永吉高速公路黑潭坪邊坡三維穩(wěn)定性研究

尹劍輝,趙安平,冉 濤,張 雷

(1. 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所,北京 100029； 2. 蘭州大學(xué)，甘肅蘭州 730000)

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永吉高速公路黑潭坪邊坡三維穩(wěn)定性研究

尹劍輝1,趙安平1,冉 濤1,張 雷2

(1. 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所,北京 100029； 2. 蘭州大學(xué)，甘肅蘭州 730000)

通過對永吉高速公路黑潭坪邊坡的野外調(diào)查，詳細(xì)地了解了研究區(qū)工程地質(zhì)條件，探討了邊坡變形破壞機(jī)理，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)和計(jì)算反演獲取巖土體強(qiáng)度參數(shù)，在此基礎(chǔ)上建立三維地質(zhì)模型，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值分析軟件采用強(qiáng)度折減法對不同工況下的坡體穩(wěn)定性進(jìn)行詳細(xì)分析并提出治理建議。研究表明：(1)邊坡變形破壞是內(nèi)外因素綜合作用的結(jié)果，巖土體性質(zhì)不良是邊坡變形破壞的內(nèi)在因素，坡腳便道開挖和地表水下滲是邊坡變形破壞的誘導(dǎo)因素；(2)強(qiáng)度折減法應(yīng)用于邊坡三位穩(wěn)定性分析具有較好的適用性；(3)數(shù)值模擬顯示采用削坡結(jié)合錨固的綜合治理措施具有明顯的效果。

邊坡工程 穩(wěn)定性分析 強(qiáng)度折減法 數(shù)值計(jì)算

Yin Jian-hui,Zhao An-ping,Ran Tao,Zhang Lei.Three-dimensional analysis of slope stability:A case study of the Heitanping slope at the Yongji highway[J].Geology and Exploration,2015,51(6):1187-1192.

1 引言

高速公路建設(shè)是我國重要的基礎(chǔ)建設(shè)，隨著我國高速公路網(wǎng)的規(guī)劃部署，越來越多的高速公路建設(shè)已延伸至山區(qū)丘陵地帶。山區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜，路塹開挖后往往導(dǎo)致山體邊坡變形破壞，其穩(wěn)定性嚴(yán)重制約著高速公路建設(shè)、運(yùn)營，甚至造成重大生命財(cái)產(chǎn)損失。正確評價(jià)邊坡穩(wěn)定性，采用合理的防治措施是減小滑坡地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)鍵因素。邊坡是一個復(fù)雜的地質(zhì)體，采用傳統(tǒng)的二維穩(wěn)定性計(jì)算雖然在某種程度上能滿足邊坡穩(wěn)定性分析的要求，卻不能真實(shí)的反映坡體的實(shí)際狀況，并且自然界中發(fā)生的滑坡均為三維狀態(tài)。邊坡三維穩(wěn)定性分析可以更加真實(shí)地反映邊坡的實(shí)際受力狀態(tài)，求解出更符合實(shí)際情形的安全系數(shù)和穩(wěn)定性結(jié)果，因此，三維穩(wěn)定性分析對于準(zhǔn)確評價(jià)邊坡穩(wěn)定性、合理選擇支護(hù)設(shè)計(jì)方案均具有重要意義(方建瑞等，2008；李明超等，2009；盧坤林等，2012；谷天峰等，2013)。

