上緩下陡土質高邊坡關鍵塊體的破壞模式研究

汪儒鴻，周海清,2，劉琪穎

(1.陸軍勤務學院 軍事設施系， 重慶 401331； 2.巖土力學與地質環(huán)境保護重慶市重點實驗室， 重慶 401331)

在我國西南山區(qū)公路建設中,經常不可避免地穿越地質條件較差的地區(qū)，有許多規(guī)模較大，坡勢陡峭的高陡邊坡需要治理。受復雜地形條件影響，高陡邊坡的治理一直是邊坡治理中的難點，特別是對地形呈明顯上緩下陡趨勢的高邊坡：一方面滑坡的形成具備了臨空條件；另一方面，地形上的突兀變化容易在陡緩交界處產生應力集中。當土層厚度較小時，交界處剪應力就會超過土體抗剪強度，并使得塑性區(qū)域產生和不斷擴大。當塑性區(qū)域貫通時，土體就會從交界處發(fā)生破壞，形成滑動面，從而引發(fā)牽引式滑坡[1-2]。因此，如何有效防止此類高邊坡失穩(wěn)是我國西南地區(qū)修建公路時必須解決的問題。在實際工程中，確定此類高邊坡的支擋范圍偏于保守，多普遍采用支擋結構全覆蓋：比如神龍架某處機場采用土工格柵加筋土結構對高邊坡不同坡度的坡面做了全支擋加固[3]；重慶市彭水縣某處邊坡采用阻滑鍵、預應力錨索等多種結構物對復雜坡面進行了全支擋[4]等等。這種全方位的支擋方案雖然效果良好，但依據(jù)傳統(tǒng)設計成本較高，工期也較長。因此，不少學者試圖提出新穎支擋方式來對這類高邊坡的治理方法加以改進。比如肖劍秋等[5]對錨桿網格梁在護坡中的作用機理進行過研究。王中峰等[6]研究過高支擋輕質符合型結構在某高陡邊坡支擋加固中的作用。吳小強等[7]對復合土釘墻結構在某高邊坡中的支護效果進行過研究。以上研究有效優(yōu)化了部分支擋結構，但基本沒有跳出特殊邊坡坡面全支擋的范疇，在成本控制方面作用有限。更重要的是：在部分地質條件惡劣的地區(qū)不利于邊坡工程的高位施工，大范圍支擋結構的設計也不易開展。因此，如果在這類高邊坡的治理過程中，能在保證安全的前提下盡可能的優(yōu)化支擋設計方案，對控制工程成本和縮減施工難度都有巨大意義。

1 上緩下陡地形土質高邊坡“關鍵塊體”概念的提出

1.1 局部支擋設計方案說明

圖1是高邊坡治理對象中普遍出現(xiàn)的上緩下陡地形土質高邊坡的簡化示意圖：基巖表面呈明顯上緩下陡趨勢，下部坡角α大于上部坡角β，使得土層的傾角不同。邊坡地形陡緩交界點突出，土體臨空面明顯。為便于分析，將基巖上覆土層視為等厚。B點為地形陡緩交界點；C點為陡坡土體臨空面最高點，簡化為位于B點正上方。以BC為界，位置較高的BCEF區(qū)域代表緩坡段土體，位置較低且靠前的BCYZ區(qū)域代表陡坡段土體。

圖1上緩下陡地形土質高邊坡簡化示意圖

一般情況下，緩坡土體位置較高，勢能較大，如果陡緩交界處巖土抗力不足，或受到隧道開挖等擾動影響時極易出現(xiàn)從臨空面剪出的情況。而下方陡坡土體由于受到緩坡的擠壓，在不加治理的情況下若遇見強降雨等也容易滑坡失穩(wěn)[8]。因此，實際治理工程中多為圖2所示的大面積、全方位結構物覆蓋，即對不同坡度的坡面共同支擋加固。

