牛首山某邊坡穩(wěn)定性分析及評價(jià)

何 偉， 宋京雷， 徐祖陽， 郝社鋒， 王亞山， 王 金

(1.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院,江蘇 南京 210018; 2.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 211100)

在工程建設(shè)中,邊坡問題是一項(xiàng)重要的也是無法避免的工程地質(zhì)問題,其中滑坡問題在地質(zhì)工程領(lǐng)域研究中尤為突出。開展邊坡穩(wěn)定分析及評價(jià)工作,對于后期針對不穩(wěn)定塊體和邊坡開展經(jīng)濟(jì)合理、高效可行的處理措施,減少中國因地質(zhì)災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡,推動社會和國家發(fā)展具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

國外學(xué)者TERZAGHI首先采用土力學(xué)來研究邊坡穩(wěn)定[1],后期專家學(xué)者對土力學(xué)理論在評價(jià)邊坡穩(wěn)定中的應(yīng)用作了進(jìn)一步修改,但他們都忽視了拉應(yīng)力對土質(zhì)邊坡穩(wěn)定的影響。后來學(xué)者常建梅等[2]采用張拉和Mohr-Coulomb剪切的復(fù)合破壞準(zhǔn)則對垂直邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析,進(jìn)一步豐富了該理論在評價(jià)邊坡穩(wěn)定上的應(yīng)用。Mohr-Coulomb準(zhǔn)則的缺陷是無法體現(xiàn)巖土體的非線性特征[3]。隨著分析邊坡穩(wěn)定理論的成熟,評價(jià)方法按原理不同可分為定性分析法、定量分析法[4],定性分析法主要有自然歷史分析法、工程類比法等；定量分析法主要是數(shù)值分析法、極限平衡法[5]。

極限平衡法需要進(jìn)行大量假定,忽視了土體與支護(hù)之間的關(guān)系?；跇O限平衡法的Slide軟件包含有Bishop、Spencer、GLE/Morgenstern-Price等多種分析方法[6],有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)極限平衡計(jì)算法的不足。本文主要使用Slide來計(jì)算邊坡在不同工況下的穩(wěn)定性系數(shù)。

1 邊坡特征概況

南京牛首山體側(cè)的滑坡位于江寧區(qū)秣陵街道牛首山風(fēng)景區(qū)內(nèi)的牛首山主峰南麓,其東側(cè)為寧丹路,西側(cè)為牛首大道,位于佛頂宮東南側(cè)、天闕路東側(cè)?；麦w南北長260.5 m,東西寬101.8 m,滑坡面積為21 535 m2,標(biāo)高為64.5～138.5 m,勘查資料顯示滑坡體呈近似東西兩側(cè)薄、中間厚的楔形體形狀,其厚度6～26.3 m,體積約39.9萬m3,為多級滑動,滑坡區(qū)滑坡體主滑方向約東南向161°?；麦w特征如圖1所示。

圖1 牛首山滑坡
Fig.1 Niushou mountain landslide

利用傳遞系數(shù)法分別計(jì)算自然邊坡各個(gè)剖面上滑動帶頂、底面的穩(wěn)定系數(shù),并求取平均值，得到滑動帶頂面在天然工況下的穩(wěn)定系數(shù)為1.35,暴雨工況下的穩(wěn)定系數(shù)為1.10；滑動帶底面在天然工況下的穩(wěn)定系數(shù)為1.35,暴雨工況下的穩(wěn)定系數(shù)為1.02。本文選取該滑坡的1-1′剖面作為研究對象。

2 模型建立及參數(shù)選取

2.1 天然邊坡模型的建立及參數(shù)選取

在使用Slide邊坡軟件分析邊坡穩(wěn)定性前,應(yīng)先建立一個(gè)概念模型，如圖2所示。

圖2 牛首山某滑坡概念模型
Fig.2 Conceptual model of a landslide in Niushou Mountain

根據(jù)工程測繪報(bào)告和實(shí)際勘察資料選取各個(gè)地層巖土體的參數(shù)，如表1所示。

表1 自然邊坡各巖土層參數(shù)一覽表Table 1 List of parameters of rock and soil layers in natural slope

