某黃土邊坡穩(wěn)定性分析及失穩(wěn)機(jī)理研究

李宏峰

（甘肅西苑勘察規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，甘肅 慶陽(yáng) 745000）

0 引言

邊坡失穩(wěn)是工程界最常見的問(wèn)題，也是威脅基礎(chǔ)設(shè)施正常運(yùn)營(yíng)、居民生命財(cái)產(chǎn)安全的罪魁禍?zhǔn)字?。常見的邊坡按巖土體類型可分為巖質(zhì)邊坡、土質(zhì)邊坡、復(fù)合邊坡等[1]；按其位置及威脅對(duì)象可分為路堤路塹邊坡、建筑場(chǎng)地邊坡、基坑邊坡等。邊坡類型不同，其發(fā)育機(jī)理和變形特征也不盡相同。

常見的邊坡穩(wěn)定性分析方法主要可分為定性分析法和定量分析法[2]。定性分析法適用于初步勘察時(shí)，在明確邊坡各類工程地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，依據(jù)自身感性認(rèn)知和工程經(jīng)驗(yàn)得出初步結(jié)論。該方法與自身經(jīng)驗(yàn)與經(jīng)歷關(guān)系巨大，并且無(wú)法得出具體安全系數(shù)值，因此僅用于初判；定量法是基于一定的基本假設(shè)與計(jì)算理論，可計(jì)算出準(zhǔn)確的安全系數(shù)值。常用的定量分析法包括極限平衡法、條分法、數(shù)值計(jì)算法等[3]。各方法依據(jù)理論各不相同，得出的結(jié)果可相互參考。值得注意的是，極限平衡法與條分法除得出安全系數(shù)外，本身并不能預(yù)測(cè)坡體的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，只有借助數(shù)值計(jì)算手段才能獲取多元結(jié)果。

本文以陜北某黃土邊坡為分析案例，該邊坡位于國(guó)道西側(cè)，坡下即是公路，邊坡的穩(wěn)定與否將直接影響坡下公路的安全運(yùn)營(yíng)，因此采取可靠合理的分析手段評(píng)價(jià)該邊坡的穩(wěn)定性勢(shì)在必行。系統(tǒng)評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性與變形特征對(duì)風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避、方案優(yōu)化的影響重大，將決定支護(hù)方案選取及工程資本投入，同時(shí)對(duì)該區(qū)域內(nèi)的建設(shè)規(guī)劃也有指導(dǎo)作用。此外，當(dāng)?shù)貧庀髼l件顯示，該地區(qū)秋季暴雨頻發(fā)，因此除天然工況下的分析外，還應(yīng)考慮降雨浸潤(rùn)作用下邊坡的失穩(wěn)破壞。本文立足于實(shí)際案例，力求對(duì)同類型邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供參考價(jià)值。

1 工程地質(zhì)條件概述

該邊坡位于陜北某公路西側(cè)。原為黃土沖溝西側(cè)谷坡，因修建道路需要，人工切削成二級(jí)臺(tái)階狀，坡底為國(guó)道，如圖1。根據(jù)勘察資料，邊坡整體高32m，其中第一級(jí)坡高14m，臺(tái)階寬10.6m，二級(jí)坡高18m，平均坡度40°，坡向108°。邊坡巖土體結(jié)構(gòu)屬典型的黃土地層特性，坡頂為Q3馬蘭黃土，局部發(fā)育垂直裂隙，平均層厚8m。下層為Q2離石黃土，坡面經(jīng)雨水沖刷較嚴(yán)重，平均層厚15m。坡底為砂巖（N2）。該地區(qū)夏季炎熱多雨，多年平均降水量為562.1mm，最大為871.2mm，單日最大平均降雨量139.9mm/d。坡頂穩(wěn)定水位11m，坡底穩(wěn)定水位5m。坡體周圍未發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)作用。

