高邊坡穩(wěn)定性案例分析及支護結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

王德亮， 聶慶科， 黎培徳， 占否平

(1.河北建設(shè)勘察研究院有限公司，河北 石家莊 050031; 2.大連西太平洋石油化工有限公司，遼寧 大連 116600)

高邊坡穩(wěn)定性案例分析及支護結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

王德亮1， 聶慶科1， 黎培徳2， 占否平1

(1.河北建設(shè)勘察研究院有限公司，河北 石家莊 050031; 2.大連西太平洋石油化工有限公司，遼寧 大連 116600)

根據(jù)碾子溝煤礦土質(zhì)高邊坡再次失穩(wěn)的情況，結(jié)合現(xiàn)場勘察資料，對滑坡失穩(wěn)原因進行了分析。運用ABAQUS有限元分析軟件并采用抗剪強度折減系數(shù)法進行了數(shù)值計算，得出了土體在飽和狀態(tài)下的安全系數(shù)及滑動面等參數(shù)，并分析了滑坡潛在的破壞過程。根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，運用折線滑動面及傳遞系數(shù)法隱式解的概念對滑體下滑力進行了計算，為優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。通過優(yōu)化支護結(jié)構(gòu)設(shè)計，減少了降雨對邊坡的不利影響，遏制了滑坡變形。

高邊坡；滑坡失穩(wěn)；支護；折減系數(shù)法；傳遞系數(shù)法

0 引言

高邊坡工程普遍存在于露天礦場及公路工程等項目中，國內(nèi)眾多學(xué)者已開展了大量的研究工作[1-6]。由于開挖方法不當(dāng)、地下水變化及處置經(jīng)驗不足等原因往往引起高邊坡失穩(wěn)，從而造成生命財產(chǎn)損失。

高邊坡工程在治理設(shè)計時，通常采用極限平衡法的力學(xué)理論方法結(jié)合數(shù)值分析等計算機技術(shù)進行分析，分析滑坡破壞的原理，得出滑動面及剩余下滑力等關(guān)鍵參數(shù)，為優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)[7-8]。

本文針對碾子溝煤礦土質(zhì)高邊坡工程失穩(wěn)案例進行了總結(jié)，分析了邊坡失穩(wěn)的原因，并根據(jù)分析情況進行了設(shè)計優(yōu)化，達到了治理滑坡的目的。

1 滑坡初次治理

該滑坡為碾子溝煤礦改擴建工程副斜井工業(yè)廣場地災(zāi)治理的一部分，滑坡縱向坡體長約145 m，橫向?qū)挾燃s230 m，主滑方向為316°，滑坡總體為中部平緩，后緣及前緣陡峭，后緣為滑坡拉張裂隙產(chǎn)生的陡坎，前部為人工刷方形成的臺階，坡體平均坡度約19°，坡體前部坡度30°～40°，滑體土厚度1.5～23.0 m，平均厚度約16.0 m，體積約為43.2×104m3，為中型黃土滑坡。該滑坡為典型的土體內(nèi)滑動，其滑動面大致可按圓弧滑面考慮?；w土主要為Q4黃土狀土及Q2黃土，受下伏K1白堊系泥質(zhì)砂巖作用，地層結(jié)構(gòu)特點使地下水易富集于坡體內(nèi)相對隔水層頂部，并對接觸帶進行軟化，降低了土體力學(xué)強度，形成軟弱帶。本場地的抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度值為0.10g，設(shè)計地震分組為第三組，特征周期0.45g。

改擴建項目場平工作時將滑坡中下部進行了大幅度開挖，在滑坡前緣形成臨空面，且未及時進行支護工作。同時，坡體下伏煤層開采及地下水抽取引起的地表變形，導(dǎo)致滑床側(cè)向應(yīng)力減小。坡體中后部黃土沖溝、落水洞發(fā)育，坡體表面缺乏有效的排水系統(tǒng)，導(dǎo)致雨水下滲，滑體浸水后在自重的作用下，沿軟弱帶向臨空方向發(fā)生蠕動或變形。隨著時間的不斷延續(xù)，最終貫通，形成滑坡。

根據(jù)滑坡體形成原因及構(gòu)造形式，初次滑坡治理采用三級放坡的方式，三級坡面形成后原滑體將被挖盡。一級、二級坡面采用砌石骨架護坡的被動支護方式，三級坡面為錨索+框架梁主動支護結(jié)構(gòu)。坡頂坡腳各設(shè)置排水溝，坡腳設(shè)置仰斜排水孔，典型剖面支護方式如圖1所示。