2 工程概況

永吉高速公路黑潭坪邊坡位于古丈縣城黑潭坪村，對應(yīng)樁號為K35+795～K35+885，原設(shè)計(jì)該線路段為高架橋，沿山腰延伸。山體邊坡位于高架橋左側(cè)，在橋梁施工過程中，因便道開挖和橋基施工，山體山腰切方，在距橋位約20m處形成了10m～15m人工邊坡。坡腳切方致使上部山體向臨空面滑移變形，在坡體后部產(chǎn)生多條裂縫和錯坎，裂縫寬度30cm～50cm，錯坎下錯位移3m～4m。坡體前緣高程為272m～287m，后緣高程約為356m，滑體平均厚度為16m，體積約為6×104m3，主滑方向約為313°，與邊坡坡向大體一致(圖1)?，F(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明，目前該邊坡仍處于緩慢變形狀態(tài)，其穩(wěn)定性直接影響著周邊村民的安全，一旦失穩(wěn)將造成巨大生命財(cái)產(chǎn)損失。

3 工程地質(zhì)條件

研究區(qū)內(nèi)原始地貌單元屬于構(gòu)造剝蝕中低山丘陵地貌，總體呈NE-SW向。研究區(qū)山體坡度陡峻，一般在40°左右，局部大于50°。根據(jù)地表調(diào)查和鉆探揭露，研究區(qū)內(nèi)主要地層由上到下依次為：第四系粉質(zhì)粘土(Q4el+dl)、碎石土(Q4el+dl)、元古界馬底驛組板巖(Ptbn2m)(見圖2)：①粉質(zhì)粘土(Q4el+dl)：紫紅色、黃褐色、青灰色，局部灰黃色，一般為可塑，局部為硬塑，含板巖碎塊石，碎石含量15%～25%，局部可達(dá)30%，粒徑2cm～9cm；②碎石土(Q4el+dl)：褐黃色，主要成分為板巖碎塊石和粉質(zhì)粘土，碎石含量55%～70%，該層物質(zhì)成分雜亂不均，厚度為3m～15m；③強(qiáng)風(fēng)化板巖(Ptbn2m)：青灰色、紫紅色，變余泥質(zhì)結(jié)構(gòu)為主，部分變余砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，板狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙面可見暗褐色鐵錳質(zhì)浸染，巖芯呈碎塊狀、塊狀，局部為短柱狀。巖層產(chǎn)狀變化較大為100°～140°∠30°～35°；④中風(fēng)化板巖(Ptbn2m)：青灰色、灰綠色，變余泥質(zhì)結(jié)構(gòu)為主，部分變余砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，板狀構(gòu)造，中厚層狀，巖體較完整～較破碎，巖芯以柱狀、短柱狀為主，局部沿節(jié)理面機(jī)械破碎呈塊狀。

圖1 邊坡平面圖Fig. 1 Plane diagram of slop1-滑坡周界；2-錯坎及裂縫；3-巖層產(chǎn)狀；4-勘探線編號；5-鉆孔及編號；6-設(shè)計(jì)路線；7-天然狀態(tài)計(jì)算模型邊界；8-開挖狀態(tài) 計(jì)算模型邊界1-boundary of landslide; 2-stages and cracks; 3-attitude of rocks; 4-exploration line number; 5-borehole number; 6-design route; 7-boundary of calculation model under natural state; 8-boundary of calculation model under excavation state

研究區(qū)內(nèi)主要斷裂為古丈逆斷層，斷層傾向SE，傾角約為70°。受該斷裂影響，區(qū)內(nèi)巖層產(chǎn)狀復(fù)雜多變，巖體結(jié)構(gòu)破碎。區(qū)內(nèi)地下水主要為第四系孔隙水和基巖裂隙水。第四系孔隙水主要賦存于粉質(zhì)粘土層和碎石土中，基巖裂隙水主要賦存于下伏中風(fēng)化板巖中，其分布受巖層節(jié)理裂隙發(fā)育程度及充填情況的影響較大。

4 邊坡變形破壞機(jī)理分析

分析認(rèn)為該邊坡變形破壞是內(nèi)外因素綜合作用的結(jié)果。邊坡上覆第四系坡殘積土，厚度不均一，結(jié)構(gòu)松散，力學(xué)強(qiáng)度較低，自穩(wěn)能力極差。此外，在構(gòu)造作用和風(fēng)化作用影響下，區(qū)內(nèi)巖層產(chǎn)狀復(fù)雜多變，巖體結(jié)構(gòu)破碎，節(jié)理裂隙極發(fā)育，工程性質(zhì)較差。巖土體工程性質(zhì)不良是邊坡變形破壞的內(nèi)在因素。

