某黃土高邊坡穩(wěn)定性計算及優(yōu)化設(shè)計

(中國能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測設(shè)計院有限公司，山西 太原 030001)

黃土具有大孔隙和垂直節(jié)理，天然濕度下，具有壓縮性低，強度高的特點。我國黃土及黃土狀土的分布面積約為64×104km2，濕陷性黃土分布面積占到黃土分布總面積的3/4。

近年來，建設(shè)用地與土地資源保護(hù)的矛盾越來越突出，黃土地區(qū)建設(shè)因其特殊地貌，經(jīng)常會遇到深挖、高填現(xiàn)象，形成幾十米到上百米不等的人工高邊坡、超高邊坡。處于天然狀態(tài)下的黃土經(jīng)過開挖后形成高陡邊坡，由于其應(yīng)力調(diào)整，將發(fā)生一系列的變形，如果邊坡設(shè)計合理，則變形向趨于穩(wěn)定方向發(fā)展，如果其設(shè)計值不能滿足黃土自穩(wěn)要求，或邊坡中存在諸如不利結(jié)構(gòu)面、地下水等因素，變形進(jìn)一步發(fā)展，將會使邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，甚至破壞。

1 黃土邊坡研究現(xiàn)狀

黃土高邊坡變形破壞模式主要有滑塌、崩塌、坡面破壞模式等幾種。其破壞模式一般不同于常規(guī)土，破壞面一般呈上陡下緩的“L”型，粘性土、砂土、粉土邊坡計算評價理論均較成熟，黃土邊坡的研究起步較晚，目前其穩(wěn)定性分析與評價方法主要包括自然地質(zhì)條件分析法、工程地質(zhì)類比法及力學(xué)分析法三種。自然地質(zhì)條件分析法、工程地質(zhì)類此法為定性半定量的分析方法。力學(xué)分析為基礎(chǔ)逐漸形成的邊坡穩(wěn)定性分析極限平衡法如瑞典法、簡布法、畢肖普法、費倫紐斯法成為當(dāng)前黃土邊坡穩(wěn)定性分析的主要方法。有文獻(xiàn)多根據(jù)室內(nèi)試驗抗剪強度指標(biāo)對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計算，計算結(jié)果普遍偏保守。文獻(xiàn)根據(jù)黃土邊坡破壞模式采用裂隙圓弧法或裂隙法進(jìn)行了相關(guān)計算比較。近年來，有限元數(shù)值分析在黃土邊坡穩(wěn)定分析中逐步得到了應(yīng)用。

工程實際中，計算參數(shù)的選取大多采用經(jīng)驗法及工程類比法，計算主要采用極限平衡法中的瑞典法和簡化畢肖普法。黃土高邊坡穩(wěn)定性計算及設(shè)計中，抗剪強度指標(biāo)的取值對邊坡定量計算至關(guān)重要，參數(shù)保守會增加投資，造成不必要的浪費，反之，則會影響建筑物的正常使用及安全性能。黃土地區(qū)工程建設(shè)，需要結(jié)合其工程特性，合理選取計算參數(shù)及設(shè)計方案，形成有效的黃土邊坡穩(wěn)定性評價及設(shè)計方案。

2 工程實例

2.1 邊坡工程概況

某電廠建設(shè)場地位于山西省北部，屬典型黃土梁、黃土塬地貌，溝壑分布，溝谷多呈“V”字形樹枝狀分布，場區(qū)內(nèi)北南方向主要有三條溝谷、兩道山梁。東側(cè)山梁頂部標(biāo)高為1078 m，中部山梁頂部標(biāo)高為1091 m，三條溝谷溝底標(biāo)高為979～991 m。場平標(biāo)高為1019 m。場地平整存在深填高挖的現(xiàn)象，最大挖方高度約70 m，最大填方高度約60 m。根據(jù)鉆孔及探井揭露，場地自上而下主要分布馬蘭黃土、離石黃土，各層性質(zhì)如下：

①層馬蘭黃土(Q3)，黃褐色，稍密，稍濕，孔隙發(fā)育，含砂量較大，具濕陷性。厚度為1.3～16.8 m，層底標(biāo)高1034.2～1096.4 m，主要分布于中低山區(qū)山梁上部。

②層馬蘭黃土(Q3)，黃褐色，稍密－中密，稍濕，孔隙發(fā)育，垂直節(jié)理發(fā)育，不具濕陷性。厚度為3.8～30.1 m，層底標(biāo)高1030.2～1066.3 m。

③層離石黃土(Q2)，棕紅色，硬塑，上部夾多層鈣質(zhì)結(jié)核層；中部夾兩層薄礫泥灰?guī)r層，厚度為1～1.5 m；下部為一層礫巖厚度為2～4 m。本層厚度大于40 m，揭露厚度為2.2～32.9 m。

