降雨工況某棄方邊坡穩(wěn)定性及滑動影響范圍分析

高東源，徐孟龍，孫堯甲

（河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000）

0 引言

降雨對于邊坡的滑動破壞起著主導(dǎo)作用，而且橋下棄方對橋梁運(yùn)營造成安全威脅的事故屢有發(fā)生，棄方堆積體邊坡是在工程施工過程中采用自卸車棄方形成的堆積體邊坡，堆積體大多采用裝載機(jī)推平，未經(jīng)組織壓實(shí)，堆放時間不長，固結(jié)程度較低，所以開展降雨工況邊坡穩(wěn)定性的研究很有意義.目前，大多學(xué)者的研究方向主要集中在不同坡體形態(tài)、不同降雨模式對高陡邊坡、公路邊坡等邊坡的穩(wěn)定性影響分析[1-5]，但在棄方堆積體或填土邊坡方面的研究較少，本文以工程棄方邊坡降雨作用下的穩(wěn)定性為實(shí)際工程背景出發(fā)，運(yùn)用有限差分軟件進(jìn)行了邊坡降雨入滲工況穩(wěn)定性的模擬分析，并利用能量守恒法計(jì)算出該邊坡滑動影響范圍.

1 工程概況

某橋梁工程在柱墩施工過程中，把不適宜作為路基填料的殘坡積物和膨脹土、濕陷性黃土等棄于某大橋跨越的自然沖溝內(nèi)，形成南北兩處高8～15 m、距離橋墩最近距離為11 m的棄方堆積體.其中北側(cè)棄方堆積體南邊坡位于某大橋柱式墩上游.該橋梁工程區(qū)域?qū)偕角皼_洪積傾斜平原向侵蝕剝蝕高臺地過渡地貌.總體地勢西高東低，海拔標(biāo)高60～210 m.西北部為丘陵區(qū)，東部、南部為平原區(qū)，地面平坦開闊，局部低洼，具有從平原區(qū)向丘陵區(qū)過渡的特點(diǎn).降水四季分配不均，多集中在夏季7、8月份.降水強(qiáng)度變化較大.在各級降水中，小雨出現(xiàn)的概率最多，占總降水日數(shù)的68.2%.年平均相對濕度為69%.棄方堆積體見圖1.

圖1 工程現(xiàn)場圖

2 邊坡穩(wěn)定性理論分析

排土?xí)r采用自卸車將棄方置于堆積體坡邊，然后采用裝載機(jī)推平，推平過程中，土顆粒或土團(tuán)粒沿棄方堆積體邊坡坡面自由滾落.整個坡體無論坡頂平臺還是邊緣斜坡均為層層包裹結(jié)構(gòu).若把棄方體作為一個整體來看，棄方體內(nèi)各不同類型的土顆粒或土團(tuán)粒雖然大小不一，但其相對整個棄方體而言均為極小的單元，因而該坡體又表現(xiàn)為宏觀上的均一性.土顆粒或土團(tuán)粒沿棄方邊坡坡面自由滾落的排土方式和棄方堆積體宏觀上的均一性決定了該棄方邊坡處于自然休止?fàn)顟B(tài)[6-7]（即極限平衡狀態(tài)）.

自然界處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)的坡體，有時在自然條件或人為因素作用下，比如降雨入滲、外部振動荷載或土體長期受剪力作用造成結(jié)構(gòu)損傷等，會劣化其穩(wěn)定狀態(tài).在斜坡內(nèi)部某一部分，比如受降雨或振動作用影響較大的坡頂，剪應(yīng)力首先超過其抗剪強(qiáng)度而變形，產(chǎn)生微小的移動.然后變形進(jìn)一步發(fā)展，坡頂開始出現(xiàn)若干斷續(xù)裂隙.現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，在坡頂面出現(xiàn)大量與坡體上緣線近乎平行的裂隙，裂隙外側(cè)坡體呈現(xiàn)下錯變形特征，如圖2.這些裂隙的出現(xiàn)既表明坡體目前處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，同時也是坡體正由極限平衡狀態(tài)向失穩(wěn)狀態(tài)發(fā)展的標(biāo)志.

圖2 棄方邊坡坡頂及坡面裂隙圖

棄方堆積體棄土成分較雜亂，由殘坡積物、膨脹土、濕陷性黃土與少量大塊石混雜.棄土為快速傾倒堆填，未經(jīng)有組織碾壓，結(jié)構(gòu)松散，滲透性強(qiáng).棄方堆積體位于原始沖溝地帶，周邊匯水面積大，遇暴雨或連陰雨天氣，將有大量大氣降水滲入坡體，造成坡體局部飽和.

