高邊坡穩(wěn)定性分析與評估

朱澤雄， 楊 旌， 于維學(xué)， 張俊彥*

(1.湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 湘潭 411105；2.河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

高邊坡穩(wěn)定性分析與評估

朱澤雄1， 楊 旌2， 于維學(xué)1， 張俊彥1*

(1.湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 湘潭 411105；2.河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

中南地區(qū)以山地、丘陵地貌為主，境內(nèi)鐵路線的建設(shè)不可避免地會遇到高陡邊坡情況.考慮到鐵路邊坡的重要性和特殊性，加之該地區(qū)雨水充足、年氣溫變化大等不利因素對邊坡穩(wěn)定性的影響，鐵路邊坡監(jiān)控、評估以及加固技術(shù)就顯得尤為重要.以往對于邊坡的安全評估多通過觀察其表觀現(xiàn)狀，結(jié)合實踐經(jīng)驗判斷其穩(wěn)定性，但由于缺少可靠的實測數(shù)據(jù)，不確定性較大.本文基于現(xiàn)場實際勘探，借助地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)，提出了一種邊坡穩(wěn)定性的評估方法.運用有限元軟件ABAQUS，結(jié)合折減系數(shù)法對邊坡建模分析，對其穩(wěn)定性做定量的評估.本文提出的評估方法是以實際工程為研究基礎(chǔ)，能夠綜合評價現(xiàn)狀邊坡的安全穩(wěn)定性，具有一定的工程借鑒作用.

邊坡穩(wěn)定性；地質(zhì)雷達(dá)探測；ABAQUS有限元軟件；強度折減法

在實際工程中，邊坡的穩(wěn)定性問題受到人們熱切關(guān)注，尤其是大型高陡邊坡，其穩(wěn)定性問題更為重要.邊坡整治工作應(yīng)遵循“預(yù)防為主，保護優(yōu)先”的原則.關(guān)于邊坡穩(wěn)定性問題的基本理論和檢測方法紛繁多樣，對于一般黏性土坡穩(wěn)定性分析有瑞典圓弧法、條分法和畢曉普法，對于巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析就更加復(fù)雜.本文采用現(xiàn)場勘測方法，調(diào)查邊坡現(xiàn)狀、水文地質(zhì)情況，并運用地質(zhì)雷達(dá)探測邊坡內(nèi)部情況，對可能存在的空洞、裂隙以及碎裂帶進行統(tǒng)計分析，后期利用大型通用有限元軟件ABAQUS對邊坡進行穩(wěn)定性分析，得出安全系數(shù).運用現(xiàn)場的定性調(diào)查和后期的定量分析相結(jié)合的方法對現(xiàn)狀邊坡進行系統(tǒng)的分析和評估.

1 邊坡現(xiàn)狀調(diào)查

1.1 邊坡概況

本次調(diào)查研究對象為京廣鐵路線上一處重點監(jiān)控邊坡，地處湖南湘潭易家灣鎮(zhèn)境內(nèi).該段邊坡總長約為94.92 m，總高度約為34.03 m，邊坡共分三級，各級坡度角為40°～45°不等，屬于高陡邊坡.現(xiàn)有邊坡設(shè)有漿砌石護坡和重力式擋墻，坡面設(shè)有泄水孔和排水溝.

1.2 水文氣象條件

該段邊坡所在地屬于中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，嚴(yán)寒期短，春早回暖快，春夏多雨，夏末秋后多旱，具有獨特的山區(qū)立體氣候.近十年來，年均降水1 500 mm左右，屬于湖南多雨地區(qū)之一.坡體附近為干溝水系，多為沖溝暫時性流水，受大氣降水補給，流量隨季節(jié)動態(tài)變化，具暴漲暴落特征.坡體范圍內(nèi)未見地表水發(fā)育.