圖2 工程地質(zhì)剖面圖Fig.2 Profile of engineering geology1-粉質(zhì)粘土；2-強(qiáng)風(fēng)化板巖；3-碎石土；4-中風(fēng)化板巖；5-鉆 孔編號及高程1-silt cay; 2-strong weathered slate; 3-greavel soil; 4-mid-dle weathered slate; 5-borehole number with elevation

橋梁施工便道開挖后，邊坡坡腳切方形成臨空面，降低了坡體的抗滑力，導(dǎo)致邊坡應(yīng)力失衡而向臨空面滑移變形。在降雨作用下，邊坡穩(wěn)定性進(jìn)一步減弱，雨水對坡體穩(wěn)定性影響主要表現(xiàn)在：1)雨水增加了邊坡巖土體含水量，坡體自重增加，下滑力增大；2)邊坡巖土體含水量增加導(dǎo)致基質(zhì)吸力降低，土體抗剪強(qiáng)度下降，坡體變形破壞加劇；3)雨水浸入坡體軟化滑帶巖土體，進(jìn)一步增加了邊坡變形破壞進(jìn)程。從邊坡變形破壞過程看，坡體具有從下往上擴(kuò)展的趨勢。坡體前緣巖土體由于坡腳開挖首先形成小規(guī)模淺層滑坡，繼而帶動中后部巖土體依次產(chǎn)生多級牽引式滑移變形。因此，便道開挖和降雨是邊坡變形破壞的誘導(dǎo)因素。

5 邊坡穩(wěn)定性分析

5.1 計(jì)算模型

邊坡穩(wěn)定性受地形地貌影響常具有三維效應(yīng)(李宏杰等，2008)，三維穩(wěn)定性分析則可以較真實(shí)的反映邊坡變形破壞特性。為了減小邊界效應(yīng)的影響，模型計(jì)算范圍沿滑坡周界外延一定的距離(見圖1)。模型坐標(biāo)系統(tǒng)選用空間直角坐標(biāo)系，X方向取逆坡向?yàn)檎琙方向豎直向上為正，Y方向垂直XZ平面，計(jì)算范圍選取X方向196m，Y方向184m，Z方向從240m高程至地表(見圖3)。根據(jù)勘探結(jié)果，將地層概化為四種材料，建立地質(zhì)模型，劃分網(wǎng)格，并導(dǎo)入FLAC3D中計(jì)算。

圖3 計(jì)算模型Fig.3 Model of calculation

5.2 計(jì)算參數(shù)選取

通常巖土體的物理力學(xué)參數(shù)可以通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、工程經(jīng)驗(yàn)、反演計(jì)算及工程地質(zhì)類比法獲取，由于該邊坡巖土體破碎且碎石含量較高，僅采用常規(guī)實(shí)驗(yàn)方法難以獲得準(zhǔn)確的物理力學(xué)參數(shù)。根據(jù)前期資料，滑體主要成分為上覆第四系坡殘積土，因此對中風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化板巖可采用工程地質(zhì)類比法確定其計(jì)算參數(shù)，對粉質(zhì)粘土、碎石土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)參考文獻(xiàn)(鄧建輝等，2003)反算并結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)確定。巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 計(jì)算參數(shù)Table 1 Parameters of calculation

5.3 計(jì)算方法

目前邊坡三維穩(wěn)定性分析方法主要有極限平衡法和有限元強(qiáng)度折減法。極限平衡法原理簡單，概念清晰，該方法應(yīng)用往往基于一定的假設(shè)條件，因此其計(jì)算結(jié)果與真實(shí)情況存在一定的出入(Hunger，1987；Oldrich Hungeretal.,1989；張均鋒等，2005；鄭宏，2007；袁恒等，2011)。

