吉縣收費站辦公樓邊坡穩(wěn)定性分析及處治方案

趙昀昀，王 海

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院，山西 太原 030006)

吉縣收費站辦公樓邊坡穩(wěn)定性分析及處治方案

趙昀昀，王 海

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院，山西 太原 030006)

臨吉高速公路吉縣收費站辦公樓邊坡最高達到124 m，邊坡穩(wěn)定性及其對辦公樓的安全影響尤為重要。針對邊坡的工程地質(zhì)特征，采用定性和定量的分析評價方法對邊坡進行了整體和局部穩(wěn)定性分析，并提出了強化坡體整體穩(wěn)定性，同時加固坡體局部穩(wěn)定性的固腳強腰處治方案。

邊坡工程；穩(wěn)定性；處治

1 前 言

邊坡穩(wěn)定性分析一直是巖土工程中重要的研究方向，然而其分析評價方法、參數(shù)的選取，至今仍是一大難題。邊坡穩(wěn)定性分析評價方法大致可分為定性和定量分析。定性分析主要通過分析邊坡工程地質(zhì)條件及特征，依靠經(jīng)驗或通過工程類比，來分析其穩(wěn)定狀態(tài)，稱為工程地質(zhì)分析法，這種方法受到個人經(jīng)驗的影響，分析結(jié)果差異較大；定量分析概況起來主要有三類：以極限平衡法為主的傳統(tǒng)算法、以有限元模型為主的模擬計算方法和以現(xiàn)代非線性科學(xué)、信息科學(xué)為主的新技術(shù)方法。在定量計算分析過程中，不可避免地要涉及到由于巖土性質(zhì)的復(fù)雜性導(dǎo)致的不確定性因素，如滑動面位置確定、計算參數(shù)選取等。

本文以臨吉高速公路吉縣收費站辦公樓高邊坡為工程實例，將定性與定量分析方法相結(jié)合，相互補充完善，使邊坡穩(wěn)定性分析評價結(jié)果更接近實際情況，為滑坡工程治理，預(yù)測預(yù)警和危險性評價提供依據(jù)。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 氣象、水文

邊坡區(qū)屬于暖溫帶大陸性氣候，年平均氣溫10 ℃，區(qū)內(nèi)年平均降水量為529.4 mm，年最大降水量828.9 mm，年最小降水量277.6 mm。

2.2 邊坡形態(tài)

邊坡區(qū)位于黃土殘垣溝壑區(qū)，微地貌為黃土沖溝、陡坡、黃土塬等。邊坡坡腳高程在836 m左右，坡頂為黃土塬頂，高程為960 m左右，相對高差124 m，坡角為30°～60°。坡面植被多為荒草和灌木，坡頂為蘋果園。

2.3 地層巖性

路塹邊坡由第四系全新統(tǒng)(Q4)崩積土、第四系上更新統(tǒng)(Q3eol)黃土、中更新統(tǒng)(Q2pl)黃土(粉質(zhì)粘土)及卵石和新近系上新統(tǒng)(N2)粘土、砂礫組成。

3 邊坡工程地質(zhì)特征

區(qū)內(nèi)地層主要為第四系全新統(tǒng)(Q4)崩積土、第四系(Q2-3)上～中更新統(tǒng)黃土、新近系上新統(tǒng)(N2)粘土、粉質(zhì)粘土及鈣質(zhì)結(jié)核層。從上往下可以分為四層。

①層：第四系全新統(tǒng)(Q4)崩積土，分布于邊坡前緣緩平臺上，分布厚度4～7 m，根據(jù)走訪調(diào)查，邊坡在60年前發(fā)生過崩塌，后經(jīng)過磚廠改造，在緩平臺上僅留下了部分崩積物。崩積土以粉土為主，淡黃色～褐黃色，稍密～松散狀，稍濕，孔隙發(fā)育，含水量10.2%～23.3%，巖芯采取率低，多為散土狀。

②層：第四系上更新統(tǒng)(Q3)黃土，分布于邊坡的頂部，以粉土為主，淡黃色，稍密，稍濕狀，節(jié)理裂隙和大孔隙發(fā)育，在邊坡上多形成呈陡坡地形，厚度15～25 m。本次勘察鉆孔中未揭示該層，根據(jù)臨吉高速勘察報告，該土層具濕陷性，孔隙大，易濕陷形成落水洞。

③層：第四系中更新統(tǒng)(Q2)黃土，分布于邊坡中部，以粉質(zhì)粘土為主，夾有粉土，褐黃色，多為硬塑狀，含水量14.0%～20.1%，垂直節(jié)理較發(fā)育，邊坡上多形成近直立的陡坎地形。