1.3 地形地貌

該段邊坡地處湘瀏盆地內(nèi)，屬中低山區(qū)丘陵地貌區(qū).山頂圓錐形，山脊線呈波狀起伏.邊坡整體走向NW 40°～45°.北坡坡向315°，坡度角約15°；南坡坡向175°，坡度角約52°.

坡面植被主要為喬木、蕨類植物和常年生灌木叢.

1.4 地層巖性與地質(zhì)構(gòu)造

該地區(qū)廣泛分布著白至系礫巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖等軟質(zhì)巖石，具有成巖差，易風(fēng)化、崩解等特殊性質(zhì).邊坡坡頂覆蓋層較薄，土層厚度不均勻(30～100 cm)；下伏基巖主要為石英砂巖、砂巖及粉砂巖，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，風(fēng)化程度較高，節(jié)理裂隙內(nèi)含泥量較少；基巖質(zhì)地較堅硬，呈灰黃色，強風(fēng)化砂巖裂隙面多覆蓋褐黃色銹斑狀浸染，在敲打之下有清脆的敲打回聲.

2 地質(zhì)雷達(dá)探測

2.1 測線布置

探測時應(yīng)根據(jù)探測對象、探測方法等因素確定合適的工作比例尺，測網(wǎng)的布置應(yīng)與工作比例一致，以保證測網(wǎng)覆蓋可能存在的異常區(qū)域.根據(jù)現(xiàn)場實際工作需要，調(diào)整或增加布設(shè)測線，對可能存在空洞的薄弱面加密測線[1].本工點采用400 MHz屏蔽低頻天線，預(yù)報邊坡坡面一定距離范圍內(nèi)圍巖的變化和空隙發(fā)育情況.

測網(wǎng)密度可參考表1進行選擇.本工點參照1∶500比例尺進行探測，控制測線間隔5～8 m，各級邊坡連續(xù)探測.

表1 工作比例尺與測網(wǎng)密度

由于本工點測線較多，為了有效分析邊坡現(xiàn)狀，省去了一些形態(tài)相似的測線，在各級邊坡中選擇了一些雷達(dá)反應(yīng)異常區(qū)域和邊坡形態(tài)復(fù)雜的區(qū)域作為分析對象.

該段邊坡雷達(dá)測線布置如圖1所示.

2.2 地質(zhì)雷達(dá)測試圖象判釋

對雷達(dá)探測數(shù)據(jù)文件進行預(yù)處理、增益調(diào)整、濾波和成圖等處理后，最終得到各測線的成果圖，并據(jù)此進行探測對象的地質(zhì)判釋[2]，見圖2～圖7.

上述雷達(dá)探測灰度圖顯示，該段邊坡坡面漿砌石厚度為40～80 cm，雷達(dá)異常區(qū)段主要可以分為兩部分，因此在0.4 m處畫一分界線用以區(qū)分，0.4 m以上的異常主要表現(xiàn)為漿砌石內(nèi)部裂隙，0.4 m以下的異常主要表現(xiàn)為下伏空洞和松散土體含水率.

根據(jù)雷達(dá)測試結(jié)果圖進行分析,如表2所示.

表2 地質(zhì)雷達(dá)綜合測試成果分析表

2.3 地質(zhì)雷達(dá)探測的結(jié)論

根據(jù)邊坡現(xiàn)狀、裸露區(qū)段地質(zhì)揭露情況以及地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果進行綜合分析，結(jié)論如下：

測線1、7代表了第三級邊坡的內(nèi)部現(xiàn)狀，雷達(dá)灰度圖表明該段區(qū)域0.2～0.4 m范圍內(nèi)漿砌石與坡體結(jié)合良好，0.4 m以下局部土體松散，含水率較大，下部圍巖還可能存在裂隙，應(yīng)對該段邊坡進行處理，加強其穩(wěn)定性.測線14、18、20代表的是第二級邊坡的內(nèi)部現(xiàn)狀，該段邊坡下部0.2～0.4 m范圍內(nèi)為雷達(dá)異常區(qū)段，漿砌石內(nèi)部裂隙發(fā)育，漿砌石下伏小型空洞，局部土體松散，含水率較大，邊坡穩(wěn)定性相對降低.測線21代表的是第一級邊坡的內(nèi)部現(xiàn)狀，該段雷達(dá)灰度圖無明顯的區(qū)分度，推測邊坡養(yǎng)護較好，漿砌石較完整，土體壓實度均勻，邊坡的穩(wěn)定性較好，0.6 m以下探測區(qū)域，局部可能存在含水層，應(yīng)加強邊坡排水能力.