圖1 典型地層剖面及邊坡擬開挖斷面

2.2 計算參數(shù)選取

黃土的抗剪強度主要受飽和度的影響，與含水量、孔隙比等呈負(fù)線性關(guān)系，在進(jìn)行穩(wěn)定性評價時，抗剪強度的取值不能簡單地按建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范取值計算，需結(jié)合反演結(jié)果綜合考慮。

邊坡勘察階段，利用人工探井采取原狀樣133件，并進(jìn)行了室內(nèi)直剪試驗、三軸剪切試驗，得到了原狀土的抗剪強度指標(biāo)，并以三軸試驗內(nèi)摩擦角對現(xiàn)場典型斷面進(jìn)行反演，計算中抗剪強度采用平均值并進(jìn)行相應(yīng)折減，計算參數(shù)選取見表1。

2.3 邊坡穩(wěn)定性計算

穩(wěn)定性計算時，分別采用瑞典條分法、簡化Bishop法、裂隙圓弧法對代表性黃土邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析驗算，發(fā)現(xiàn)各計算結(jié)果相差不大，主要差別在小數(shù)點后兩位計算精度上，裂隙圓弧法考慮因素較多，計算結(jié)果偏保守。為方便工程計算，本工程采用了簡化Bishop法進(jìn)行分析計算并對個別斷面采用Flac3D有限元進(jìn)行驗證，部分代表斷面計算結(jié)果見表2。

表1 抗剪強度參數(shù)選取

表2 邊坡優(yōu)化方案及穩(wěn)定性計算結(jié)果

圖2 典型設(shè)計斷面

2.4 邊坡優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)計算，開挖后的黃土邊坡滿足自身穩(wěn)定性，針對黃土邊坡設(shè)計中的坡型、坡率、平臺及坡腳加固進(jìn)行了優(yōu)化，通過平臺寬度及位置的不斷優(yōu)化，盡可能取得較高穩(wěn)定性系數(shù)同時減少土方開挖。

根據(jù)以往工程經(jīng)驗，黃土邊坡坡度不宜太緩，否則易受到?jīng)_刷；同時也不宜太陡，太陡易使降雨對坡面上裂隙、節(jié)理產(chǎn)生沖刷作用，產(chǎn)生剝落或局部坍塌。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，坡腳采用矮墻固腳，邊坡單級坡率1∶0.75，頂部一級由于黃土含砂量、孔隙比大，自身穩(wěn)定性差，坡率采用1∶1，坡高8 m，一般馬道寬3～4 m，寬馬道6～8 m。坡面采用拱形骨架防護(hù)，拱形骨架采用漿砌片石，骨架內(nèi)鋪設(shè)六棱磚，磚內(nèi)空洞鋪設(shè)200 mm厚耕植土，中間撒草籽綠化，達(dá)到了美化與防治水土流失的目的。

馬道采用片石硬化，砂漿抹面，下設(shè)0.3 m灰土墊層，馬道根部設(shè)漿砌片石排水溝，凈空截面0.4 m×0.4 m，厚0.3 m，為防治雨水沖刷破面，馬道按內(nèi)傾角度2°設(shè)置，并設(shè)置排水溝。

坡頂設(shè)置漿砌石截水溝，距邊坡開挖口5 m，截水溝截面形狀為梯形，厚度0.3 m，截水溝設(shè)置就近排入山溝底部，阻止山上流下的水進(jìn)入邊坡內(nèi)部。

2.5 邊坡監(jiān)測結(jié)果

為確保邊坡穩(wěn)定運行，邊坡建成后，邊坡區(qū)域布置了43個變形監(jiān)測點，主要監(jiān)測坡面及坡底擋墻變形。每2月進(jìn)行一次觀測，共進(jìn)行了7次觀測，累計最大位移量5.60 mm，累計最小位移量0.54 mm，邊坡運行良好。

3 結(jié)語

黃土邊坡穩(wěn)定性計算力學(xué)指標(biāo)選取應(yīng)結(jié)合室內(nèi)直接剪切試驗、三軸剪切試驗及代表性斷面反演結(jié)果綜合取值，其穩(wěn)定性計算可考慮簡化Bishop法、瑞典條分法、裂隙圓弧法，對于超高黃土邊坡，可考慮采用有限元法加以驗證，穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)根據(jù)坡高留出裕度，或隨著邊坡高度呈線性增長。

黃土高邊坡場地條件允許應(yīng)優(yōu)先考慮用臺階式放坡，并在適當(dāng)位置設(shè)置寬平臺，馬道及寬平臺可結(jié)合地層分布情況設(shè)置。并應(yīng)在坡頂、平臺及坡底設(shè)置排水溝，并形成有效的排水系統(tǒng)。

邊坡中部寬平臺的存在，將坡體分為兩個相對獨立的坡段(上、下段)，剪應(yīng)力在大平臺附近形成向坡里移動的曲線，即剪應(yīng)力發(fā)生偏轉(zhuǎn)，難以形成圓弧狀的剪應(yīng)力軌跡，意味著發(fā)生破壞的可能性減小。因此對于多級黃土高邊坡，邊坡中部大平臺是保持黃土高邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵。