瀝青拌合站土質(zhì)邊坡變形特征及穩(wěn)定性分析

於 開 炳

(湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司,湖北 武漢 430050)

瀝青拌合站土質(zhì)邊坡變形特征及穩(wěn)定性分析

於 開 炳

(湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司,湖北 武漢 430050)

結(jié)合老河口公路局瀝青拌合站土質(zhì)邊坡周邊工程地質(zhì)條件分析了邊坡變形的原因，并就典型坡體截面應(yīng)用理正軟件分析了正常和降雨入滲兩種工況下坡體穩(wěn)定性，同時應(yīng)用Flac3d有限差分軟件研究了坡體變形特征,對比理正軟件穩(wěn)定性分析結(jié)果和數(shù)值模擬變形規(guī)律可以得出該土質(zhì)邊坡不能滿足穩(wěn)定性需求，并提出相應(yīng)的邊坡加固措施。

土質(zhì)邊坡，變形特征，穩(wěn)定性分析，治理加固

0 引言

自然斜坡和人工邊坡統(tǒng)稱為邊坡，邊坡病害是一定范圍的邊坡地質(zhì)體在眾多因素共同作用下的結(jié)果，而且邊坡病害對人類生存環(huán)境構(gòu)成了極大威脅。在工程建設(shè)向山區(qū)發(fā)展的過程中，邊坡災(zāi)害問題日益突出，且每年的災(zāi)害治理費用十分驚人。在分析邊坡變形特征及坡體穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)上結(jié)合工程常見治理措施可以有效控制坡體變形。Flac3d有限差分數(shù)值模擬軟件可以根據(jù)邊坡工程地質(zhì)條件模擬分析坡體變形特征[1-3]，且在邊坡穩(wěn)定性分析及其災(zāi)害防治方面發(fā)揮著重要作用。另一方面，理正邊坡穩(wěn)定性分析軟件在邊坡災(zāi)害防治與治理方面以其簡單、方便、有效的特點為工程設(shè)計人員所常用[4]。本文依托老河口公路局瀝青拌合站土質(zhì)邊坡治理工程，在分析其工程地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，定性分析了造成該坡體區(qū)域變形過大的原因，并結(jié)合Flac3d有限差分數(shù)值軟件模擬了多種工況下邊坡形成過程中的坡體變形特征，對比理正邊坡穩(wěn)定性分析和強度折減法分析結(jié)果確定了該處土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性，并提出相應(yīng)的邊坡加固措施。

1 工程概況

項目區(qū)隸屬于老河口市辛店崗村,老河口公路局瀝青拌合站邊坡因取土開挖產(chǎn)生，平面呈不規(guī)則扇形分布，可以分為A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)和D區(qū)四段(見圖1)。該邊坡全長約510 m，邊坡最大高度約15 m。

項目區(qū)地表水主要分布于附近沖溝中。地下水主要為上層滯水，主要接受大氣降水的補給，呈季節(jié)性變化。但由于坡體裸露，坡體表層物質(zhì)結(jié)構(gòu)較松散，滲透性較好，在坡體淺層賦存有一定的地下水，在雨季坡體呈完全飽水狀態(tài)。項目區(qū)植被不發(fā)育，以荒草地為主，項目區(qū)人類工程活動較強烈，主要為農(nóng)耕活動、工程取土及坡腳場地開挖等，水土保持較差。項目區(qū)未見基巖出露，主要出露第四系物質(zhì)，主要為第四系上更新統(tǒng)黏土，灰褐色～黃褐色，硬塑狀，局部含姜石及灰白色條帶狀、透鏡體狀高嶺土，具弱～中膨脹性，失水易干裂、遇水易軟化、崩解。

2 邊坡變形原因

項目區(qū)包括A,B,C,D四個區(qū)，其中B和C區(qū)坡體變形較大，A和D區(qū)坡體變形較小。根據(jù)該邊坡現(xiàn)場調(diào)查情況、地質(zhì)勘查報告及變形特征，現(xiàn)從內(nèi)因和外因兩方面對該邊坡變形破壞成因進行分析，具體如下。

2.1 內(nèi)因

該邊坡變形破壞的內(nèi)在原因主要為坡體物質(zhì)組成及地形坡度。該邊坡坡體物質(zhì)組成主要為第四系晚更新統(tǒng)黏土，其具有弱～中膨脹性，失水易干裂、遇水易軟化、崩解，在持續(xù)干旱條件下，邊坡坡體局部開裂，而坡體淺表層為耕植土，物質(zhì)松散，在降雨及降雪等條件下，雨水沿裂隙下滲進入坡體，一方面軟化坡體物質(zhì)，降低坡體物質(zhì)的抗剪強度，減小抗滑力；另一方面將在邊坡坡體內(nèi)產(chǎn)生靜水壓力，同時坡體物質(zhì)飽水將增加坡體自重，這些將大大增加坡體的下滑力。而邊坡地形坡度較陡，邊坡存在較大的臨空面，這將大大增加邊坡的下滑勢能，從而增加邊坡的下滑力。

2.2 外因

該邊坡變形破壞的外在因素主要為坡腳開挖、降雨、坡頂居民生活用水排放及坡面開墾四個方面。

1)坡腳開挖：因拌合站將開展新的工程建設(shè)，邊坡區(qū)進行場平導致邊坡坡腳開挖，增大了邊坡的臨空面，且使邊坡下部失去支撐，從而使邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞。

2)降雨：據(jù)調(diào)查，邊坡失穩(wěn)破壞前已經(jīng)歷較長時間的持續(xù)降雨，降雨沿坡體裂縫下滲至邊坡坡體中，一方面軟化坡體物質(zhì)減小抗剪強度，另一方面增加坡體自重，同時在坡體物質(zhì)中產(chǎn)生靜水壓力及動水壓力，使坡體發(fā)生失穩(wěn)破壞。

3)坡頂居民生活用水排放：根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，坡頂附近有居民3戶～5戶，其生活用水基本都向邊坡區(qū)排放，其主要沿邊坡坡頂裂縫下滲，一方面軟化坡體物質(zhì)減小抗剪強度，另一方面在坡體物質(zhì)中產(chǎn)生靜水壓力，使坡體發(fā)生失穩(wěn)破壞。

4)坡面開墾：因邊坡區(qū)一直處于即將治理狀態(tài)，且因主管領(lǐng)導換屆等原因，邊坡坡面已經(jīng)開墾，邊坡坡面植被基本已經(jīng)破壞，邊坡坡體裂縫完全暴露，這大大增加了降雨過程中雨水的滲入量，從而增加坡體的下滑力，降低邊坡的抗滑力，使坡體發(fā)生失穩(wěn)破壞。

3 邊坡典型截面變形規(guī)律

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查情況，B區(qū)邊坡目前變形比較明顯，因此，此次邊坡穩(wěn)定性計算主要針對B區(qū)邊坡。且定義工況如下：1)正常工況：天然狀態(tài)下的工況；2)非正常工況Ⅰ：暴雨或連續(xù)降雨狀態(tài)下的工況。

3.1 模型的建立

B區(qū)的邊坡坡長為50 m,坡高為15 m，如圖2所示為B區(qū)數(shù)值模擬模型圖，為保證計算的精度，所建立的模型長度為60 m,坡高為20 m,即沿坡腳向下延伸5 m，寬度方向上取2 m。該模型的左邊界和右邊界均固定水平方向位移，底部邊界固定豎向位移，整個模型在x方向上不產(chǎn)生變形。