3 邊坡整體穩(wěn)定性分析

3.1 模型建立及計算參數(shù)選取

本文采用大型有限元數(shù)值軟件ABAQUS進行邊坡穩(wěn)定性分析，為邊坡防護與加固設(shè)計提供參考.參考地形測量結(jié)果，建立該邊坡有限元模型.

ABAQUS軟件可以對相對復(fù)雜的巖土構(gòu)筑物進行分析，并可綜合考慮多個復(fù)雜因素的影響，計算結(jié)果具有較好的參考價值.本著舍輕取重原則，本文忽略對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的次要因素，并在以下假設(shè)條件下對邊坡的穩(wěn)定性進行分析：(1) 忽略現(xiàn)有支護結(jié)構(gòu)的作用；(2) 同一層土體為滿足Morh-Coulomb準(zhǔn)則的各向同性體；(3) 不考慮土體剪脹角；(4) 假設(shè)土體降雨入滲為飽和滲流問題.

計算采用的巖土材料參數(shù)是根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]中有關(guān)資料，并考慮地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果，對巖土材料參數(shù)進行調(diào)整所得[4].具體參數(shù)見表3.

表3 邊坡巖土材料計算參數(shù)

3.2 數(shù)值計算結(jié)果與分析

有限元分析采用強度折減法對邊坡的穩(wěn)定性進行安全評估，獲得該邊坡的安全系數(shù).實際邊坡在長期自重作用下已經(jīng)達(dá)到平衡.而在采用ABAQUS分析邊坡穩(wěn)定過程中，由于重力作用會對邊坡產(chǎn)生豎向沉降，給滑動面觀察造成困難，因此首先需要進行地應(yīng)力平衡計算以消除重力的影響.自重應(yīng)力作用下的位移如圖8所示.

(1) 安全系數(shù)

采用強度折減法，當(dāng)強度折減到某一數(shù)值時，計算過程中將出現(xiàn)位移拐點.將計算過程中邊坡頂點出現(xiàn)位移突變視為邊坡失穩(wěn)，由此可確定該邊坡保持穩(wěn)定的臨界強度折減系數(shù)[5].

從圖10可見，當(dāng)強度折減系數(shù)在0～1.05范圍內(nèi)變動時，邊坡頂點位移變化不大，當(dāng)強度折減系數(shù)大于1.05時，邊坡頂點位移隨強度折減系數(shù)的增大而急劇增大.觀察塑性區(qū)的變化，以查看邊坡失穩(wěn)過程.截取邊坡坡腳出現(xiàn)塑性區(qū)直至塑性區(qū)貫通的過程，當(dāng)折減系數(shù)為1.05時，如圖11所示，邊坡塑性區(qū)開始貫通，有形成完整的圓弧形滑裂面的趨勢.由此可確定該段邊坡的安全系數(shù)為1.05.

(2) 滑動面

在邊坡穩(wěn)定性分析中，需要確定滑動面的位置.由于第一步分析中進行了地應(yīng)力平衡計算，消除了重力作用對邊坡位移的影響.因此從位移等值線云圖可以清楚地判斷滑動面的位置.從圖9中可看出，滑動面大致呈圓弧狀，通過第二級邊坡坡腳點.滑動面圓弧半徑為60 m左右，滑動土體截面積為640 m2左右[6].

