考慮滲透作用時(shí)的邊坡穩(wěn)定性分析及加固

鄒 飛

(貴州省交通建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督局，貴州 貴陽(yáng) 550000)

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考慮滲透作用時(shí)的邊坡穩(wěn)定性分析及加固

鄒 飛

(貴州省交通建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督局，貴州 貴陽(yáng) 550000)

通過(guò)對(duì)某邊坡的工程地質(zhì)條件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，分析了該邊坡存在的主要問(wèn)題，在考慮滲透作用的情況下，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘資料，采用強(qiáng)度折減法及有限元軟件模擬分析了邊坡的穩(wěn)定性，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及數(shù)值模擬結(jié)果，給出了該邊坡的加固建議。

邊坡，強(qiáng)度折減法，滲透作用，安全系數(shù)

0 引言

邊坡的穩(wěn)定性是影響主體工程安全性的重要因素，對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)并給予相應(yīng)的加固措施一直以來(lái)是研究的重點(diǎn)。欒茂田等人[1]結(jié)合強(qiáng)度折減法采用有限元方法分析了邊坡的失穩(wěn)判據(jù)，表明有限元分析方法是可行的。鄭穎人和趙尚毅[2]對(duì)巖質(zhì)邊坡進(jìn)行了有限元分析，給出了邊坡的滑動(dòng)面與安全系數(shù)。郝立新等人[3]建立了邊坡的地質(zhì)調(diào)查分類情況，為邊坡的穩(wěn)定性問(wèn)題提供參考。榮冠等人[4]對(duì)元磨公路典型邊坡進(jìn)行滲流作用的有限元分析，給出了該邊坡的加固措施建議。薛雷等人[5]采用Flac軟件對(duì)某邊坡進(jìn)行強(qiáng)度有限元分析，得出了使用強(qiáng)度折減法時(shí)應(yīng)對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行折減。鄒金鋒等人[6，7]對(duì)某邊坡進(jìn)行了三維有限元分析，并給出了加固措施建議。本文考慮滲透作用，結(jié)合強(qiáng)度折減法對(duì)某塹坡進(jìn)行有限元分析，評(píng)價(jià)該邊坡的穩(wěn)定性，并給出加固措施建議。

1 邊坡工程地質(zhì)及水文地質(zhì)現(xiàn)狀調(diào)查

某鐵路段塹坡，總長(zhǎng)為130 m。其中塹坡坡長(zhǎng)約為11 m，坡高為8.4 m，坡比為1∶0.84。坡體表面有較多的植被，坡面采用網(wǎng)格梁護(hù)坡形式，坡腳為高約1.4 m的擋墻。邊坡整體外觀如圖1所示。

塹坡所在地屬于中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，溫暖期長(zhǎng)，嚴(yán)寒期短，四季分明，雨量充沛，大陸性特征明顯。近十年來(lái)，年均降水1 400 mm～1 500 mm左右。坡體附近為干溝水系，多為沖溝暫時(shí)性流水，受大氣降水補(bǔ)給，流量隨季節(jié)動(dòng)態(tài)變化，具暴漲暴落特征。坡體范圍內(nèi)未見(jiàn)地表水發(fā)育。

坡體處于中低山區(qū)丘林地貌區(qū)。山頂圓錐形，山脊線呈波狀起伏。坡面植被發(fā)育，多灌木叢和喬木。邊坡坡體主要為風(fēng)化巖，此段區(qū)間坡體中間有一漿砌片石吊溝，為主要匯水區(qū)域，頂部較平緩，未見(jiàn)截水溝。由于降雨對(duì)邊坡的安全性有較大影響，因此本次分析中考慮了水的滲透作用。