圖2邊坡支擋工程

在多數(shù)情況下，全方位坡面支擋能取得良好的治理效果。但不容忽視的是：對于坡度陡峭，垂直高程較高的高邊坡，這種支擋方案工程量大，治理成本較高。而且在許多情況下，現(xiàn)場的實際條件并不一定滿足高位施工的要求。因此，如果能在對該類邊坡只進行局部支擋治理的同時亦保證未支擋部分巖土體的穩(wěn)定，那么這種設計方案所帶來的經濟效益是不容忽視的。基于此筆者提出一種特針對上緩下陡地形土質高邊坡的局部支擋方案，如圖3所示：只對該類高邊坡的陡坡段進行坡腳加固以及局部坡面支護，支擋結構采取常見的滑樁-錨索格構聯(lián)合支擋結構，其中A點為支擋結構的高度上限點。這樣治理過后，支擋結構覆蓋到的陡坡坡面以及陡坡坡腳基本都是穩(wěn)定的，這些范圍內一般不用考慮土體失穩(wěn)的情況。但A點以上依然存在著部分裸露巖土體，也就相應還存在發(fā)生土質滑坡或其他失穩(wěn)風險。在此，提出一種專門針對這種支擋方案的邊坡穩(wěn)定分析方法，即“關鍵塊體”分析方法來用于該方案的可行性驗證。

圖3上緩下陡地形土質高邊坡局部支擋示意圖

1.2 基于定性分析的“關鍵塊體”概念

鄭穎人等[9]的研究指出：廣義剪應變或塑性應變的貫通是邊坡破壞的必要條件但不是充分條件。對于上緩下陡地形的土質高邊坡，諸多滑坡實例表現(xiàn)出其滑面發(fā)育位置及貫通路線的情況大致分為兩類，如下所述：

(1) 基巖上覆土層平均厚度較大時，地形陡緩交界點處的應力集中對邊坡穩(wěn)定性造成的影響較小，土體發(fā)生位移滑動往往是自身強度條件不夠所導致的。此時滑動面的位置是不固定的。在采取局部支擋措施時，支擋結構未覆蓋的裸露坡面的任意一點都有可能發(fā)生土體剪出破壞，因此需要進行潛在滑動面搜索，這類邊坡稱之為第一類邊坡。

(2) 基巖上覆土層平均厚度較小時，地形陡緩交界點處的應力集中對邊坡穩(wěn)定性造成的影響較大。四川寧南縣高位滑坡災害的相關研究[10-11]指出：該類邊坡滑面發(fā)育位置與地形陡緩交界點密切相關：滑面的貫通趨勢大致是從地形陡緩交界點出發(fā)，順著陡坡延長線的方向往緩坡發(fā)展。由于這種現(xiàn)象在土層平均厚度較淺，且受地形影響較大的土質高邊坡發(fā)生高位滑坡時經?？梢杂^察到，可稱之為第二類邊坡。

對以上兩類邊坡，目前采取的邊坡穩(wěn)定分析法普遍是極限平衡分析法[12]。該方法需要先假設邊坡滑動面的位置已知[13]，在應用到第一類邊坡時難度較大，過程復雜且不一定準確。因此，為簡化計算過程和提高分析準確性，本文只展開對第二類邊坡的研究：即受地形條件影響較大，土層平均厚度較淺，滑面發(fā)育位置基本可以預測的上緩下陡地形土質高邊坡。

第二類邊坡在進行如圖3所示局部支擋以后，地形陡緩交界點B點和陡坡支擋結構上限點A點都會產生較大的應力集中，兩點的土體應力會首先超過土體抗剪強度。就之前總結的第二類邊坡滑面貫通規(guī)律而言：在應力不斷加大的情況下，土體塑性點會沿著AB段和BD段不斷衍生發(fā)展，其中D點是陡坡延長線與緩坡的交點。當兩處塑性區(qū)域貫通時，ABCD整個范圍內的土體就會沿著新形成的滑動面蠕動變形甚至整體下滑，從而引發(fā)牽引式失穩(wěn)?；诰植恐鯒l件下第二類邊坡的滑面位置相對固定，可以將ABCD區(qū)域內的土體視為整個邊坡未支擋部分的“關鍵塊體”。“關鍵塊體”既是緩坡的坡腳，同時也是陡坡段唯一存在剪出可能性的局部裸露巖土體。只要“關鍵塊體”邊界的土體破壞情況在安全范圍以內，或考慮一定安全系數(shù)下“關鍵塊體”不存在蠕動變形或沿滑動面滑動的可能，那么整個邊坡的未支護部分就是相對安全的，不需要再做額外支護，局部支擋方案有效可行；反之，則證明局部支擋方案不行，需要對邊坡進行額外支護。

