坡率法在邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用

徐 川， 張志龍， 何 鵬， 李鵬程， 李 浩， 彭 強(qiáng)

(四川大學(xué)水利水電學(xué)院， 四川成都 610065)

[定稿日期]2017-08-29

邊坡穩(wěn)定性分析是確定邊坡是否處于穩(wěn)定狀態(tài)，是否需要對(duì)其進(jìn)行加固與治理，防止其發(fā)生破壞的重要決策依據(jù)，是邊坡研究的核心問(wèn)題。邊坡加固措施有很多，其中以坡率法最為經(jīng)濟(jì)。一般在無(wú)不良地質(zhì)作用的工程場(chǎng)地中應(yīng)優(yōu)先考慮坡率法[2]。在巖土工程中，邊坡穩(wěn)定性分析的方法以極限平衡法為主，近年來(lái)數(shù)值模擬的方法也逐漸運(yùn)用到了邊坡穩(wěn)定性分析上。FLAC3D是由美國(guó)ITASCA公司于20 世紀(jì)80 年代首先使用并推廣，該軟件基于“顯示拉格朗日”理論和“混合-離散分區(qū)”技術(shù)，是一款用于處理大變形和扭曲，追蹤材料的漸進(jìn)破壞，輸出位移、應(yīng)力、速度等矢量等值線(xiàn)圖，分析邊坡的軟件。軟件在分析連續(xù)介質(zhì)變形上表現(xiàn)優(yōu)異且計(jì)算功能強(qiáng)大，現(xiàn)已被廣泛用于巖土問(wèn)題的分析計(jì)算中[3]。

本文以漢源新址康家坪古滑坡前緣的一處工程邊坡為例，在運(yùn)用坡率法加固的基礎(chǔ)上，通過(guò)Flac3D對(duì)不同放坡方式的邊坡進(jìn)行了模擬，并且比較了滿(mǎn)足GB50330-2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》要求的安全系數(shù)下的不同放坡方式的開(kāi)挖量大小。最后提出了工程邊坡加固的幾點(diǎn)建議。

1 實(shí)例邊坡工程地質(zhì)概況

1.1 地形地貌

康家坪古滑坡位于漢源縣蘿卜崗流沙河與大渡河所圍限的寬緩斜坡上，斜坡總體走向NW40°，地形坡度約10～25°，地形上總體北西高南東低，起伏不大，地面高程840～1 215m，最大相對(duì)高差375m，屬中、低山斜坡地貌。橫向上靠流沙河一側(cè)地形坡度平緩開(kāi)闊，坡度一般為10～25°，屬傾向流沙河的順坡向低山斜坡?？拷蠖珊觽?cè)為逆向坡，地形較陡，多為陡崖，單面山的逆向陡坡與順向緩坡交接處呈條狀山脊[4]。

1.2 地層巖性

康家坪古滑坡除分布第四系松散堆積層外，出露基巖為奧陶系下統(tǒng)粉砂巖(O1)。古滑坡覆蓋層分為兩類(lèi)：(1)第一類(lèi)為殘坡積風(fēng)化土層(Q4dl+el)，主要為粉質(zhì)黏土夾塊碎石，塊碎石成分主要為砂巖及少量頁(yè)巖、粉砂巖，塊徑1～3cm居多；粉質(zhì)黏土呈可塑狀；此類(lèi)覆蓋層多存在于邊坡平臺(tái)頂部，厚度為5～10m。(2)第二類(lèi)為滑坡堆積層(Q4del)，主要為碎塊石土、滑帶土，局部為解體的拉裂松動(dòng)巖塊?；瑤林饕獮辄S色、灰黃色、灰白色可塑狀黏土、黏土夾砂巖角礫、或砂巖角礫充填10 %～40 %的黃色黏性土[3]，滑帶土厚20～50cm。古滑坡滑床主要為奧陶系下統(tǒng)粉砂巖夾薄層泥化粉砂巖(O1)，巖層產(chǎn)狀平緩，傾角13～15°。從頂部往下巖性與厚度發(fā)育為：上部巖性以黃色粉質(zhì)頁(yè)巖、粉砂巖為主，厚度10～20m；中部巖性構(gòu)成為厚層～中厚層狀灰白色長(zhǎng)石砂巖夾黃綠色薄層狀細(xì)砂巖、粉質(zhì)頁(yè)巖，厚度約140m；下部主要由紫紅色夾黃綠色粉質(zhì)頁(yè)巖、粉砂巖構(gòu)成，厚度30～40m(圖1)。