④層：新近系上新統(tǒng)(N2)粉質(zhì)粘土，分布于邊坡下部，在鉆孔均有揭露，地表僅在邊坡東側(cè)底部有出露。邊坡范圍內(nèi)該層土體巖性以粉質(zhì)粘土為主，夾粉土砂礫及卵石層，土體以硬塑狀為主，含水量12.1%～25.6%，地層總體較密實，抗剪強度較好，地基承載力總體較好。部分鉆孔中揭示在該層頂部分布有厚0.5～2.0 m的可塑狀粉質(zhì)粘土，但空間分布不均勻，在邊坡范圍內(nèi)不連續(xù)。

4 邊坡變形特征

2013年5～7月，邊坡區(qū)連續(xù)大暴雨，坡面曾發(fā)生多次黃土掉塊、坍塌等現(xiàn)象，并伴有少量泥流沖刷下來。根據(jù)調(diào)查，在辦公樓后斜坡西側(cè)，出現(xiàn)多次橫向裂縫及縱向沖溝，裂縫長2～3 m，呈不連續(xù)狀，可見寬度0.2～0.3 m。另外，在邊坡上西側(cè)發(fā)現(xiàn)一處黃土小崩塌，造成坡腰處截水溝堵塞。

綜上所述，目前邊坡未發(fā)生大規(guī)模的變形，僅在邊坡中部出現(xiàn)少量的橫向卸荷裂隙，伴隨小型黃土崩塌、塌落等現(xiàn)象。

5 邊坡穩(wěn)定性分析與評價

5.1 邊坡整體穩(wěn)定性分析

(1)工程類比法

根據(jù)臨吉高速公路勘察報告，收費站周邊存在多處黃土崩塌，如吉縣2#隧道進口、吉縣4#隧道進口和K232+390處，其斜坡陡傾，坡度一般大于50°，垂直節(jié)理發(fā)育，受地表水侵蝕和重力作用，均產(chǎn)生了自然崩塌或滑塌。崩塌體規(guī)模一般不大，但其具有突發(fā)性，能量較集中，破壞力不能忽視。

另外，在距離收費站辦公樓西側(cè)約800 m處的吉昌鎮(zhèn)小府村北山體，于2014年4月22日，受降雨影響，也產(chǎn)生了大型黃土滑坡。

上述產(chǎn)生的黃土崩塌區(qū)的工程地質(zhì)條件與項目區(qū)極為相似，且位于同一個地貌單元內(nèi)，通過類比分析，項目區(qū)的邊坡具有產(chǎn)生黃土滑坡的條件，穩(wěn)定性較差，特別是在持續(xù)強降雨的作用下，極易產(chǎn)生崩塌和滑坡。

(2)數(shù)值計算法

①參數(shù)的選取

邊坡土層抗剪強度參數(shù)的取值直接影響邊坡計算、分析的可靠性。本次穩(wěn)定性分析，C、φ值的選取，是在試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合周邊黃土邊坡參數(shù)經(jīng)驗值，綜合選取抗剪強度，取值情況下表1。

表1 邊坡土體物理力學(xué)參數(shù)表

②數(shù)值計算分析

該段邊坡總體上屬于土質(zhì)滑坡，采用簡化畢肖普法(總應(yīng)力法)，選取代表性斷面B-B′(見圖1)，對邊坡穩(wěn)定性進行計算，計算公式如下

(1)

(2)

式中：K為整個滑體剩余下滑力計算的安全系數(shù)；b為單個土條的寬度，m；W為條塊重力，kN，浸潤線以上取重度，以下取飽和重度；θ為條塊的重力線與通過此條塊底面中點半徑之間的夾角，度。

圖1 B-B′斷面整體穩(wěn)定性計算剖面圖

工況最小穩(wěn)定系數(shù)圓心位置及半徑自然狀態(tài)1.03圓心坐標(biāo):(45.463,114.754)半徑:94.156地震作用下(Ⅶ度區(qū))0.95

根據(jù)計算結(jié)果(表2)，該邊坡在自然狀態(tài)下最不利穩(wěn)定系數(shù)為1.03，說明邊坡在自然狀態(tài)下，整體上處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。但在不利工況下，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)將會降低，具有產(chǎn)生整體滑動的可能性。

綜上所述，該邊坡在自然狀態(tài)下，坡體是基本穩(wěn)定的，發(fā)生整體滑動的可能性較小，但在不利工況下，邊坡可能整體失穩(wěn)。

5.2 邊坡局部穩(wěn)定性分析

根據(jù)邊坡地形特征、構(gòu)造物設(shè)置情況，從縱向上可將邊坡分為三個區(qū)，即為邊坡前緣緩平臺區(qū)(Ⅰ區(qū))、緩平臺至字牌區(qū)(Ⅱ區(qū))和字牌至坡頂區(qū)(Ⅲ區(qū))，各區(qū)位置見圖2。

(1)Ⅰ區(qū)