圖1 邊坡工程地質(zhì)剖面圖

根據(jù)調(diào)查，目前邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但在降雨期間，坡上巖土體容重增加，強(qiáng)度降低，坡頂局部有垮塌跡象，如圖2。邊坡失穩(wěn)對(duì)坡下公路及車輛運(yùn)行造成極大的安全隱患，因此有必要采取科學(xué)合理的工程措施對(duì)該邊坡進(jìn)行處置，以保證坡下公路的正常運(yùn)營(yíng)和行車安全。

2 天然工況下坡體穩(wěn)定性分析

圖2 雨季坡頂局部滑塌

如前文所述，邊坡失穩(wěn)將造成不可估量的損失，因此須對(duì)該邊坡的的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。本節(jié)分析中，分別計(jì)算分析天然工況下和降雨工況下的邊坡失穩(wěn)破壞。規(guī)范中在計(jì)算邊坡安全系數(shù)時(shí)推薦采用條分法和極限平衡法[4]，但由于理論計(jì)算精度不足和假設(shè)局限，最終的計(jì)算結(jié)果并非完全準(zhǔn)確，并且最終結(jié)果僅包含穩(wěn)定系數(shù)，坡體內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變并不能體現(xiàn)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，各類數(shù)值計(jì)算軟件如雨后春筍般遍地開花，數(shù)值分析手段不僅能得出穩(wěn)定系數(shù)，并且能模擬各種工況下坡體的應(yīng)力應(yīng)變情形，并據(jù)此預(yù)測(cè)滑動(dòng)面位置。常用的數(shù)值分析軟件有Geo-studio、FLAC、Midas[5～7]等?；诮１憬菖c結(jié)果精度的考慮，本文擬采用Midas gts/nx軟件進(jìn)行分析,Midas軟件分析邊坡時(shí)可采用SRM法和SAM法，由于本次分析中，邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，無(wú)明顯滑裂面，因此采用SRM法。根據(jù)文獻(xiàn)[8],SRM法（強(qiáng)度折減法）在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，按一定增量逐漸增大安全系數(shù)Fs，然后以此系數(shù)折減土體粘結(jié)強(qiáng)度c與摩擦強(qiáng)度tanφ，直至坡體發(fā)生失穩(wěn)破壞。

首先分析天然工況下坡體的穩(wěn)定性，模型依據(jù)實(shí)際剖面建立，為提高計(jì)算速率，模型局部做合理簡(jiǎn)化，尺寸為80m×42m，如圖3。各巖土體參數(shù)依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)選取，詳細(xì)參數(shù)如表1。

圖3 天然工況下邊坡模型

考慮到地下水的作用，天然工況下，分析模型邊界分為穩(wěn)態(tài)滲流邊界和靜力邊界。其中穩(wěn)態(tài)滲流邊界分別設(shè)定與模型左右兩側(cè)，左側(cè)水頭為30m，右側(cè)水頭為8m；靜力邊界主要施加于模型兩側(cè)和底部，兩側(cè)施加法向約束，底部施加固定約束。分析階段劃分為穩(wěn)態(tài)分析和邊坡穩(wěn)定性分析兩個(gè)階段。

表1 模型巖土體基本參數(shù)

計(jì)算結(jié)果如圖4～7，天然工況下，該邊坡穩(wěn)定系數(shù)為Fs=1.32，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 天然工況下邊坡最大剪應(yīng)力云圖

圖5 天然工況下邊坡 最大剪應(yīng)變?cè)茍D

根據(jù)圖4，最大剪應(yīng)力基本集中于Q2黃土與Q3黃土下部，順坡延伸，最大值為200kPa，位于土巖接觸面上，該部位土體最先發(fā)生剪切破壞，土體內(nèi)剪應(yīng)力分布散亂，分布不均，說(shuō)明坡體內(nèi)土體瀕臨極限狀態(tài)；圖5中最大剪應(yīng)變?cè)茍D即潛在滑動(dòng)面位置，呈帶狀，順坡圓弧分布，相切于土巖接觸面。應(yīng)變最大值位于坡腳處，為0.05m。坡下剪應(yīng)變明顯大于坡體上部 ，若坡體失穩(wěn)，前緣最先失穩(wěn)，屬牽引式。

