基于極限平衡法對某路塹邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算與加固分析

黃 凡

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，福州 350004）

0 引言

邊坡工程問題頻頻涌現(xiàn)于各個(gè)工程領(lǐng)域，如公路、鐵路、礦山建設(shè)、水利水電等，如若處理不當(dāng)，不僅會造成巨額的經(jīng)濟(jì)損失， 還將存在著極其深遠(yuǎn)的無形或隱伏的間接影響，影響社會的安定，導(dǎo)致生存環(huán)境的惡化，加劇各種自然災(zāi)害的發(fā)生，引發(fā)次生災(zāi)害等。 因此，研究邊坡的穩(wěn)定性，對于如何預(yù)防滑坡的發(fā)生，滑坡發(fā)生后如何進(jìn)行處治以保證邊坡穩(wěn)定，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。對于山區(qū)公路而言，由于受線路及地形影響，難免開挖形成工程邊坡[1]。目前，工程建設(shè)用地越來越緊張，因此需結(jié)合穩(wěn)定性分析結(jié)果，采用合理的坡率設(shè)計(jì)及加固措施。本文依托“橫五線”連江城關(guān)至貴安段公路工程A2 段，開展路塹邊坡加固設(shè)計(jì)，提出邊坡加固的設(shè)計(jì)思路，具有一定的工程指導(dǎo)意義。

1 工程概況

該項(xiàng)目起點(diǎn)位于連江縣青塘村、 起止樁號K3+000，經(jīng)長后村， 終于連江縣潘渡鄉(xiāng)下寶溪村、 終點(diǎn)樁號K8+000，與縱二線連江境相交并設(shè)置樞紐互通，以此改善福州中心城區(qū)北向出入口通道條件，促進(jìn)連江縣域經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

擬建路塹工程邊坡位于該項(xiàng)目的長后平交的A 匝道和C 匝道 （CK0+000～CK0+186.054=AK0+770～AK0+680），場區(qū)屬剝蝕丘陵地貌，地形略有起伏，山體走向與路軸線方向約呈80°相交，山坡自然坡度約25～30°左右，山坡植被發(fā)育。擬建邊坡最大高度約為45m，中心最大挖深為30m。開挖后易失穩(wěn)，因此對該邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算和針對性防護(hù)設(shè)計(jì)。

2 地質(zhì)條件

本路段邊坡勘察根據(jù)設(shè)計(jì)布置和要求， 對沿軸線兩側(cè)各250m 進(jìn)行1:2000 工程地質(zhì)測繪， 并布置2 個(gè)鉆孔（SP1、SP2），以探明相關(guān)地質(zhì)情況。

2.1 地層巖性

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查和鉆孔揭示， 坡地地帶表層為第四系殘坡積粘性土(Qel～dl)，溝谷地帶表層多分布有第四系沖洪積的粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)土(Q4al+pl)；下部巖層主要為燕山晚期侵入花崗巖（γ53）。 勘察期間地下水穩(wěn)定水位位于路面設(shè)計(jì)標(biāo)高上方，受雨季或持續(xù)降雨作用影響，巖、土體的含水量增大，巖、土體力學(xué)性能降低，上方覆蓋層易軟化，較易產(chǎn)生變形失穩(wěn)， 本深挖區(qū)主要巖土層特征如表1 所示。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造和地震

據(jù)本次工程地質(zhì)測繪成果及收集的區(qū)域性地質(zhì)資料，場區(qū)區(qū)域性構(gòu)造較穩(wěn)定，表層為厚層沖洪積土層，附近未見有活動性斷裂構(gòu)造。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）判定標(biāo)準(zhǔn)， 場區(qū)為軟弱場地土， 依據(jù) 《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖（GB18306-2015）》福建省區(qū)劃一覽表，本場區(qū)位于福州市連江縣，場地地震基本烈度為6 度，設(shè)計(jì)地震動峰值加速度為0.05g，設(shè)計(jì)地震分組屬第三組，場地土地震動反應(yīng)譜特征周期為0.40s，場地類別為Ⅱ類場地。 近期未發(fā)生地震， 抗震設(shè)計(jì)按 《公路工程抗震規(guī)范》（JTGB02-2013）執(zhí)行。 場地地震基本裂度為6 度，可不考慮軟土震陷及砂土液化問題。