3.3 數(shù)值模擬結(jié)論及建議

針對該段邊坡，通過ABAQUS數(shù)值軟件建立了三維有限元分析模型，考察邊坡在重力及孔隙水作用下的穩(wěn)定性.得出以下主要結(jié)論及建議：

(1) 該段邊坡臨界強度折減系數(shù)約為1.05，考慮到邊坡巖土參數(shù)離散性及強降雨等不利因素，建議采取加固措施進行處理.

(2) 潛在滑動面圓弧半徑為60 m左右，滑動面土體截面積約為640 m2.該段邊坡在已有支護結(jié)構(gòu)支護作用不明顯的情況下有滑坡的危險，建議及時采取加固措施進行加固處理.

4 結(jié) 語

(1) 邊坡現(xiàn)狀、裸露區(qū)段地質(zhì)揭露情況以及地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果綜合分析表明，該段邊坡局部土體松散，含水率較大，下部巖體存在局部裂隙，邊坡穩(wěn)定性相對較低.

(2) 根據(jù)現(xiàn)場勘測以及后期數(shù)值模擬計算，該邊坡臨界強度折減系數(shù)為1.05，考慮到邊坡巖土參數(shù)離散性、強降雨等不利因素影響，以及鐵路邊坡的重要性，邊坡安全性不足，原有加固措施不足以保證邊坡穩(wěn)定性.

(3) 基于現(xiàn)場踏勘情況和數(shù)值分析獲得的滑坡體幾何特征，能夠為加固方案提供設(shè)計參考，提高設(shè)計的可靠性.

(4) 采用地質(zhì)雷達(dá)現(xiàn)場探測與有限元數(shù)值模擬的邊坡穩(wěn)定性分析方法能夠全面評估高邊坡現(xiàn)狀，具有工程借鑒性，可運用于類似實際工程中.

[1] 李大心.探地雷達(dá)方法與應(yīng)用[M].北京：地質(zhì)出版社，1994.

[2] 許新剛, 李黨民, 周杰. 地質(zhì)雷達(dá)探測中干擾波的識別及處理對策[J].工程地球物理學(xué)報，2006，3(2)：114-118.

[3] 水利水電科學(xué)研究院.巖石力學(xué)參數(shù)手冊[M].北京:水利水電出版社,1991.

[4] 郭彬彬，趙衛(wèi)華，王紅才，等. 千靈山巖質(zhì)邊坡地質(zhì)雷達(dá)探測及穩(wěn)定性分析[J].地質(zhì)力學(xué)學(xué)報，2013，19(1)：104-112.

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責(zé)任編輯：羅 聯(lián)

Analysis and Evaluation of High-Slop Stability

ZHUZe-xiong1，YANGJing2,YUWei-xue1，ZHANGJun-yan1*

(1.CollegeofCivilEngineeringandMechanics,XiangtanUniversity,Xiangtan411105; 2.SchoolofCivilEngineering,HebeiUniversityofEngineering,Handan056038China)

The central south region of China is dominated by mountains and hills. It’s inevitable to encounter high and steep slopes in the construction of railway. Considering the importance and particularity of railway slopes, combined with the influence of abundant rainfall and variable annual temperature on slope stability, control and evaluation of railway slope as well as reinforcement techniques are significant. Traditionally, the safety of slope is evaluated by observing its apparent status and combing with practical experience,which is lack of reliable measured data and uncertainty. Based on the field exploration,and with the help of technology of ground penetration radar,this paper came up with a method about slope stability evaluation.Then,using FEM software ABAQUS and strength reduction method, we numerically analysed stability of a high slope.This paper put forward a new method based on the actual engineering to comprehensively evaluate the stability of a slope,which is a reference to related similar engineering.

stability of slope;ground penetration radar; ABAQUS;strength reduction method

2016-03-12

張俊彥(1962—)，男，湖南 湘潭人，博士，教授. E-mail:zhangjy@xtu.edu.cn

TU457

A

1000-5900(2016)04-0020-06