基于強(qiáng)度折減法的滑坡支護(hù)設(shè)計(jì)方法

劉少波 肖文棟

(中航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100098)

1 概述

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，土地資源越來越緊張，尤其是在以低山丘陵地貌為主的郴州地區(qū)顯得尤為突出。伴隨著城市的不斷擴(kuò)張，大量的丘陵山地被開發(fā)。而山區(qū)地形條件的復(fù)雜多變，使得保證邊坡的安全穩(wěn)定成為復(fù)雜且急需解決的技術(shù)難題。肆意開挖往往會(huì)導(dǎo)致山體的變形破壞，如果支護(hù)不當(dāng)，其穩(wěn)定性必將嚴(yán)重制約城市的發(fā)展建設(shè)，甚至引發(fā)滑坡、崩塌、泥石流等重大災(zāi)害事故，危及人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。正確評價(jià)邊坡穩(wěn)定性，采用合理有效的防護(hù)措施是減小滑坡地質(zhì)災(zāi)害，保證城市發(fā)展建設(shè)、土地資源合理開發(fā)利用的關(guān)鍵。

本文通過對郴州市某住宅小區(qū)滑坡穩(wěn)定性問題進(jìn)行的現(xiàn)場調(diào)查及勘察，對該滑坡的變形破壞機(jī)理進(jìn)行了深入分析，利用MIDAS GTS NX軟件進(jìn)行了數(shù)值分析研究，并根據(jù)模擬結(jié)果和工程地質(zhì)特點(diǎn)對滑坡的治理方案進(jìn)行了比選。

2 工程概況

2.1 滑坡現(xiàn)狀

該滑坡位于某在建住宅小區(qū)西北側(cè)，坡腳位置緊鄰一條東西向主干道，滑坡原始地貌為低山丘陵坡地，滑坡走向?yàn)槟衔鳌睎|，滑坡范圍內(nèi)坡底高程182.38 m～198.29 m，坡頂高程201.29 m～223.95 m，滑坡長約200.0 m?；麦w呈近圓弧形，坡高約18.0 m～25.0 m，坡面規(guī)則，起伏較大，如圖1所示。該滑坡對正在施工的住宅小區(qū)、交通通行以及人員生命財(cái)產(chǎn)安全已造成重大威脅。

據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及勘察，勘察范圍滑坡橫向長度約200.0 m，目前已發(fā)生滑動(dòng)的滑坡體土方量約15萬m3，滑坡后緣壁高度差異較大，約1.5 m～8.0 m，水平滑距相對較大，局部地段可達(dá)2.0 m～3.0 m，滑坡體上普遍可見拉張裂縫，局部地段在滑坡體后壁以外發(fā)現(xiàn)有新的拉張裂縫，裂縫寬度約0.3 m～0.8 m，滑坡體中上部出現(xiàn)大量的滑坡臺階及滑坡裂縫，坡腳出現(xiàn)多處地下水出露點(diǎn)。滑體并沒有完全剪出，滑坡處于暫時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)。圖2為該滑坡現(xiàn)狀情況。

2.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查、鉆探揭露以及區(qū)域地質(zhì)資料，勘察區(qū)主要地層自上而下依次為：第四系坡積含礫粉質(zhì)黏土層和黏土層、石炭系中風(fēng)化石灰?guī)r。

①含礫粉質(zhì)黏土：褐紅、褐黃、灰褐色，含較多石灰?guī)r角礫，手可捏碎，干強(qiáng)度中等，韌性中等，表層結(jié)構(gòu)較松散，下部呈可塑～硬塑狀態(tài)，具有膨脹性。

②黏土：褐黃、灰白、褐灰、紫紅色，干強(qiáng)度高，韌性高，土體中不均勻含有石灰?guī)r風(fēng)化巖塊，巖芯斷面可見光滑裂隙面，裂隙面被泥質(zhì)充填，局部灰白色高嶺土含量較高。具有膨脹性，自由膨脹率10%～70%，屬中等脹縮土。呈可塑～硬塑狀態(tài)，近石灰?guī)r交界面附近多呈軟塑狀態(tài)。

③中風(fēng)化石灰?guī)r：青灰、灰黑色，含一定的泥質(zhì)組分，晶粒結(jié)構(gòu)，致密塊狀構(gòu)造，發(fā)育有少量閉合裂隙，裂隙多被鈣質(zhì)或方解石填充，多在基巖頂部沿裂隙見有巖溶發(fā)育，表現(xiàn)為巖石表面發(fā)育有溶槽、溶溝、石芽、溶蝕小孔，中上部發(fā)育有溶洞，溶洞深度0.1 m～4.6 m，多為黏土充填，鉆孔見洞率為37%，中下部巖石新鮮、堅(jiān)硬，敲擊聲脆，巖芯多呈長柱狀，少量為短柱狀及塊狀。局部炭質(zhì)含量較高，巖質(zhì)較堅(jiān)硬，易沿裂隙敲碎，巖芯較破碎。