為分析暴雨或連陰雨工況棄方堆積體邊坡的穩(wěn)定性，沿棄土堆積體邊緣斜坡取樣，進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn).土樣被分成兩份，一份進(jìn)行浸水過程觀察，另一份進(jìn)行飽水狀態(tài)下直剪試驗(yàn).

2.1 土樣浸水過程觀察

將所取土樣按土團(tuán)粒徑分成4份裝入容器內(nèi)，然后間斷往盛土容器內(nèi)加水，始終保持水面剛好沒過土樣，觀察土樣在浸水0，1，2，4 h后的狀態(tài).土體在浸水1 h后，團(tuán)粒較小的土泥化，團(tuán)粒較大的土團(tuán)粒表面開始出現(xiàn)裂縫；土體在浸水2 h后，團(tuán)粒較大的土團(tuán)已基本浸透，團(tuán)粒表面裂縫密布，雖外形仍保持大團(tuán)粒狀，但一觸即潰，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)強(qiáng)度幾乎完全喪失；土體在水中浸泡4 h后，團(tuán)粒粒徑不同的4種土樣已基本沒有差別，團(tuán)粒完全崩解，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)強(qiáng)度完全喪失.由此可見，棄方堆積體如遇4 h以上連續(xù)較強(qiáng)降雨或更長時間的低強(qiáng)度持續(xù)降雨時，邊坡淺層坡面強(qiáng)度將劣化為飽水狀態(tài)下的強(qiáng)度.

2.2 土樣飽水強(qiáng)度試驗(yàn)

以法向應(yīng)力分別為50、100和200 kPa進(jìn)行土樣可塑狀態(tài)（含水率w＝24.32%，重度γ＝19.21 kN/m3）下的快剪試驗(yàn)，由直剪試驗(yàn)結(jié)果可以看出該邊坡土樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)相對較低，宏觀來講邊坡穩(wěn)定性較低.如圖3.

3 邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

采用土樣可塑狀態(tài)的物理力學(xué)參數(shù)，進(jìn)行暴雨或連陰雨工況北側(cè)棄方堆積體邊坡的穩(wěn)定性分析，根據(jù)土體降雨入滲規(guī)律，分析時假設(shè)該工況下棄方堆積體表面2 m厚的土層處于可塑狀態(tài)（黏聚力C＝11.17 kPa，內(nèi)摩擦角φ＝9.2°，重度γ＝19.21 kN/m3），其他部分的土體仍處于原始狀態(tài)（等效內(nèi)摩擦角φD＝38°，重度γ＝17.20 kN/m3）.具體土體物理力學(xué)參數(shù)見表1.

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

降雨入滲工況邊坡滑動破壞過程如圖4～10，天然工況下，邊坡安全系數(shù)為1.01，棄方堆積體處于極限平衡狀態(tài)，坡面角度將進(jìn)行調(diào)整，局部較陡的坡面將與其他位置趨于一致.

為模擬天然土坡自動調(diào)整坡面角度后的模型形狀，按照強(qiáng)度折減法計(jì)算得到的模型滑動面并將上次發(fā)生滑坡范圍內(nèi)的土體剔除，重新建模計(jì)算并重復(fù)循環(huán)上述步驟得到最終的坡體形態(tài)如圖10.

暴雨或連陰雨工況下，第一次降水滲入，此時安全系數(shù)為0.97，出現(xiàn)第一次滑塌，滑塌面沿如圖示曲面.根據(jù)第一次滑塌后形狀進(jìn)行建模，第一次滑塌后降水進(jìn)一步下滲，此時邊坡安全系數(shù)為0.93，出現(xiàn)第二次滑塌.根據(jù)第二次滑塌后形狀進(jìn)行建模，第二次滑塌后降水進(jìn)一步下滲，此時邊坡安全系數(shù)為0.99，出現(xiàn)第三次滑塌.根據(jù)第三次滑塌后形狀進(jìn)行建模，第三次滑塌后降水進(jìn)一步下滲，此時邊坡安全系數(shù)為0.93，出現(xiàn)第四次滑塌.根據(jù)第四次滑塌后形狀進(jìn)行建模，第四次滑塌后降水進(jìn)一步下滲，此時邊坡安全系數(shù)為0.96，出現(xiàn)第五次滑塌.

由模擬結(jié)果可知，在持續(xù)降雨工況下，該棄方邊坡的邊坡安全系數(shù)均小于1，塑性貫通區(qū)較為明顯，且塑性貫通區(qū)以外的土體持有較高的振動速度，說明坡體發(fā)生滑塌的可能性很大，嚴(yán)重影響了橋墩安全.