2 “關鍵塊體”的數(shù)值模擬驗證及全程失穩(wěn)規(guī)律分析

“關鍵塊體”概念是基于大量滑坡實例并經定性分析后得到的結果，其合理性有待驗證。巖土工程有限元軟件PLAXIS程序的應用性非常強,能夠模擬復雜的工程地質條件，尤其適合于變形和穩(wěn)定分析[14]。因此，本文擬利用有限元強度折減法[15]搜索上緩下陡地形土質高邊坡在局部支擋條件下的潛在滑動面位置，從而驗證“關鍵塊體”概念的合理性及全程失穩(wěn)規(guī)律。數(shù)值模擬做如下假設：(1) 邊坡幾何模型簡化為二維平面應變問題進行處理；(2) 邊坡條件：勻質,地下水位于模型底邊界以下(即不考慮地下水的影響)，初始應力的產生僅與土坡自重及理想支擋效果有關。

2.1 模型搭建

為突出地形條件對邊坡穩(wěn)定性造成的影響，數(shù)值模擬過程中主要通過改變雙坡角參數(shù)及平均土層厚度來驗證上緩下陡地形土質高邊坡在局部支擋設計方案下的滑動面發(fā)育特點，從而驗證“關鍵塊體”概念的合理性。如圖4所示：模型變量參數(shù)包括陡坡坡角a、緩坡坡角b、土層平均厚度t。而其他影響較小且非目標的參數(shù)則采取定量控制，如緩坡水平長度L1，陡坡水平長度L2以及支擋結構上限高度h均取為定值：L1=50 m、L2=60 m、h=35 m；土層部分選用摩爾-庫侖模型，參數(shù)取值見表1；基巖部分由于變形很小，通過線彈性模型設置為剛性體。

圖4 數(shù)值模擬模型示意圖

根據(jù)變量參數(shù)的不同，預加載模型分為9組，如表2所示。為突出第二類邊坡土層平均厚度較小的特征，此處土層厚度t小于或等于8 m[16]。同時，根據(jù)統(tǒng)計表明：滑坡主要發(fā)生在20°至45°的山坡上，緩于20°者滑坡較少[17]。因此本文將所研究特殊邊坡的緩坡段坡角定義為小于20°，陡坡段坡角大于20°小于45°。

表2 預加載模型組別

2.2 結果分析

采用邊坡廣義塑性區(qū)域的貫通并結合數(shù)值計算不收斂作為邊坡失穩(wěn)評判標準[9]。由于組別較多，僅展示第一組數(shù)值模擬結果。

圖5為第一組數(shù)值模擬得到的上緩下陡地形土質高邊坡在局部支擋條件下的邊坡部分剪應力云圖。通過折減安全系數(shù)，可以清晰地觀察到其滑面發(fā)育過程：邊坡塑性區(qū)域的貫通路線與“關鍵塊體”的理論邊界有極大聯(lián)系。在滑面形成的過程中，塑性區(qū)域基本上是沿著AB段及BD段的方向衍生發(fā)展，而這兩處恰好都是“關鍵塊體”的理論邊界。經分析，支擋范圍以外的裸露巖土體的失穩(wěn)過程主要包含三個階段：

(1) 第一階段：塑性區(qū)域的產生階段。如圖5(a)所示，此時在A點、B點等應力集中點雖有塑性點產生，但塑性區(qū)域均未連接貫通。由于沒有形成順暢的滑動面，此時“關鍵塊體”邊界僅有應力集中點附近發(fā)生小范圍的土體變形，其整體穩(wěn)定性是良好的。

(2) 第二階段：局部失穩(wěn)階段。如圖5(b)所示，此時“關鍵塊體”邊界之一的BD段的土體塑性區(qū)域已經連接貫通，形成了局部滑動面，但AB段還沒有完全形成。導致“關鍵塊體”內部靠近BD段的土體開始發(fā)生蠕動變形，并擠壓最外側土體使其向臨空面運動。而在土體運動的過程中AB段塑性點也越來越多。

(3) 第三階段：整體失穩(wěn)階段。如圖5(c)所示，此時整個“關鍵塊體”的邊界，即AB段與BD段的土體塑性區(qū)域均已貫通，形成了順暢的滑動面?！瓣P鍵塊體”將沿著滑動面整體下滑，并造成緩坡巖土體的牽引式失穩(wěn)。此時邊坡支擋已經失效，支護范圍以外的土體必將失穩(wěn)破壞。

圖5不同折減系數(shù)下邊坡滑面附近剪應力云圖

其余各組數(shù)值模擬的情況與第一組類似：對土層平均厚度較淺的上緩下陡地形土質高邊坡，在局部支擋條件下其滑面發(fā)育位置及塑性區(qū)域貫通路線較大的受地形條件及支擋結構物的影響。尤其是塑性區(qū)域的貫通路線帶有明顯的走向：分別是從地形陡緩交界點出發(fā)往陡坡延伸線的方向發(fā)展和從地形陡緩交界點出發(fā)往支擋結構上限點的方向發(fā)展。

綜上，“關鍵塊體”邊界的選取基本契合了該類特殊邊坡在局部支擋條件下的潛在滑面位置。由于“關鍵塊體”位置的特殊性：既是緩坡的坡腳，又是支擋范圍以外的高位臨空巖土體，其自身穩(wěn)定性對邊坡整體穩(wěn)定性影響巨大，基于“關鍵塊體”概念的邊坡穩(wěn)定分析方法如下。

3 基于“關鍵塊體”概念的邊坡穩(wěn)定分析方法

綜上，局部支擋條件下針對該類特殊邊坡穩(wěn)定性的分析可轉化對“關鍵塊體”穩(wěn)定性的評估?！瓣P鍵塊體”的失穩(wěn)過程大致分為三個階段，可分別對應三個不同的安全狀態(tài)：第一階段，“關鍵塊體”能保持良好的穩(wěn)定性，屬于安全狀態(tài)；第二階段，“關鍵塊體”不再穩(wěn)定，有失穩(wěn)破壞的可能，屬于欠安全狀態(tài)；第三階段，“關鍵塊體”區(qū)域完全失穩(wěn)，屬于不安全狀態(tài)。因此，借鑒邊坡穩(wěn)定分析方法Sarma法[18]的思路，可將“關鍵塊體”按兩個潛在滑面位置劃分為兩個三角形區(qū)域：即BCD區(qū)域和ABC區(qū)域，如圖6所示。兩個三角形區(qū)域內的土體均視為不考慮內部變形的剛性體，其依次失穩(wěn)分別對應“關鍵塊體”失穩(wěn)的二、三兩個階段。相較于傳統(tǒng)條分法將滑面以上土體劃分為多個條狀剛性體的做法[19]，“關鍵塊體”劃分法更加簡單，也更適合對這類特殊邊坡的局部支擋設計方案提供可行性分析。

圖6關鍵塊體劃分示意圖

根據(jù)以上劃分方法，以BC為界，邊坡ABC區(qū)域和BCD區(qū)域的安全系數(shù)可分別設為f1和f2，根據(jù)滑面指標反算可分別算出這兩個區(qū)域的安全系數(shù)。一般來說：安全系數(shù)等于1時邊坡已屬極限狀態(tài)，存在較大滑坡的風險。結合之前分析出的滑面發(fā)展過程，此時應該先計算ABC區(qū)域的安全系數(shù)f1，若f1<1，說明兩處滑面均已貫通，關鍵塊體不穩(wěn)定，不需再計算f2，此時必須對緩坡進行支擋加固，局部支擋方案不可行；若f1>1，說明AB段滑面未完全貫通，可繼續(xù)計算f2，若f2<1，說明BC段滑面已經貫通，邊坡欠穩(wěn)定；若f2>1，說明局部支擋條件下邊坡穩(wěn)定性良好，不需要對緩坡做額外的支擋加固。

4 結 論

結合邊坡滑坡實例及數(shù)值模擬分析，提出針對上緩下陡土質高邊坡在局部支擋條件下的“關鍵塊體”穩(wěn)定分析概念，結論如下：

(1) “關鍵塊體”穩(wěn)定分析是一種土層厚度較淺且屬于上緩下陡地形的土質高邊坡在局部支擋條件下的特定邊坡穩(wěn)定分析方法。該方法力求在保證工程安全的同時，盡可能的節(jié)約工程成本，并方便施工開展。

(2) “關鍵塊體”穩(wěn)定分析在特定工程條件下較傳統(tǒng)邊坡穩(wěn)定分析方法更為簡便，可作為邊坡穩(wěn)定分析法的一類補充。

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