該區(qū)分布高程836～856 m，坡高15～20 m，總體坡向120°，平面上呈圈椅狀，面積約為400 m2，體積約為0.22萬m3。邊坡前緣緩平臺上分布有厚度4.0～7.0 m崩積土，巖性多為粉土，結(jié)構(gòu)松散，含植物根系，崩積土之下多為N2粉質(zhì)粘土，多為可塑狀態(tài)，且為相對隔水層，降雨之后，雨水多滯留于該粉質(zhì)粘土層之上，難以下滲排泄，使土體飽和，抗剪強度降低，極易使崩積土沿土層分界線向下滑動，產(chǎn)生局部滑塌。綜合評價，該區(qū)坡體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)Ⅱ區(qū)

該區(qū)分布高程856～890 m，坡高53.0～55.0 m，總體坡向130°。該段地形較陡，坡角在50°～60°左右，坡面分布有少量植被，巖性以第四系中更新統(tǒng)黃土，中密/硬塑，稍濕狀，垂直節(jié)理較發(fā)育，具大孔隙。根據(jù)計算分析(見表3)，該區(qū)自然穩(wěn)定系數(shù)為1.17，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。但字牌位置有寬約2.0 m的平臺，平臺之后為直立陡坎，邊坡上部的雨水沿坡面紊流，多匯集于該平臺處，對平臺已造成侵蝕，考慮雨水作用，從平臺處產(chǎn)生拉張裂縫，并形成滑塌的可能性較大。另外在該區(qū)東側(cè)，坡體多呈直立狀，且近期有黃土局部小塌落。綜合評價，該區(qū)坡體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 B-B′斷面Ⅱ區(qū)局部穩(wěn)定性計算剖面圖

工況最小穩(wěn)定系數(shù)圓心位置及半徑自然狀態(tài)地震作用下(Ⅶ度區(qū))1.171.12圓心坐標(biāo):((44.564,56.154)半徑:35.529

(3)Ⅲ區(qū)

該區(qū)分布高程890～960 m，坡高55.0～125.0 m，總體坡向120°。該段地形較陡，坡角在45～65°，坡面植被發(fā)育，巖性為第四系上、中更新統(tǒng)黃土，稍密～中密，稍濕狀，垂直節(jié)理發(fā)育，具大孔隙。坡頂為黃土塬，平坦開闊，無附加荷載影響；字牌之上坡體植被發(fā)育，受到雨水侵蝕作用較小，排水較順暢，根據(jù)經(jīng)驗，該區(qū)內(nèi)坡體產(chǎn)生局部滑塌可能性較小，穩(wěn)定性相對較好。但下部的Ⅱ區(qū)穩(wěn)定性較差，如果Ⅱ區(qū)產(chǎn)生滑動，勢必會牽引該區(qū)，造成滑動。

6 處治方案

根據(jù)邊坡巖性、結(jié)構(gòu)特征，以考慮坡體整體穩(wěn)定性為主，輔以加強坡體局部穩(wěn)定性的固腳強腰處治方案。

建議在字牌位置和緩平臺區(qū)頂加強橫向截水溝，將雨水引排至邊坡范圍之外，防止雨水下滲軟化坡體；在坡腳位置設(shè)置擋墻，防止緩平臺區(qū)(Ⅰ區(qū))崩積物產(chǎn)生滑塌；在Ⅱ區(qū)采用土釘墻結(jié)構(gòu)加強該區(qū)穩(wěn)定性，土釘長度15～20 m為宜，并對該區(qū)東側(cè)較陡不穩(wěn)定坡體，進行適當(dāng)削坡，坡率1∶0.75～1∶05為宜；對坡體邊坡穩(wěn)定性進行監(jiān)測。

該方案優(yōu)點：(1)減少對環(huán)境的破壞；(2)能保留坡面原有的設(shè)施；(3)不侵占坡頂耕地。

7 結(jié) 論

(1)根據(jù)工程類比及穩(wěn)定性計算，邊坡在自然狀態(tài)下，整體上處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但在不利工況下，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)將會降低，具有產(chǎn)生整體滑動的可能性。

(2)對邊坡采用了定性和定量的穩(wěn)定性評價方法，結(jié)果表明邊坡Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)屬于欠穩(wěn)定狀，Ⅲ區(qū)穩(wěn)定性相對較好。

(3)對該邊坡采用局部加固+支擋+截排水的固腳強腰綜合治理方案。

[1] 鄭穎人.邊坡穩(wěn)定分析的一些進展[J].地下空間，2001，21(4)：262-265.

[2] 陳祖煜. 土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析原理、方法、程序[M] 北京：中國水利水電出版社，2003：135.

2016-05-25

趙昀昀(1985-)，女，工程師，主要從事公路工程勘察設(shè)計、試驗及檢測等方面的工作。

U416.1

C

1008-3383(2017)03-0008-03