有限元強(qiáng)度折減法引入邊坡穩(wěn)定性分析后，得到了廣泛應(yīng)用(Griffiths，1999)。與極限平衡法相比，有限元強(qiáng)度折減法評價(jià)邊坡穩(wěn)定性具有明顯的優(yōu)勢，不僅可以考慮復(fù)雜的地形地貌特征、巖土體應(yīng)力應(yīng)變特性而且還可以考慮坡體與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用等。利用有限元強(qiáng)度折減法求解邊坡安全系數(shù)的本質(zhì)與極限平衡法相同，其基本原理是通過對巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)c、tanφ不斷折減，直至某一時(shí)刻邊坡巖土體處于極限平衡狀態(tài)，坡體的抗滑力與下滑力相等，認(rèn)為此時(shí)的折減系數(shù)k即為邊坡的安全系數(shù)，即:

(1)

(2)

(3)

這里c，φ為巖土體強(qiáng)度參數(shù)；c′，φ′為折減后強(qiáng)度參數(shù)；k折減系數(shù)。

有限元強(qiáng)度折減法評價(jià)邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵問題在于坡體臨界狀態(tài)的判定，目前主要有三種方法判斷方法：①特征點(diǎn)位移法(陳菲等，2006)：通過繪制多個特征點(diǎn)位移與折減系數(shù)關(guān)系曲線，認(rèn)為位移曲線出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折處為邊坡的臨界狀態(tài)，將此時(shí)對應(yīng)的折減系數(shù)作為邊坡的安全系數(shù)；②塑性區(qū)貫通法(鄭穎人等，2004)：認(rèn)為塑性區(qū)全面貫通時(shí)邊坡處于極限平衡狀態(tài)； ③計(jì)算不收斂(馬建勛等，2004；鄭穎人等，2005；陳新澤等，2008)：以軟件計(jì)算不收斂作為邊坡臨界狀態(tài)。

本模型基于FLAC3D軟件自帶的Mohr-Columb本構(gòu)模型，通過對滑帶土強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減模擬邊坡變形破壞發(fā)展過程，以塑性區(qū)完全貫通作為邊坡失穩(wěn)準(zhǔn)則。

5.4 計(jì)算結(jié)果分析

針對黑潭坪邊坡分別就天然狀態(tài)、開挖狀態(tài)、削坡減載、錨固狀態(tài)四種不同工況下邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了詳細(xì)研究，采用強(qiáng)度折減法計(jì)算了不同工況下的安全系數(shù)。計(jì)算表明天然狀態(tài)下，邊坡安全系數(shù)為1.0214，處于極限平衡狀態(tài)。

橋梁便道施工，邊坡坡腳切方后，邊坡安全系數(shù)為0.98172，處于不穩(wěn)定狀態(tài)?，F(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，邊坡坡腳局部已發(fā)生淺層滑坡，坡體后部裂縫垂直坡向，并形成錯坎，坡體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。圖4位移矢量圖反映了開挖后坡體順坡向滑動，最大位移位于坡腳處，與現(xiàn)場情形基本相符。

圖4 開挖狀態(tài)下X方向位移矢量圖Fig. 4 Displacement vectors of x direction in excavation state