坡體為巖質(zhì)邊坡，傾向?yàn)?0°，傾角為50°。坡頂殘積土覆蓋層較薄，厚度不均勻；坡頂上為常年生灌木叢與蕨類植物覆蓋。該地區(qū)盆地呈帶狀展布，東南部均為山地，山巒迭障。邊坡坡頂覆蓋層較薄，厚度不均勻；下伏基巖主要為石英砂巖、砂巖及粉砂巖。坡體為風(fēng)化巖，表層風(fēng)化較嚴(yán)重。坡頂背面主要為黃色粘性土。坡頂植被與地層巖性如圖2所示。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘資料及分析，該塹坡存在的主要問(wèn)題是：坡體上緣無(wú)截水溝，坡頂排水較困難；坡面有較多零散的灌木，侵蝕巖質(zhì)邊坡，降低了其護(hù)坡作用，易加劇雨水入侵；巖質(zhì)邊坡表層風(fēng)化較嚴(yán)重，局部已出現(xiàn)崩坍落石；吊溝內(nèi)雜物較多；坡體上的網(wǎng)格梁護(hù)坡也有不同程度的破損。

2 邊坡整體穩(wěn)定性分析

2.1 模型初始條件

1)巖土參數(shù)：根據(jù)實(shí)地勘測(cè)資料，邊坡巖土參數(shù)的選取如表1所示。

表1 邊坡巖土材料計(jì)算參數(shù)

2)基本假設(shè)：按照舍輕取重原則，本文忽略對(duì)路塹邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的次要因素，并在以下假設(shè)條件下對(duì)路塹邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析：a.同一層土體為滿足Mohr-Coulomb準(zhǔn)則的各向同性體；b.片石擋墻及護(hù)坡假設(shè)為彈性材料；c.不考慮土體剪脹角；d.假設(shè)土體降雨入滲為飽和滲流問(wèn)題。

3)邊界條件：假設(shè)僅有路塹邊坡頂部為自由排水邊界?？紤]到邊坡周邊土體的實(shí)際約束作用，對(duì)模型底部位移進(jìn)行約束；約束縱斷面的橫向位移；約束橫斷面的縱向位移。

2.2 模型建立及計(jì)算參數(shù)選取

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量結(jié)果，建立邊坡有限元計(jì)算模型如圖3所示。

計(jì)算邊坡長(zhǎng)度為80 m，坡高為9.8 m，自坡腳向下取5 m，坡腳外側(cè)各取5 m，路塹邊坡坡角約為50°。本次分析考慮邊坡滲水作用，故坡體分析時(shí)考慮了孔壓。坡體共劃分2 720個(gè)單元，3 567個(gè)單元節(jié)點(diǎn)。

2.3 數(shù)值計(jì)算與分析

本文采用強(qiáng)度折減法對(duì)邊坡的安全穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，邊坡失穩(wěn)的臨界條件判據(jù)主要有三種：

一是以數(shù)值計(jì)算的收斂性作為失穩(wěn)判據(jù)；

二是以特征部位位移的突變性作為失穩(wěn)判據(jù)；

三是以塑性區(qū)的貫通性作為失穩(wěn)判據(jù)。

1)安全系數(shù)計(jì)算。通過(guò)不斷折減安全系數(shù)，使得邊坡體內(nèi)的塑性區(qū)位置不斷發(fā)生變化，逐漸從坡腳處向坡體內(nèi)部延伸(見(jiàn)圖4，圖5)。當(dāng)折減系數(shù)為1.22時(shí)，邊坡塑性區(qū)貫通。以塑性區(qū)的貫通作為失穩(wěn)判據(jù)，則認(rèn)為此狀態(tài)下邊坡的安全系數(shù)為1.22。

在數(shù)值模擬過(guò)程中，選擇邊坡坡頂點(diǎn)為特征點(diǎn)，將此點(diǎn)的位移突變作為邊坡的失穩(wěn)判據(jù)。通過(guò)數(shù)值計(jì)算，繪制安全系數(shù)—位移曲線如圖6所示。從圖6可看出，強(qiáng)度折減系數(shù)小于1.22時(shí)，邊坡頂點(diǎn)位移變化不大，而當(dāng)折減系數(shù)大于1.22后邊坡位移急劇增加，因此可以認(rèn)為該邊坡安全系數(shù)為1.22，此結(jié)果與塑性區(qū)貫通判據(jù)結(jié)果一致。

2)滑動(dòng)面。在計(jì)算模擬前應(yīng)首先需要對(duì)計(jì)算邊坡進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡。在消除重力影響之后的最終位移云圖如圖7所示。