場地內(nèi)地下水主要為孔隙水和裂隙水，主要接受大氣降水的補(bǔ)給，賦存于各類巖土層的孔隙和裂隙中，隨西北高東南低地勢徑流，地下水排泄通暢?？辈炱陂g正遇季節(jié)性降雨，雨水入滲巖土層后沿黏土裂隙、基巖中的溶蝕裂隙及溶洞由高向低滲出，在地勢低凹處形成積水洼地，雨季過后，不再有地下水滲出。由此可見，季節(jié)性雨季時(shí)，地表水滲入黏土裂隙、溶蝕裂隙及溶洞，深部黏土、上部基巖中會(huì)賦存少量地下水，但坡體地層本身地下水并不豐富。

3 邊坡滑動(dòng)機(jī)理分析

從鉆探結(jié)果可知，該邊坡為土石二元邊坡，滑動(dòng)面呈圓弧狀，且存在多條潛在滑動(dòng)帶，如圖3所示。

分析認(rèn)為該邊坡的變形破壞是內(nèi)外因素綜合作用的結(jié)果[1,2]。

1)工程地質(zhì)因素。

坡腳施工開挖段局部基巖出露，通過現(xiàn)場勘察，基巖頂面產(chǎn)狀與邊坡傾向基本一致，具順坡土—巖二元結(jié)構(gòu)的特征。

本場地含礫粉質(zhì)黏土和黏土具有如下特性：a.裂隙性：土體中發(fā)育有大量裂隙，裂面光滑，裂隙將土體分割為大塊、碎塊狀，大大降低了土體的完整性；b.脹縮性：土體反復(fù)吸水膨脹形成側(cè)向推移及失水收縮拉裂，加劇了土體原有裂隙的連通性及裂隙寬度，同時(shí)也產(chǎn)生了許多新的裂縫，致使土體透水性大大增加；c.不均勻性：土體呈上硬下軟，且在基巖交界面存在一定厚度軟弱層。

巖土體的特殊地質(zhì)特性及物理力學(xué)性質(zhì)不良是邊坡發(fā)生變形破壞的內(nèi)在因素。

2)水文氣象因素。

郴州位于南嶺北麓，湘江上游，處于南北氣候影響區(qū)的交匯點(diǎn)，屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候。這使得郴州不僅容易受到東南沿海的臺風(fēng)、熱帶氣旋的影響，也容易受到從北南下的冷空氣的影響。所以郴州地區(qū)一年四季降雨量豐富，同時(shí)干濕交替也特別頻繁。春季氣溫低，陰雨連綿；夏季高溫濕熱，暴雨集中，洪旱交錯(cuò)；秋季干旱少雨，臺風(fēng)入侵頻繁，時(shí)有山洪暴發(fā)；冬季低溫干燥，雨量較少，但寒期短。

在連續(xù)不斷的雨水作用下，由于巖土體上述特性，致使雨水能夠沿裂隙滲入土體深部，對軟弱面上部土體產(chǎn)生顯著的側(cè)向推力，使得下滑力增大；同時(shí)，深部土體吸水飽和，使得軟弱面厚度不斷增加，也形成了相對透水性差的“隔水層”，進(jìn)一步降低了土體和裂隙面的強(qiáng)度。雨水使得巖土體天然密度接近飽和密度，坡體內(nèi)地下水位顯著升高，坡體自重不斷增加，進(jìn)一步增大了下滑力。

3)工程建設(shè)因素。

早年在修建坡腳主干道時(shí)，斜坡坡腳土體已出現(xiàn)部分松垮，局部有位移產(chǎn)生，因當(dāng)時(shí)周邊并無重要建筑物及居民區(qū)，且斜坡處于暫時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)，并未采取治理措施。

后因住宅小區(qū)施工建設(shè)，坡腳開挖形成多級人工邊坡，且并未采取有效支護(hù)措施，使得坡腳部位存在臨空面，應(yīng)力集中，致使坡腳穩(wěn)定性差。

降雨和坡體的開挖是邊坡變形破壞的外在因素，持續(xù)降雨加速了該邊坡下滑的速度。

由于滑坡后緣可見約1.0 m～2.0 m豎向滑裂縫，且滑體中下部有隆起現(xiàn)象，具有推移式滑移破壞特征，同時(shí)，坡體前緣首先形成滑坡，繼而帶動(dòng)中后部巖土體滑移，具有牽引式滑移破壞特征，結(jié)合分析可以確定本滑坡為牽引—推移式滑坡，滑動(dòng)面位于巖土交界面。

4 邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析

4.1 計(jì)算模型

根據(jù)典型工程地質(zhì)剖面A—A′，建立二維計(jì)算模型，見圖4。

4.2 計(jì)算參數(shù)選取

巖土體均采用摩爾—庫侖本構(gòu)模型。由于邊坡已經(jīng)發(fā)生滑動(dòng)，含礫粉質(zhì)黏土層和黏土層采用飽和重復(fù)剪切確定其黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ。相關(guān)的巖土體物理力學(xué)參數(shù)詳見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)表