圖6 天然工況下邊坡整體位移云圖

圖7 天然工況下邊坡 孔隙水壓力云圖

圖6為強(qiáng)度折減后的坡體位移云圖，由于經(jīng)過(guò)折減，變形值并無(wú)實(shí)際意義，但其特征與失穩(wěn)時(shí)基本一致，坡體前緣變形最大，坡上土體依次發(fā)生滑動(dòng)變形。圖7中孔隙水壓力在坡頂呈水平分布，坡體中下部順坡向分布，無(wú)突變，最大值位于坡底，為294kPa。綜上，天然狀態(tài)下，邊坡失穩(wěn)模式為坡腳先破壞，然后擴(kuò)展至坡頂。

3 降雨工況下坡體穩(wěn)定性分析

根據(jù)當(dāng)?shù)亟涤曩Y料，研究區(qū)單日最大降雨量139.9mm，持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)達(dá)6h。長(zhǎng)期的雨水浸潤(rùn)使坡體容重增大，下滑力增加。若雨水滲入坡體內(nèi)部，將弱化土體強(qiáng)度，易形成滑動(dòng)面[9]。因此有必要分析邊坡在降雨工況下坡體的變形特征。本節(jié)分鐘分別分析邊坡在2h、4h、6h降雨歷時(shí)下的應(yīng)力應(yīng)變情形?；痉治瞿Ｐ腿匀鐖D2所示，在坡面單元上施加降雨邊界，如圖8所示。Midas中設(shè)定有曲面流量加載功能，使用該選項(xiàng)施加降雨，降雨量0.039mm/s，加載時(shí)長(zhǎng)分別設(shè)定為2h、4h、6h。

在降雨工況分析中，需考慮巖土體的非飽和特性，為與下文的分析結(jié)果保持對(duì)應(yīng)，本次分析中也應(yīng)考慮土體的非飽和特性，文獻(xiàn)[10～11]針對(duì)黃土非飽和特性做了詳盡的研究，結(jié)合Midas軟件的材料內(nèi)置函數(shù)，采用Van Genuchter模型擬合非飽和參數(shù)[12]。綜上，選取各項(xiàng)參數(shù)見表2。

表2 各巖土體非飽和參數(shù)

圖8 降雨量施加示意圖

邊界條件與荷載基本設(shè)定同天然工況分析中設(shè)定，滲流分析中除水頭外加入降雨邊界（位于坡面）。分析工況分為穩(wěn)態(tài)滲流階段、瞬態(tài)滲流階段、邊坡穩(wěn)定性分析階段三個(gè)階段。

3.1 不同降雨歷時(shí)坡體孔隙水壓力分析

圖9～11分別為2h、4h、6h時(shí)的坡體孔隙水壓力分布。降雨主要對(duì)坡頂孔隙水壓力有集聚作用，對(duì)坡體下部影響不大，坡體中下部分布基本與天然工況一致，頂部略有差異，隨著降雨量增大，坡頂孔隙水壓力線逐漸呈順坡向。降雨過(guò)程中，坡頂孔隙水壓力由17.43 kPa增至25.83kPa。土體飽和帶寬度由0.8m增至6m，且逐漸像坡體下部擴(kuò)展?？梢姡涤陮?duì)坡體的孔隙水集聚明顯，且增大了飽和土體的分布面積，惡化了坡體的穩(wěn)定性。

圖10 降雨4h孔隙水壓力

圖11 降雨6h孔隙水壓力

3.2 不同降雨歷時(shí)坡體應(yīng)力應(yīng)變分析

經(jīng)計(jì)算，降雨2h、4h、6h情形下邊坡的應(yīng)力應(yīng)變及穩(wěn)定系數(shù)如圖12～17所示。降雨2h時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)降至1.24，欠穩(wěn)定；降雨4h時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)為1.06，欠穩(wěn)定；當(dāng)降雨達(dá)到6h時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)為0.98，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。上述結(jié)論與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果一致。

降雨過(guò)程中，坡體最大剪應(yīng)力位置由最初的坡腳逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槠履_坡頂共同發(fā)育，呈坡上坡下同時(shí)發(fā)育的趨勢(shì)，如圖12～14所示。隨著降雨強(qiáng)度增加，滑帶剪應(yīng)力最大值由148kPa增至269kPa，最大剪應(yīng)力值分布逐漸由零散變至均勻，且彌散分布。