圖1 滑坡初次支護方案

2 邊坡再次失穩(wěn)及原因分析

當(dāng)三級坡開始開挖并施工錨索框架梁時，雨季到來，坡頂出現(xiàn)變形裂縫且存在變形加劇的趨勢，一、二級坡面骨架護坡結(jié)構(gòu)發(fā)生扭曲變形，失去支護作用?；潞缶墳槿σ螤盍芽p、陡坎，縫寬20～40 cm，陡坎30～50 cm,；滑坡后部為較平緩斜坡，平均坡度為14°，斜坡形態(tài)較規(guī)則，坡體縱向裂縫發(fā)育。初步估計平面面積約3.2×104m2，滑體土平均厚度約15.0 m，體積約為48.0×104m3，為推移式中型黃土滑坡。

為了保證邊坡安全，臨時采取了坡頂卸載、暫停坡底土方施工等措施，邊坡變形趨于穩(wěn)定。通過采取補勘及專家論證等方式，對新滑坡的形態(tài)及形成原因進行了分析，滑坡再生原因如下。

(1)該區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，土質(zhì)疏松，基巖頂面具有向外部傾斜的地貌，為滑坡形成、發(fā)展和溯源提供了地形地質(zhì)條件。

(2)滑坡治理施工期接近2年，由于各種原因施工進展緩慢，不符合滑坡治理的“治早、及時”的原則。

(3)滑坡初次治理設(shè)計時一、二級坡面為砌石骨架護坡的被動支護方式，缺乏限制滑體頂部變形的主動約束力，三級坡面的主動加固(預(yù)應(yīng)力錨索)因故無法及時施加，致使坡體向臨空面移動，產(chǎn)生局部裂縫。

(4)雨季降水量大，陰雨連綿、持續(xù)時間長，是滑坡變形與形成的直接原因。進入雨季以來，項目區(qū)持續(xù)強降雨，前期防護無法及時形成，在微裂隙作用下，雨水大量滲入坡體，導(dǎo)致含水量增加，坡體水位增高，部分區(qū)域達到飽和狀態(tài)，坡體軟化，強度快速降低，造成坡體變形劇烈。

該滑坡再次變形失穩(wěn)是不良地質(zhì)條件、持續(xù)強降雨和無法及時實施坡體支護結(jié)構(gòu)共同作用的結(jié)果，原設(shè)計不能在坡頂有雨水入滲的情況下及時遏制土體局部變形，不滿足坡體安全要求，需要重新設(shè)計。

3 滑坡變形數(shù)值分析

為了進一步分析邊坡穩(wěn)定性情況及潛在滑動面特征，本文采用有限元軟件ABAQUS對高邊坡變形進行了數(shù)值分析，進一步揭示邊坡變形及破壞特點。ABAQUS是著名的非線性有限元分析軟件之一，得到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界廣泛接受和認可。

邊坡穩(wěn)定性分析時，采用抗剪強度折減法[9](SSRF：Shear Strength Reduction Factor)，其定義為：在外荷載不變的情況下，邊坡內(nèi)土體所能提供的最大抗剪強度與外荷載在邊坡內(nèi)所產(chǎn)生的實際剪應(yīng)力之比。折減后的抗剪強度參數(shù)可分別表達為：

cm=c/Fr

φm=arctan(tanφ/Fr)

式中：c、φ——土體能夠提供的抗剪強度；cm、φm——維持平衡所需要的或土體實際發(fā)揮的抗剪強度；Fr——強度折減系數(shù)。

3.1 數(shù)值建模

選取坡頂卸載及放坡完成后的典型地質(zhì)剖面作為分析對象，并建立二維分析模型。本構(gòu)模型采用線彈性及Mohr-Coulomb模型。考慮雨水影響，土體按飽和狀態(tài)進行分析，單元類型采用CPE4(四節(jié)點平面應(yīng)變單元)，有限元分析模型如圖2所示。

3.2 結(jié)果分析

利用ABAQUS提供的Combine函數(shù)，將安全系數(shù)Fs與豎向位移的變化關(guān)系繪制于圖3中。由圖可知，軟件因不收斂終止計算時的折減系數(shù)為1.09，即此時的安全系數(shù)為1.09；同時，注意到位移曲線有一明顯的拐點，若以位移的拐點作為評價標(biāo)準(zhǔn)，此時的安全系數(shù)為1.05，滑坡處于暫時穩(wěn)定-變形狀態(tài)。