圖4 天然工況下

圖5 第1次滑塌

圖6 第2次滑塌

圖7 第3次滑塌

圖8 第4次滑塌

圖9 第5次滑塌

圖10 棄方邊坡滑塌演變過程

4 降雨工況邊坡滑動影響范圍分析

一般認(rèn)為，滑坡的影響范圍不小于滑坡的滑程.目前，對于滑程的預(yù)測通常視滑坡體積規(guī)模分為一般滑坡（體積小于106 m3）和大型滑坡（體積大于106 m3）兩種類型考慮.對于本次評估對象（一般滑坡），可利用能量守恒原理，推導(dǎo)出其滑程的估算公式，見圖11.

圖11 滑坡滑程預(yù)測示意圖

如圖11所示，設(shè)W為滑體的重量，β為滑坡某一條塊滑面與水平面間的夾角，M為滑面的最低點(diǎn)，S1、S2分別表示條塊運(yùn)動的AM和ME的距離，f為動摩擦系數(shù).條塊從A點(diǎn)運(yùn)動到E點(diǎn)的過程中其能量轉(zhuǎn)化關(guān)系為：

如果滑塊運(yùn)動到M點(diǎn)后作水平運(yùn)動到E′點(diǎn)停止

當(dāng)滑塊運(yùn)動到任意點(diǎn)P（假設(shè)該點(diǎn)速度為v）時，其能量轉(zhuǎn)化關(guān)系為：

當(dāng)v＝0，得到滑程Lmax為：

滑程為：

第1次滑坡：

第2次滑坡：

第3次滑坡：

第4次滑坡：

第5次滑坡：

綜上可知，在不考慮再次滑坡對前次滑坡沖擊影響下，滑坡最大滑程為15.0 m，這將會威脅北側(cè)棄方堆積體邊坡坡腳橋墩（距離坡底11.0 m）安全和南側(cè)棄方堆積體坡腳農(nóng)田生態(tài).

5 建議與結(jié)論

5.1 建議

結(jié)合本工程特點(diǎn)，給出以下2個綜合治理建議方案.治理工程實(shí)施前，尚應(yīng)作好以下兩個方面的工作：

1）在棄方體適當(dāng)位置設(shè)置一道南北向過洪通道，通道過洪能力應(yīng)滿足北頭村大橋水文計(jì)算要求；

2）棄方堆積體位于自然沖溝上游的迎水坡面應(yīng)進(jìn)行防水處理，防止上游洪水進(jìn)入棄方堆積體.

治理方案：（1）坡率法結(jié)合疏排水.坡率法是指控制邊坡高度和坡度，即將可能產(chǎn)生滑動的部分坡體移除，從而無需對邊坡整體進(jìn)行加固而自身穩(wěn)定的一種人工邊坡設(shè)計(jì)方法.坡率法是一種經(jīng)濟(jì)有效、施工方便的方法，對有條件的場地宜優(yōu)先考慮選用，但同時應(yīng)做好坡體防排水和坡面防護(hù)工作.（2）支擋結(jié)構(gòu)（加筋土擋土墻）結(jié)合疏排水.加筋土擋土墻指的是由填土、拉帶和鑲面混凝土組成的加筋土承受土體側(cè)壓力的擋土墻.它是在土中加入拉筋，利用拉筋與土之間的摩擦作用，改善土體的變形條件和提高土體的工程特性，從而達(dá)到穩(wěn)定土體的目的.加筋土擋土墻由填料、在填料中布置的拉筋以及墻面板三部分組成.是目前平坦開闊地帶高填方邊坡支擋結(jié)構(gòu)中最經(jīng)濟(jì)有效的方式之一.

5.2 結(jié)論

（1）棄方過程中的排土方式、堆積體所處的小區(qū)域地貌以及邊坡土體決定了棄方邊坡的狀態(tài).排土?xí)r采用自卸車棄方于堆積體坡邊，然后采用裝載機(jī)推平，未經(jīng)有組織壓實(shí)，加之堆放時間不長，堆積體固結(jié)程度低，因此，棄方堆積體邊坡處于自然休止?fàn)顟B(tài).

（2）棄方堆積體邊坡棄土成分較雜亂，結(jié)構(gòu)松散，滲透性強(qiáng)，坡體匯水條件較好，遇暴雨或連陰雨天氣，降水容易匯集和下滲從而劣化邊坡穩(wěn)定性，造成邊坡失穩(wěn).

（3）該棄方堆積體邊坡在天然狀態(tài)下處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨或連陰雨?duì)顟B(tài)下處于不穩(wěn)定狀態(tài)，將會發(fā)生滑塌.北側(cè)棄方堆積體最大滑程分別為15.0 m，這將會威脅北側(cè)棄方堆積體邊坡坡腳橋墩安全.