3.2 強度參數(shù)的選取

根據(jù)地勘報告室內(nèi)試驗成果，邊坡坡體物質(zhì)的天然抗剪強度參數(shù)分別為：C=32.9 kPa，φ=17.1°，考慮到目前這兩段邊坡變形明顯，同時考慮到坡體物質(zhì)具有中等膨脹性，根據(jù)相關(guān)規(guī)范、經(jīng)驗及國內(nèi)外研究成果，對該坡體物質(zhì)室內(nèi)試驗抗剪強度進行一定的折減，其具體取值見表1。

表1 邊坡穩(wěn)定性計算巖土力學參數(shù)表

3.3 變形特征分析

1)B區(qū)土質(zhì)邊坡水平變形規(guī)律分析。

如圖3所示為B區(qū)天然邊坡狀態(tài)下邊坡y方向的位移云圖，從圖中可以看出在坡肩部位發(fā)生了y軸正方向的位移，位移范圍為5 mm～9.8 mm，且在坡面的水平向位移較大，往邊坡內(nèi)部逐漸減?。辉撨吰略诰嚯x右邊界14 m處發(fā)生了朝y軸負方向的位移，邊坡最大y方向位移出現(xiàn)在距離右邊界14 m處，此處距離坡頂15 m，坡體水平位移從最大水平位移處向外輻射逐漸減小。

對比圖3和圖4可知，當挖除該處邊坡腳時，邊坡的水平位移的最大值并沒有顯著的提高，但是對比天然狀態(tài)和挖除坡腳兩種狀態(tài)的位移云圖可知，在挖除坡腳后，坡體變形規(guī)律如下：同一位置處挖除坡腳時的變形比天然狀態(tài)時較大，平均增大了5 mm～6 mm;水平變形從挖除土體部位開始往坡肩部分逐步發(fā)展，且在挖除土體部位出現(xiàn)了朝y軸正向位移的部分，即在坡腳挖除部位出現(xiàn)了擠壓作用，將導致坡腳隆起，此時坡肩有拉張裂縫產(chǎn)生。

2)B區(qū)邊坡剪應(yīng)變規(guī)律分析。

對比圖5和圖6可知，當挖除坡腳部分土體時，在原坡腳周圍會產(chǎn)生較大的剪應(yīng)變，周圍土體的剪切變形顯著增大，在坡體內(nèi)部遠離坡腳的位置剪應(yīng)變沒有明顯變化，說明在挖除坡腳土體變形在小變形范圍時坡體剪應(yīng)變增大的影響區(qū)域有限，并且集中在坡腳位置處。

3)天然工況和暴雨工況下的水平變形分析。

對比圖4和圖7可知，在暴雨工況下坡體整體變形均較大，此時坡體朝坡外最大水平位移為58.9 mm，明顯大于天然狀態(tài)下的26 mm的水平位移，在坡肩位置雖然出現(xiàn)了朝y軸正向的位移，但是變形僅達到7.45 mm，相比天然狀態(tài)時的水平變形有所減小。

4 正常和降雨入滲條件下的邊坡穩(wěn)定性計算

理正計算邊坡穩(wěn)定性是在確定各土層參數(shù)的基礎(chǔ)上應(yīng)用圓弧滑動法確定的穩(wěn)定性系數(shù)，而Flac3d數(shù)值模擬軟件是利用強度折減法[5,6]確定的穩(wěn)定性系數(shù)。

1)B區(qū)原邊坡穩(wěn)定性計算。

根據(jù)邊坡目前應(yīng)急處置后的邊坡形態(tài)對該邊坡穩(wěn)定性進行計算，得到該邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)如表2所示。

表2 B區(qū)邊坡(場平前)穩(wěn)定性計算結(jié)果

從表2中可以得出：B區(qū)邊坡在兩種工況下的穩(wěn)定性均滿足要求，可以保證坡體工程地質(zhì)條件不發(fā)生明顯變化的情況下能夠自穩(wěn)。

2)坡腳開挖后邊坡穩(wěn)定性計算。

根據(jù)邊坡目前應(yīng)急處置后的邊坡形態(tài)對該邊坡穩(wěn)定性進行計算，得到該邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)如表3所示。