2.3 水文地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)地表水為山間溝谷溪流，受季節(jié)性影響顯著，雨季流量驟增。 地下水主要為沖洪積、殘坡積層、風(fēng)化層及基巖孔隙-裂隙水， 受大氣降水及地表水垂直下滲補(bǔ)給，通過地下徑流方式排泄?？辈炱陂g為雨季，所量測的地下水位埋深略高于正常水位埋置深度。

表1 主要巖土層特征表

2.4 裂隙調(diào)查與分析

場區(qū)地形略有起伏， 基巖埋藏較深， 本邊坡長度約275m，坡向約220°。 根據(jù)巖層結(jié)構(gòu)面和天然斜坡坡向赤平投影，未分布對邊坡不利影響的結(jié)構(gòu)面，如圖1 所示。

圖1 裂隙與邊坡坡面接觸關(guān)系的赤平投影

3 邊坡穩(wěn)定性評價(jià)與加固分析

邊坡的穩(wěn)定性取決于內(nèi)在因素和外部作用的影響，地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等內(nèi)在因素在邊坡穩(wěn)定性中起決定性的作用，而外部作用主要包括水文氣象條件、地震及人類工程活動等。 水對邊坡穩(wěn)定性有顯著影響作用，有“十滑九水”的說法。坡體含親水礦物，遇水易軟化，巖土體抗剪和黏結(jié)強(qiáng)度降低，同時(shí)增大巖土容重，增大了坡體的荷載。 連江縣屬亞熱帶海洋季風(fēng)氣候，春夏多雨，降雨豐富， 在持續(xù)的暴雨作用下， 一方面使地下水位上升，增加巖土容重；另一方面坡體排水不暢，使粉砂巖和坡積土遇水軟化，降低了巖土體的力學(xué)指標(biāo)。 因此，在高邊坡設(shè)計(jì)中應(yīng)加強(qiáng)坡面及坡體排水設(shè)計(jì)[2]。

3.1 邊坡穩(wěn)定性評價(jià)與分析

數(shù)值分析法是目前工程實(shí)踐中應(yīng)用最廣泛的評價(jià)方法之一，能夠定量分析邊坡的穩(wěn)定性，對工程設(shè)計(jì)起到輔助參考的作用。該方法考慮靜力平衡條件和土的摩爾-庫侖破壞準(zhǔn)則， 也就是說該方法是通過分析土體在破壞那一刻的力的平衡來求得問題的解。針對該路塹邊坡，采用Geo-Studio 軟件對其進(jìn)行穩(wěn)定性分析。 該軟件是基于極限平衡法為原理編譯的， 主要用于路塹邊坡穩(wěn)定性計(jì)算與評價(jià)[3]。

3.1.1 主斷面及計(jì)算參數(shù)的選取

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和地勘鉆探資料結(jié)果分析，選取CK0+080 橫斷面進(jìn)行穩(wěn)定性分析，如圖2 所示。

圖2 CK0+080 橫斷面

根據(jù)主斷面地層分布情況和土工試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合相關(guān)規(guī)范和工程經(jīng)驗(yàn)，綜合確定邊坡穩(wěn)定性評價(jià)與邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)，如表2 所示。

3.1.2 斷面設(shè)計(jì)及分析評價(jià)

考慮路線設(shè)計(jì)標(biāo)高、 地層分布情況以及用地界限制等因素，對該邊坡進(jìn)行坡率設(shè)計(jì)。該邊坡巖層屬于順層結(jié)構(gòu)，因此設(shè)計(jì)過程中應(yīng)盡可能減少對坡體的擾動[4]。 根據(jù)不同地層的地質(zhì)特性，具體設(shè)計(jì)坡率詳見表3。