圖2 有限元模型示意圖

圖3 安全系數(shù)Fs隨豎向位移的變化關(guān)系

根據(jù)Fs與豎向位移的變化關(guān)系，提取了折減系數(shù)為1.05時刻的PEMAG塑性應(yīng)變等值線圖(見圖4)。圖4與圖3可清楚地表明土坡失穩(wěn)的過程，開始時土坡坡腳出現(xiàn)屈服，然后塑性區(qū)向上延伸，直到抗剪強度折減系數(shù)為1.05時，塑性區(qū)擴展到坡頂，出現(xiàn)貫通現(xiàn)象，滑體位移開始迅速增加。

圖4 塑性區(qū)等值線圖

在滑坡穩(wěn)定性分析中，還需要確定潛在滑動面的位置，根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果，提取了計算終止時的位移等值線圖，如圖5所示。由圖5可清楚地判斷出滑動面的位置：滑動面總體大致成圓弧形，并通過坡角點?；w前后寬度約45 m，與現(xiàn)場勘驗的滑體寬度相當(dāng)。

4 滑坡治理優(yōu)化設(shè)計

4.1 剩余下滑力計算

圖5 位移等值線圖

為了得出滑坡推力及剩余下滑力等參數(shù)，為滑坡治理優(yōu)化設(shè)計提供理論數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)值分析得出的滑動面對滑體進行分塊處理，采用傳遞系數(shù)法隱式解求解[10]。計算按暴雨工況、地震與暴雨組合工況進行考慮，按兩種安全系數(shù)狀態(tài)分別計算，計算暴雨工況時滑坡土體抗剪強度參數(shù)選擇飽和狀態(tài)值，計算結(jié)果見表1。

表1 剩余下滑力計算

4.2 滑坡優(yōu)化設(shè)計

選取最不利工況作為設(shè)計依據(jù)，最終優(yōu)化設(shè)計方案為：一級坡坡面設(shè)計為框架梁+錨桿，作為局部支護結(jié)構(gòu)，一級平臺為微型樁結(jié)構(gòu)，樁頂設(shè)置框架梁，并設(shè)置一道預(yù)應(yīng)力錨索，微型樁與錨索末端均穿過滑動面；二級坡坡面設(shè)置框架梁；三級坡坡面設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索與框架梁結(jié)構(gòu)，并設(shè)置一排抗滑樁，樁底嵌入基巖，樁頂設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索，錨索末端穿過滑動面并進入穩(wěn)定地層，如圖6所示。

圖6 滑坡治理優(yōu)化設(shè)計方案

優(yōu)化后的設(shè)計方案與原設(shè)計相比，強化了主動支護結(jié)構(gòu)的作用，加強了坡頂與坡腳的防護設(shè)計，有效防止坡頂局部變形引起推移式滑坡產(chǎn)生，多道主動支護結(jié)構(gòu)均穿過滑動面，對于下滑力進行逐步分解平衡，降低降雨等不利天氣對邊坡的影響，有效遏制滑坡變形。

5 治理方案實施及治理效果

抗滑樁、預(yù)應(yīng)力錨索及微型樁等主要支護結(jié)構(gòu)的施工情況如下。

5.1 抗滑樁

抗滑樁是本次治理過程中主要的支護方式，根據(jù)工程特點，采用分段開挖、隔樁跳挖的施工方案，既減少了坡腳土方開挖對滑坡體的影響，又保證了施工進度。

抗滑樁采用大斷面人工挖孔工藝，施工時從鎖口盤、護壁、嵌固深度、清底、鋼筋籠制作、混凝土灌注等質(zhì)量控制點入手，嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，樁身鋼筋采用直螺紋連接技術(shù)。

抗滑樁樁間擋土板施工時，針對不同施工和地層條件，分別采用預(yù)制安裝及植筋現(xiàn)澆兩種施工方案。

5.2 預(yù)應(yīng)力錨索

預(yù)應(yīng)力錨索布置于抗滑樁、框架梁、肋柱擋墻、微型樁上。設(shè)計長度為12～45 m，分為4束及9束。成孔作業(yè)時，普通風(fēng)動鉆機無法將鉆渣吹出孔外，且扭矩小，孔深超過30 m時很難成孔。對于孔深較長、土體含水量較大、需進入基巖的預(yù)應(yīng)力錨索采取大功率履帶鉆施工方法。