綜合考慮坡體穩(wěn)定性現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢、滑體物質(zhì)組成及研究區(qū)工程地質(zhì)條件，針對黑潭坪邊坡采用削坡減載結(jié)合錨固的綜合治理措施。根據(jù)邊坡的變形特征及地貌特征，采用7級坡方案，第一、二、三、四級坡坡比為1∶1.25，第五、六、七級坡坡比為1∶1.5，每級坡高10m，馬道寬2m，坡腳處設(shè)置擋墻。削坡后，坡體的整體穩(wěn)定性得到改善，安全系數(shù)提高到1.1020。坡體安全系數(shù)仍然小于規(guī)范中1.2～1.3(JTG D30-2004,2004)的要求，在此基礎(chǔ)上施加預(yù)應(yīng)力錨索，按照參考文獻(xiàn)(馬杰，2009)布設(shè)錨索，按每級坡布設(shè)三排錨索，間距為4m，傾角為25°，錨固段長8m，每根錨索施加預(yù)應(yīng)力250kN，第一、二、三、四級坡錨索長度為25m，第五、六、七級坡錨索長度為30m。計(jì)算表明施加預(yù)應(yīng)力錨索后邊坡安全系數(shù)為1.2313，滿足規(guī)范要求，邊坡變形得到控制，坡體基本穩(wěn)定(圖5)。

圖5 支護(hù)狀態(tài)下邊坡X方向位移矢量圖Fig. 5 Displacement vectors of x-displacement in supporting state

值得注意的是模擬計(jì)算中并未考慮到支擋結(jié)構(gòu)與巖土體的相互作用，因此，圖5中最大位移仍位于坡腳處。由于研究區(qū)雨水充沛，邊坡治理時(shí)應(yīng)充分考慮疏排水措施。

6 結(jié)論

通過對永吉高速公路黑潭坪邊坡的三維穩(wěn)定性研究得出以下結(jié)論：

(1) 邊坡變形破壞是內(nèi)外因素綜合作用的結(jié)果。受構(gòu)造作用和風(fēng)化作用影響，區(qū)內(nèi)巖土體工程性質(zhì)較差是邊坡變形破壞的內(nèi)因，坡腳開挖和地表水下滲是邊坡變形破壞的誘導(dǎo)因素。

(2) 基于強(qiáng)度折減法的邊坡三維穩(wěn)定性分析具有較好的適用性，能較真實(shí)的反應(yīng)邊坡的受力特征和穩(wěn)定性狀態(tài)。

(3) 針對黑潭坪邊坡采用削坡結(jié)合錨固的治理措施效果明顯。同時(shí)邊坡治理過程中應(yīng)該注意建立完善的截、疏、排水體系。

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Three-Dimensional Analysis of Slope Stability:A Case Study of the Heitanping Slope at the Yongji Highway

YIN Jian-hui1,ZHAO An-ping1,RAN Tao1,ZHANG Lei2

(1.InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029;2.LanzhouUniversity,Lanzhou,Gansu730000)

Field investigations reveal the engineering geological conditions of the Heitanping slope at the Yongji highway. The mechanism of slope deformation and failure are further studied,and strength parameters of rock and soil mass are acquired by laboratory tests and inversion calculation. Then a geological model of three dimensions is built and the slope stability in different working conditions are analyzed in detail using the software FLAC3Dfor numerical stimulation based on the strength reduction method. The results show that both internal and external factors play an important role in the progressive failure of the slope,i.e. it is a comprehensive phenomenon for the slope deformation and failure. The poor quality of rock and soil mass properties are internal factors,while the excavation of the slope toe as well as the rain infiltration are induction factors. It is appropriate to analyze the stability of a three dimensional slope based on the strength reduction method. The results of numerical stimulation indicate that cutting and unloading combined with prestressed anchor cable sash are a good method to prevent potential landslides.

slope engineering,slope stability analysis,strength reduction method,numerical analysis

2015-03-30；

2015-10-19；[責(zé)任編輯]陳偉軍。

尹劍輝(1989年-)，男，2013年畢業(yè)于河北工程大學(xué)，現(xiàn)在中科院地質(zhì)與地球物理研究所攻讀碩士學(xué)位，主要從事滑坡地質(zhì)災(zāi)害防治、巖土設(shè)計(jì)、監(jiān)測等工作。E-mail: 1225744188@qq.com。

P642.22

A

0495-5331(2015)06-1187-6