表2 巖土物理力學(xué)指標(biāo)表

將主斷面CK0+080 導(dǎo)入計(jì)算軟件中， 建立計(jì)算模型，設(shè)置計(jì)算邊界，輸入巖土體計(jì)算參數(shù)，采用極限平衡法進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖3 所示，該邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為Fs=1.076。

表3 坡率設(shè)計(jì)表

根據(jù)公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范（JTJD30-2015），路塹邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)公路等級，計(jì)算路塹邊坡在兩種工況（正常工況、非正常工況Ⅰ）下的穩(wěn)定安全系數(shù)，其穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)滿足表4 規(guī)定的相應(yīng)的穩(wěn)定安全系數(shù)要求，否則應(yīng)對邊坡的支護(hù)方案進(jìn)行調(diào)整[5]。連江橫五線屬于一級公路，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，安全系數(shù)不符合規(guī)范要求，需采取加固治理措施進(jìn)行防護(hù)。

圖3 刷方后主斷面計(jì)算結(jié)果

表4 路塹邊坡安全系數(shù)

3.2 加固方案設(shè)計(jì)與評價(jià)

3.2.1 加固方案設(shè)計(jì)

該邊坡設(shè)計(jì)最高為6 級， 加固方案以預(yù)應(yīng)力錨索加固+坡面綠化防護(hù)為主，輔以坡面排水設(shè)計(jì)。 各級邊坡防護(hù)加固措施為： 第一級坡率1∶0.5，TBS 鍍鋅網(wǎng)植草灌；第二級坡率1∶0.75，TBS 鍍鋅網(wǎng)植草灌；第三級坡率1∶0.75，預(yù)應(yīng)力錨索框架（設(shè)計(jì)拉力700kN）+TBS 植草灌交錯(cuò)；第四級坡率1∶1.0，預(yù)應(yīng)力錨索框架（設(shè)計(jì)拉力700kN）+TBS植草灌交錯(cuò)；第五級坡率1∶1.0，TBS 植草灌；第六級坡率1∶1.25，TBS 植草灌。 具體設(shè)計(jì)如圖4 所示。

3.2.2 加固方案穩(wěn)定性分析

（1）正常工況下加固工程穩(wěn)定性驗(yàn)算

通過坡率設(shè)計(jì)以及對邊坡中部進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨固，提高了邊坡的穩(wěn)定性。在計(jì)算軟件中，在原計(jì)算模型里加入錨索單元， 并施加相應(yīng)的錨固力， 正常工況下穩(wěn)定性檢算，如圖5 所示。

圖4 斷面設(shè)計(jì)圖

圖5 正常工況下加固工程穩(wěn)定性檢算

驗(yàn)算結(jié)果：該路塹邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為Fs=1.242，根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJD30-2015），一級公路在正常工況下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)需滿足1.20～1.30，所以加固后的邊坡符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

（2）暴雨工況下加固工程穩(wěn)定性驗(yàn)算

暴雨工況下采用飽和重度和飽和快剪指標(biāo)進(jìn)行模擬計(jì)算。 非正常工況Ⅰ（暴雨工況）下加固設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果如圖6 所示。

圖6 非正常工況Ⅰ加固工程穩(wěn)定性檢算

驗(yàn)算結(jié)果：該路塹邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為Fs=1.172，根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJD30-2015），一級公路非正常工況Ⅰ（暴雨工況）下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.10～1.20，所以加固后的邊坡符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

4 結(jié)論

本文在現(xiàn)場調(diào)查及收集地勘資料的基礎(chǔ)上， 通過建立計(jì)算模型， 采用定性分析和極限平衡定量計(jì)算方法對滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析評價(jià)， 從而根據(jù)邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)，制定合理且經(jīng)濟(jì)的防護(hù)加固方案。模擬計(jì)算在工程實(shí)踐中只能作為一種輔助手段， 在施工過程中應(yīng)根據(jù)坡面開挖情況，采取動態(tài)設(shè)計(jì)。