圖1 古滑坡剖面

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

新址區(qū)斜坡地質(zhì)條件相對(duì)單一，為漢源向斜NW翼的單斜構(gòu)造。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查與測(cè)繪，斜坡巖層總體產(chǎn)狀約為N40°W/NE∠10～20°，局部地層產(chǎn)狀存在一定變化，從斜坡后緣向前緣，構(gòu)造部位由向斜側(cè)翼向核部，總體地層產(chǎn)狀變緩，而斜坡后緣山脊巖層產(chǎn)狀變陡，產(chǎn)狀為SN～N50°W/E～NE∠25～33°?？傮w上，斜坡區(qū)無(wú)大型斷裂構(gòu)造發(fā)育或穿越。

1.4 地震

漢源縣城新址蘿卜崗地理位置為北緯29°20′28″，東經(jīng)102°38′11″。根據(jù)中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖(GB18306-2015)，漢源縣未來(lái)50年超越概率10 %的地震動(dòng)峰值加速度為0.15 g，相應(yīng)地震基本裂度值為Ⅶ度，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45s。

1.5 變形特征

(1) 在滑坡前緣中部M-1地塊內(nèi)某擋墻內(nèi)發(fā)現(xiàn)有大塊解體不充分的巖塊出露，巖塊內(nèi)有張拉裂縫發(fā)育，寬約1.1～8m以上；拉裂縫內(nèi)被碎塊石土多期充填，充填物結(jié)構(gòu)密實(shí)，有一定程度的膠結(jié)。

(2) 在滑坡前緣靠近松林溝側(cè)某擋墻開(kāi)挖也發(fā)現(xiàn)解體不充分的大巖塊出露，巖塊內(nèi)有拉張裂縫寬6.5m，內(nèi)充填黏土夾碎塊石。

(3) 在M-1地塊內(nèi)，8號(hào)次干道右側(cè)擋墻基槽處，發(fā)現(xiàn)有沿古滑坡橫向方向發(fā)育的張拉裂縫寬10～15m，內(nèi)充填黃色、黃褐色碎石夾土。

2 放坡方式比較

2.1 參數(shù)確定

由于建設(shè)用地的需要，規(guī)劃在古滑坡高程1 144m處開(kāi)挖平場(chǎng)，場(chǎng)地縱深80m。開(kāi)挖后形成高21m的工程邊坡，需要對(duì)其進(jìn)行加固處理。在邊坡的設(shè)計(jì)中，如果滿(mǎn)足放坡條件應(yīng)該優(yōu)先采用坡率法，即通過(guò)控制邊坡的高度與坡度就可以實(shí)現(xiàn)自身穩(wěn)定[5]。對(duì)于高邊坡而言，一般采用分級(jí)放坡的方式。根據(jù)規(guī)劃可以確定工程邊坡為土質(zhì)邊坡。本研究主要依據(jù)巖體在天然含水及飽水狀態(tài)下的現(xiàn)場(chǎng)大剪試驗(yàn)結(jié)果并進(jìn)行反演分析，同時(shí)參照與該邊坡相類(lèi)似地質(zhì)條件的有關(guān)工程結(jié)構(gòu)面及巖體強(qiáng)度參數(shù)，分別考慮巖體的不同風(fēng)化狀態(tài)，綜合確定巖體的物理力學(xué)參數(shù)(表1)[6]。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

2.2 相同開(kāi)挖量不同放坡方式的穩(wěn)定性比較

本文分析了三種不同級(jí)數(shù)的放坡，由于每段坡高和坡度均相等易知他們的開(kāi)挖量都是相同的(圖2)，分別是一級(jí)放坡，二級(jí)放坡，三級(jí)放坡，三種模型均高21m(圖3)。計(jì)算出天然、暴雨、地震、暴雨+地震4種工況下的安全系數(shù)并對(duì)其進(jìn)行了比較(表2)。

圖2 相同開(kāi)挖量下的放坡示意

圖3 相同開(kāi)挖量下的放坡模型

從表2中可以看出一級(jí)放坡、二級(jí)放坡、三級(jí)放坡各種工況下的安全系數(shù)均逐步增加。由此可見(jiàn)在相同開(kāi)挖量的前提下設(shè)置多級(jí)放坡可以大幅度地增加其穩(wěn)定性。不過(guò)增加幅度在減小，可見(jiàn)并非放坡級(jí)數(shù)越多越好，此外放坡級(jí)數(shù)越多施工越復(fù)雜反而影響經(jīng)濟(jì)性。

表2 相同開(kāi)挖量下不同放坡方式的安全系數(shù)