表3 B區(qū)邊坡(場平后)穩(wěn)定性計算結(jié)果

從表3中可以得出：在天然工況下挖除坡腳時，坡體仍有一定的自穩(wěn)能力，但是在暴雨工況下邊坡的穩(wěn)定性不滿足坡體穩(wěn)定要求，必須對該邊坡進行加固治理。

5 結(jié)語

1)應(yīng)用數(shù)值模擬分析邊坡變形特征可知，坡肩處容易產(chǎn)生拉張裂縫，坡腳處容易形成剪出口。

2)對比天然工況和暴雨工況下的邊坡變形云圖可知，降雨對邊坡變形的影響較大，暴雨工況下土體力學參數(shù)顯著減小導致邊坡抗滑力減小，邊坡的穩(wěn)定性降低。

3)對比天然坡形和挖除坡腳兩種工況可知，坡腳挖除對坡腳部分的變形影響十分明顯，同一坡體位置處的水平變形幾乎增大了5 mm～6 mm，往坡體內(nèi)部延伸則受坡腳挖除的影響逐漸減小。

4)對比圓弧滑動法和強度折減法計算的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)可知，基于圓弧滑動法計算的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)較小，相對保守，而強度折減法的結(jié)果偏大，這與強度折減法的實現(xiàn)步驟關(guān)系緊密。

5)針對該土質(zhì)邊坡進行的坡體變形特征分析和穩(wěn)定性計算可以確定該邊坡需要進行加固，現(xiàn)提出其主要的治理措施：a.對邊坡進行削坡，同時設(shè)置分級平臺，降低邊坡坡率。b.在邊坡坡腳設(shè)置擋土墻，增加坡腳的穩(wěn)定性及坡體的抗滑力。c.在邊坡坡頂設(shè)置截水溝、坡腳設(shè)置排水溝及坡面設(shè)置急流槽等截排水措施，減少降雨及居民生活用水入滲。d.邊坡坡面設(shè)置方格骨架+植草，降低降雨沿坡面的入滲量及減小坡面沖刷。

[1] 喬國文，王運生，房冬恒,等.西南某電站右岸開挖邊坡穩(wěn)定性的FLAC3D分析[J].工程地質(zhì)學報，2004,12(3):280-284.

[2] 程 斌.考慮格柵反包的加筋膨脹土邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析[D].長沙：長沙理工大學，2012.

[3] 陳 冉.基于強度折減的復雜土坡穩(wěn)定性分析[D].北京：北京建筑大學，2014.

[4] 顧曉強.邊坡穩(wěn)定性分析方法及其應(yīng)用研究[D].上海：上海交通大學，2007.

[5] 張芳枝，陳曉平，梁志松,等.強度折減法有限元在堤防穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用研究[J].工程地質(zhì)學報，2011,19(2)：244-249.

[6] 呂 慶，孫紅月，尚岳全,等.強度折減有限元法中邊坡失穩(wěn)判據(jù)的研究[J].浙江大學學報(工學版)，2008,42(1)：83-87.

Deformation characteristics and stability analysis of soil slope in asphalt mixing station

Yu Kaibing

(HubeiProvincialCommunicationsPlanningandDesignInstituteCo.,Ltd,Wuhan430050,China)

Taking the soil slope of the asphalt mixing station of Laohekou Highway Bureau as an example, the slope deformation is analyzed according to the surrounding engineering geological conditions. And the stability of the slope under normal conditions of normal and rainfall infiltration is analyzed by using the software of the typical slope section. At the same time, the deformation characteristics of the slope are studied by Flac3d finite difference software. The results of the analysis of the stability of the software and the numerical simulation of the deformation can be concluded that the soil slope can not meet the stability requirements, and put forward the corresponding slope reinforcement measures.

soil slope, deformation characteristics, stability analysis, reinforcement

1009-6825(2017)21-0056-03

2017-04-24

於開炳(1985- )，男，工程師

P624

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