，為1.116。

(2)地震和地下水位的變化是影響延安新區(qū)黃土高填方邊坡穩(wěn)定性的主要因素;對比地下水位升高后邊坡的穩(wěn)定性與自然邊坡的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)地下水位升高后，穩(wěn)定性系數(shù)減小，且隨著水位的升高穩(wěn)定性降低。

(3)有限元分析可得:自然邊坡和地下水位升高后的邊坡最大剪應(yīng)變等值線分布特征相似，邊坡中下部和坡腳處的剪應(yīng)變密集，邊坡內(nèi)未出現(xiàn)貫通的滑移面，表明邊坡整體穩(wěn)定，其中地下水位升高12 m后，邊坡的剪應(yīng)變最大為0.02688。

(4)由于填方體的厚度不同，邊坡內(nèi)的應(yīng)力分布表現(xiàn)出非均勻性，進(jìn)而各處的變形量之間具有差異性，垂向位移總體上表現(xiàn)為從上至下逐漸減小的均勢，填方厚度較大的坡頂處的土體由于沉降產(chǎn)生的豎直向下位移較大;水平位移朝向邊坡的臨空面，其中邊坡中部和坡腳處土體的水平位移較大。地下水位的升高后，邊坡的最大水平位移與豎直位移也隨之增高，進(jìn)而坡面土體更容易產(chǎn)生剝落現(xiàn)象，邊坡的沉降量也有所增加。

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