2.3 相同穩(wěn)定性不同放坡方式的開(kāi)挖量比較

在滿(mǎn)足安全的前提下可以進(jìn)一步考慮減少開(kāi)挖量，從而使工程既能滿(mǎn)足安全標(biāo)準(zhǔn)又可以更加經(jīng)濟(jì)。下面對(duì)三種不同開(kāi)挖量的放坡方式進(jìn)行了分析。按照開(kāi)挖量的從大到小的順序分別為一級(jí)放坡，二級(jí)放坡，三級(jí)放坡(圖4、圖5)。計(jì)算出天然、暴雨、地震、暴雨+地震4種工況下的安全系數(shù)并對(duì)其進(jìn)行了比較(表3)。

圖4 不同開(kāi)挖量下的放坡示意

圖5 不同開(kāi)挖量下的放坡模型

放坡方式工況 一級(jí)放坡(開(kāi)挖量大)二級(jí)放坡(開(kāi)挖量中)三級(jí)放坡(開(kāi)挖量小)天然1．281．291．28暴雨1．211．221．22地震1．171．181．18暴雨+地震1．101．121．12

從表3中可以看出，一級(jí)放坡、二級(jí)放坡、三級(jí)放坡的開(kāi)挖量逐漸減少但是三種方式的安全系數(shù)均十分相近且各種工況下均穩(wěn)定。根據(jù)GB50330-2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》將此邊坡安全等級(jí)定為三級(jí)，一般工況邊坡穩(wěn)安全系數(shù)Fst=1.25，地震工況邊坡穩(wěn)安全系數(shù)Fst=1.05，表3中各種放坡方式均滿(mǎn)足要求。

3 結(jié)果分析

從安全系數(shù)來(lái)看，三級(jí)放坡工況下的安全性最好。為了進(jìn)一步了解不同放坡方式的穩(wěn)定性的差別的原因，分別對(duì)一級(jí)放坡、二級(jí)放坡、三級(jí)放坡的水平方向位移進(jìn)行了計(jì)算，并導(dǎo)出了水平方向位移云圖(圖6～圖8)。

圖6 天然工況下一級(jí)放坡水平位移云圖

圖7 天然工況下二級(jí)放坡水平位移云圖

圖8 天然工況下三級(jí)放坡水平位移云圖

從水平位移云圖可以看出，三種放坡形式的水平位移最大值均位于邊坡坡面中部。圖中一級(jí)放坡最大水平位移為8×10-2，二級(jí)放坡最大水平位移為5×10-2，三級(jí)放坡最大水平位移為2×10-2，可見(jiàn)隨著級(jí)數(shù)的增加邊坡最大水平位移逐漸減小。

從豎直位移云圖可以看出，隨著級(jí)數(shù)的增加整個(gè)邊坡的豎直位移逐漸減少。以上工作表明了分級(jí)放坡可以減小整個(gè)邊坡的位移量，從而使邊坡的穩(wěn)定性得到提高(圖9～圖11)。

圖9 天然工況下一級(jí)放坡豎直位移云圖

圖10 天然工況下二級(jí)放坡豎直位移云圖

圖11 天然工況下三級(jí)放坡豎直位移云圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用有限差分計(jì)算軟件FLAC3D以漢源新址一處工程邊坡為例對(duì)坡率法進(jìn)行了研究，對(duì)比了相同開(kāi)挖量下不同放坡方式的穩(wěn)定性和相近穩(wěn)定性下不同放坡方式的開(kāi)挖量。通過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)：(1)開(kāi)挖量相同的情況下隨著放坡級(jí)數(shù)的增加穩(wěn)定性也隨之增加；(2)保證滿(mǎn)足規(guī)范要求的穩(wěn)定性情況下，隨著放坡級(jí)數(shù)的增加開(kāi)挖量隨之減小。同時(shí)通過(guò)位移云圖反應(yīng)了不同放坡方式對(duì)邊坡內(nèi)部各點(diǎn)的位移的影響，即在相同開(kāi)挖量情況下，隨著放坡級(jí)數(shù)的增加邊坡水平和豎直向位移均減小。通過(guò)以上研究發(fā)現(xiàn)分級(jí)放坡類(lèi)似于砍頭壓腳的方法，使得邊坡上部的自重減小從而改變了整個(gè)邊坡的應(yīng)力和位移分布。因此建議在處理該工程邊坡時(shí)，可以通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)果來(lái)設(shè)置合適的放坡方式以達(dá)到增加穩(wěn)定性減小開(kāi)挖量的目的。

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[2]GB50330-2013 建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2013.

[3] 徐媛媛，陳書(shū)文，傅崇.基于FLAC3D分析雅礱江某邊坡的穩(wěn)定性[J]. 勘察科學(xué)技術(shù),2013(2).

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