圖12 降雨2h最大剪應(yīng)力(Fs=1.24)

圖13 降雨4h最大剪應(yīng)力(Fs=1.06)

圖14 降雨6h最大剪應(yīng)力(Fs=0.98)

圖15 降雨2h最大剪應(yīng)變(Fs=1.24)

圖16 降雨4h最大剪應(yīng)變(Fs=1.06)

圖17 降雨6h最大剪應(yīng)變(Fs=0.98)

如前所述，最大剪應(yīng)變帶即潛在滑面位置。根據(jù)圖15～17，最大剪應(yīng)變情形與最大剪應(yīng)力基本對(duì)應(yīng)，降雨過(guò)程中，坡體最大剪應(yīng)變分布逐漸由坡腳擴(kuò)展至坡頂貫通，最大剪應(yīng)變帶已基本貫通至坡頂，貫通帶呈圓弧狀，底部相切于土巖接觸面。降雨過(guò)程中，最大應(yīng)變值由0.05m逐漸擴(kuò)大至0.14m，位于坡腳剪出口處。此時(shí)若邊坡失穩(wěn)，將產(chǎn)生整體滑動(dòng)。

3.3 不同降雨歷時(shí)坡體位移分析

圖18～20為邊坡失穩(wěn)時(shí)的位移云圖，如前所述，因強(qiáng)度折減，具體位移值并無(wú)參考價(jià)值，但可參考其滑動(dòng)趨勢(shì)。降雨2h時(shí)，坡體位移以坡腳位移為主；隨著降雨強(qiáng)度增大，位移逐漸向坡頂延伸，延伸方向基本與滑動(dòng)帶方向平行；當(dāng)降雨6h時(shí)，由于降雨浸潤(rùn)，坡頂容重增加，此時(shí)位移最大值位于坡頂位置，坡腳次之。結(jié)合應(yīng)力云圖，坡頂坡腳土體最先破壞，繼而貫通失穩(wěn)，即降雨影響下，邊坡失穩(wěn)模式為整體滑動(dòng)，即坡頂坡腳先破壞，然后貫通滑動(dòng)。

圖18 降雨2h坡體整體位移

圖19 降雨4h坡體整體位移

圖20 降雨6h坡體整體位移

可見，降雨條件不僅影響坡體內(nèi)部巖土體的孔隙水壓力分布，對(duì)坡體內(nèi)計(jì)算材料的應(yīng)力應(yīng)變也有顯著影響。在降雨影響下，邊坡穩(wěn)定系數(shù)明顯降低，失穩(wěn)模式發(fā)生變化，更易于滑動(dòng)。因此，應(yīng)及時(shí)對(duì)該邊坡采取科學(xué)合理的支擋措施，防止坡體在雨季失穩(wěn)。

4 結(jié)語(yǔ)

以陜北某黃土邊坡為分析案例，該邊坡緊鄰公路，其穩(wěn)定與否對(duì)坡下公路影響巨大。本文采用數(shù)值計(jì)算方法，分別分析了該邊坡在天然工況下和降雨工況下的穩(wěn)定性及應(yīng)力應(yīng)變特征。研究表明：天然情形下，邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，潛在滑動(dòng)面尚未貫通，最大剪應(yīng)變?cè)谄履_處，失穩(wěn)模式為坡腳先破壞，然后至坡頂；在降雨條件下，由于雨水浸潤(rùn)，坡體穩(wěn)定性降低至欠穩(wěn)定狀態(tài)。此時(shí)坡體滑動(dòng)帶基本貫通，最大剪應(yīng)力仍位于坡腳，滑動(dòng)帶內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變不斷增大，且坡頂位移大于坡底，失穩(wěn)模式為坡頂坡腳先破壞，然后擴(kuò)展貫通?；谏鲜鼋Y(jié)論，建議應(yīng)立即對(duì)該邊坡進(jìn)行擋護(hù)處治。