從圖7可看出，邊坡潛在滑裂面從坡趾開(kāi)始發(fā)展并向上延伸貫通至坡頂。由于計(jì)算過(guò)程的第一步已經(jīng)進(jìn)行了初始地應(yīng)力平衡，因此，從位移等值線云圖可以清楚地觀察到滑動(dòng)面的位置。該滑動(dòng)面大致呈圓弧狀，通過(guò)邊坡坡腳點(diǎn)?；瑒?dòng)面圓弧半徑為16.8 m左右?；瑒?dòng)面到坡面最大垂直深度約為2.44 m。

2.4 結(jié)論及建議

針對(duì)該段路塹邊坡，本文建立了三維有限元數(shù)值模型，考察路塹邊坡在邊坡自重及孔隙水壓力作用下的穩(wěn)定性。得出結(jié)論如下：該段路塹邊坡安全系數(shù)約為1.22，考慮到邊坡巖土材料的離散性以及強(qiáng)降雨等不利因素，建議對(duì)該路塹邊坡進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)并及時(shí)采用相應(yīng)的支護(hù)措施來(lái)保證邊坡的穩(wěn)定性。

3 建議

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研資料及數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)該邊坡的加固建議如下：在降雨的天氣中，要進(jìn)行雨中、雨后兩天內(nèi)看守；在坡頂及其兩側(cè)修建混凝土或漿砌片石截水溝；及時(shí)對(duì)吊溝內(nèi)雜物進(jìn)行清理；對(duì)已發(fā)生的小范圍內(nèi)的表層風(fēng)化巖造成的崩坍落石進(jìn)行及時(shí)清理，防止其堵塞排水溝；在原有坡面基礎(chǔ)上，進(jìn)行網(wǎng)格梁二次加固+增設(shè)排水孔的聯(lián)合加固方式。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)該邊坡的現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查，考察了該邊坡的水文及地質(zhì)等條件，得出該邊坡及現(xiàn)有支護(hù)的主要問(wèn)題。其次，通過(guò)考慮滲透力，結(jié)合強(qiáng)度折減法對(duì)該邊坡進(jìn)行有限元分析，對(duì)該邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)估，得出該邊坡的安全系數(shù)為1.22。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘情況及數(shù)值模擬結(jié)果，給出該邊坡的加固措施建議，以期為類似工程提供參考。

[1] 欒茂田,武亞軍,年廷凱.強(qiáng)度折減有限元法中邊坡失穩(wěn)的塑性區(qū)判據(jù)及其應(yīng)用[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào),2003(3):1-8.

[2] 鄭穎人,趙尚毅.有限元強(qiáng)度折減法在土坡與巖坡中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004(19):3381-3388.

[3] 郝立新,陳偉明,馬 寧.巖質(zhì)邊坡坡體結(jié)構(gòu)分類及其工程意義[J].公路工程,2014(3):19-24.

[4] 榮 冠,王思敬,王恩志,等.強(qiáng)降雨下元磨公路典型工程邊坡穩(wěn)定性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2008(4):704-711.

[5] 薛 雷,孫 強(qiáng),秦四清,等.非均質(zhì)邊坡強(qiáng)度折減法折減范圍研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2011(2):275-280.

[6] Jinfeng Z,Yanjun Z.Evaluation of Slope Stability by Numerical Method Considering Strength Subtraction[J].The Electronic Journey of Geotechnical engineering,2015(21):11519-11525.

[7] Jinfeng Z,Yanjun Z.Stability Analysis and Reinforcement Design of Slope Based on Strength Subtraction Method[J].The Electronic Journey of Geotechnical engineering,2015(21):12000-12005.

Stability analysis of slope considering seepage flow effect and reinforcement

Zou Fei

(ConstructionEngineeringQualitySupervisionBureauofGuizhouProvince,Guiyang550000,China)

Through the site investigation of the hydro-geology condition of a slope, the main exterior problems of the slope are stated. Then, according to the investigation data, the stability of the slope is analyzed using finite element method. In the analysis, the seepage effect is considered and the strength reduction method is used. Based on the on-site investigation information and numerical simulation results, the reinforcement suggestions are given.

slope, strength reduction, seepage effect, safety factor

1009-6825(2016)24-0060-02

2016-06-20

鄒 飛(1983- )，男，高級(jí)工程師

TU413.62

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