5.3 微型樁

滑坡的滑動面位于基巖與第四系地層交界面附近，滑面附近地層含水量很大，且滑面以上存在一層厚度0.4～8 m的礫石土，礫石含量約50%，充填土為粉質(zhì)粘土。因此，為減少水對滑動面的影響，成孔時不得采用泥漿護壁工藝。

采用風(fēng)動潛孔鉆成孔施工時，由于地層含水量大，鉆屑無法吹出，地層中的粘性土包裹在鉆桿上，形成“抱鉆”現(xiàn)象，鉆桿提出很困難，強行提出后，鉆孔出現(xiàn)縮徑現(xiàn)象，致使微型樁鋼筋籠無法正常下入。

為保證微型樁成孔質(zhì)量，最終采用沖擊鉆施工工藝。施工時增加配重鉆桿，利用大重力勢能穿透礫石土層，同時利用沖擊對卵礫石地層的擠密、護壁作用，解決了風(fēng)動鉆機施工工藝卵礫石層的坍孔、排渣困難和縮徑問題。

通過對支護結(jié)構(gòu)進行的長期沉降觀測、位移觀測及錨索應(yīng)力觀測，沉降、位移及應(yīng)力均在設(shè)計范圍以內(nèi)，通過半年的監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，坡頂最大累計水平位移值15 mm，最大豎向位移值13 mm，各檢測指標(biāo)數(shù)值已趨于穩(wěn)定，支護結(jié)構(gòu)可靠，邊坡穩(wěn)定性顯著提高。

6 結(jié)語

(1)滑坡治理應(yīng)嚴(yán)格按照“治早、及時”的原則進行，對于因特殊情況工程進度不能按計劃進行的項目，應(yīng)加強對潛在滑坡體的監(jiān)測，建立預(yù)警機制，必要時采取坡頂卸載、坡腳堆載的方式減緩滑坡的變形。

(2)采用ABAQUS有限元軟件并應(yīng)用抗剪強度折減系數(shù)法模擬滑坡變形，能夠直觀地體現(xiàn)滑坡變形及發(fā)展過程，并得出滑坡體穩(wěn)定性狀態(tài)及安全系數(shù)，分析出潛在滑動面。

以安全系數(shù)Fs與豎向位移的變化關(guān)系曲線出現(xiàn)拐點時的狀態(tài)作為邊坡穩(wěn)定性評價及潛在滑動面曲線的判定標(biāo)準(zhǔn)，能夠反映邊坡失穩(wěn)時的狀態(tài)，在實際工程應(yīng)用中有較好的指導(dǎo)意義。

(3)對于永久性的邊坡支護結(jié)構(gòu)，特別是對于變形要求較嚴(yán)的工程項目，設(shè)計時應(yīng)充分考慮天氣情況等不利因素的影響。坡頂位置應(yīng)考慮雨水入滲可能產(chǎn)生推移式滑坡的可能，及時采用主動支護方式，遏制坡體局部變形，避免因局部變形產(chǎn)生推移式滑坡。局部主動支護結(jié)構(gòu)對于土體變形可起到防微杜漸的作用，避免大范圍滑坡體的形成。

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Case Analysis on High Slope Stability and Optimization Design of Supporting Structure

WANGDe-liang1,NIEQing-ke1,LIPei-de2,ZHANFou-ping1

(1.Hebei Research Institute of Construction & Geotechnical Investigation Co., Ltd., Shijiazhuang Hebei 050031, China; 2.Dalian West Pacific Petrochemical Co., Ltd., Dalian Liaoning 116600, China)

According to a case of once again high soil slope instability in Nianzigou coal mine and combined with the field survey data, the analysis is carried out on the causes of landsliding instability. The numerical calculation is made by using ABAQUS finite element analysis software and the shear strength reduction coefficient method, the parameters of the safety factor and the sliding surface of the soil under the saturated state are obtained, and the potential damage process of the landslide is analyzed. Based on the relevant provisions of specifications, the landslide sliding force is calculated by using the concept of polyline sliding surface and implicit solution of transfer coefficient method to provide the basis for optimization. By optimizing the design of support structures, the adverse impact of rainfall on the slope is reduced and the slope deformation can be controlled.

high slope; landslide instability; support; reduction coefficient method; transfer coefficient method

2016-09-02；

2017-05-27

王德亮，男，漢族，1983年生，碩士，從事技術(shù)管理工作， 河北省石家莊市建華南大街58號，wdlrain@163.com。

TD824.7；P642.22

A

1672-7428(2017)07-0067-04