4.3 計(jì)算方法

計(jì)算模型所采用的計(jì)算方法為強(qiáng)度折減法[3-5]。強(qiáng)度折減法的求解過程與傳統(tǒng)方法的原理是相同的，只是方法不同。計(jì)算采用嚴(yán)格的理想彈塑性指數(shù)解法，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算過程中，通過不斷的降低材料的強(qiáng)度(按同一比例降低巖土黏聚力c和內(nèi)摩擦角tanφ)或增大荷載，使其在數(shù)值計(jì)算中最終達(dá)到破壞狀態(tài)，此時(shí)破壞面自動(dòng)生成。

該方法不需要事先假定破壞面，直到某一點(diǎn)計(jì)算不收斂為止，即認(rèn)為該點(diǎn)處于破壞狀態(tài)，最大強(qiáng)度折減率即為最小安全系數(shù)。

4.4 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)已有調(diào)查和勘察資料，本滑坡目前暫時(shí)處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但仍存在潛在滑動(dòng)面，仍具有繼續(xù)下滑的趨勢。隨著施工和短時(shí)間強(qiáng)降雨等不利因素的發(fā)生，潛在滑動(dòng)面將會(huì)成為主滑動(dòng)面。針對現(xiàn)狀已發(fā)生滑動(dòng)的邊坡，采用強(qiáng)度折減法分別計(jì)算了在目前自然狀態(tài)下和暴雨?duì)顟B(tài)下的邊坡安全系數(shù)。計(jì)算結(jié)果如圖5,圖6所示。

計(jì)算表明，在目前自然狀態(tài)下，邊坡的安全系數(shù)為1.23，潛在滑動(dòng)面尚未完全貫通，邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；在暴雨?duì)顟B(tài)下，邊坡的安全系數(shù)為0.89，潛在滑動(dòng)面已經(jīng)全部貫通，該邊坡將再次發(fā)生滑動(dòng)。計(jì)算所得的滑動(dòng)面與現(xiàn)場實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)的潛在滑動(dòng)面位置基本一致，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場情況較為吻合。

綜合考慮該邊坡的穩(wěn)定性現(xiàn)狀，發(fā)展趨勢、工程地質(zhì)條件以及支護(hù)空間限制，以盡可能的減少對建設(shè)用地的占用，擬采用在滑坡底部設(shè)置單排抗滑樁進(jìn)行支護(hù)?？够瑯冻叽?.0 m×2.0 m，樁長以進(jìn)入中風(fēng)化灰?guī)r4.0 m控制，樁間距4.0 m。圖7為支護(hù)方案示意圖。

計(jì)算結(jié)果如圖8所示?？够瑯吨ёo(hù)體系在極端工況(暴雨?duì)顟B(tài))下的安全系數(shù)為1.04，根據(jù)GB 50330—2013建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范第5.3.1條[6]，邊坡穩(wěn)定狀態(tài)屬于欠穩(wěn)定。同時(shí)邊坡出現(xiàn)了新的潛在滑動(dòng)面，可能從抗滑樁頂發(fā)生剪出。

針對上述潛在危險(xiǎn)，擬在滑坡中部增加一排預(yù)應(yīng)力錨索，錨索自由段長18.0 m，錨固段長10.0 m，傾角35°，施加預(yù)應(yīng)力300 kN，間距4.0 m，計(jì)算結(jié)果如圖9所示?？够瑯?預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)體系在極端工況(暴雨?duì)顟B(tài))下的安全系數(shù)為1.16，邊坡穩(wěn)定性達(dá)到基本穩(wěn)定狀態(tài)。

綜合以上計(jì)算和分析，最終采用抗滑樁+預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)作為設(shè)計(jì)方案。施工完成后，邊坡變形得到控制，在經(jīng)歷了多場大暴雨以及多個(gè)雨季后，均未發(fā)生再次滑動(dòng)，為住宅小區(qū)的施工建設(shè)提供了安全保障。

5 結(jié)語

通過對郴州市某住宅小區(qū)滑坡的分析，得出以下結(jié)論：

1)邊坡變形破壞是內(nèi)外因素綜合作用的結(jié)果。巖土體的特殊地質(zhì)特性及物理力學(xué)性質(zhì)不良是邊坡發(fā)生變形破壞的內(nèi)在因素。降雨和坡體的開挖是邊坡變形破壞的外在因素，持續(xù)降雨加速了該邊坡下滑的速度。降雨是誘發(fā)邊坡發(fā)生滑動(dòng)的主要因素。

2)基于強(qiáng)度折減法，對巖土計(jì)算參數(shù)合理性進(jìn)行了驗(yàn)算，以使計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際變形相吻合；并以此為基礎(chǔ)對擬選擇支護(hù)型式進(jìn)行驗(yàn)算和優(yōu)化，形成最終支護(hù)設(shè)計(jì)方案。