將地下水位以及上部建筑、平臺、道路等帶來的荷載均考慮進(jìn)該模型之中，根據(jù)圖2建立的概念模型,以及選取合適的參數(shù)建立如圖3所示的自然邊坡模型。

2.2 加固邊坡模型的建立及參數(shù)選取

利用AutoCAD建立加固邊坡概念模型，如圖4所示。

根據(jù)工程勘察資料顯示,前期支護(hù)相關(guān)參數(shù)如表2所示。

圖3 自然邊坡模型
Fig.3 Natural slope model

圖4 加固邊坡概念模型
Fig.4 Conceptual model of reinforced slope

表2 防護(hù)措施的部分參數(shù)Table 2 Partial parameters of protective measures

本文主要對采取應(yīng)急治理后已有滑面在天然工況和暴雨工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行分析,將滑面均處理成折線形滑面。根據(jù)該滑坡區(qū)的水文地質(zhì)特征以及現(xiàn)場監(jiān)測的水位,各巖土層在暴雨工況下的密度應(yīng)取飽和密度,詳見表3。

表3 加固邊坡各巖土層的密度取值表Table 3 Density values of rock and soil layers in reinforced slope

天然工況下滑帶的抗剪強(qiáng)度取值應(yīng)參照表4“天然”數(shù)值欄,同理,暴雨工況下滑帶的抗剪強(qiáng)度取值應(yīng)參照表4“飽和”數(shù)值欄。

表4 滑動帶土抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)參數(shù)一覽表Table 4 List of design parameters of shear strength of sliding zone soil

建立的加固邊坡模型如圖5所示。

圖5 加固邊坡模型
Fig.5 Reinforcement slope model

3 邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 自然邊坡穩(wěn)定性分析

參考相關(guān)規(guī)范的要求(如表5所示),選取合適的安全系數(shù)進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析。

表5 各種工況下荷載組合及抗滑安全系數(shù)選取Table 5 Selection of load combination and anti-sliding safety factor under various working conditions

針對天然工況下的邊坡,取安全系數(shù)為1.35,過濾滑面得到該狀態(tài)下所有穩(wěn)定系數(shù)<1.35的滑面,如圖6-(a)所示；取暴雨工況下的安全系數(shù)為1.20,得到所有穩(wěn)定系數(shù)<1.20的滑面,如圖6-(b)所示。

由圖6可知,牛首山邊坡發(fā)生滑動且不滿足規(guī)范給出的天然及暴雨工況下的安全系數(shù)的位置主要分布在邊坡體中部,這些滑動面主要存在于填土、含碎石粉質(zhì)粘土、全風(fēng)化凝灰?guī)r中。推薦采用在建筑物底部設(shè)置錨拉抗滑樁,在建筑物上部坡面布置預(yù)應(yīng)力錨索框架梁等加固措施。

圖6 加固邊坡穩(wěn)定性分析
Fig.6 Stability analysis of reinforced slope

3.2 加固邊坡穩(wěn)定性分析

3.2.1天然工況

采用畢肖普法得到滑動帶頂、底面上部巖體的穩(wěn)定性分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7 天然工況下加固邊坡滑動帶頂、底面上部坡體穩(wěn)定性分析
Fig.7 Stability analysis of top and bottom rocks of reinforced slope under natural condition

利用Bishop法、Janbu法、Spencer法三種計(jì)算方法得到滑動帶頂、底面上部坡體穩(wěn)定性系數(shù)(表6)。

表6 加固邊坡滑動帶頂、底面上部巖體穩(wěn)定系數(shù)表Table 6 Stability coefficients of rock mass on top and bottom surfaces of sliding zone of reinforced slope

根據(jù)表5,取天然工況的工程穩(wěn)定性系數(shù)為1.35,分析表6可知,滑動帶頂、底面上部巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定系數(shù)平均值分別為3.575、2.597,均大于規(guī)范取值,說明滑動帶頂、底面上部的巖體均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2.2暴雨工況

根據(jù)表5,選取暴雨工況下邊坡的安全系數(shù)為1.20,采用畢肖普法分別對滑動帶的頂、底面上部的巖體進(jìn)行穩(wěn)定性分析，結(jié)果如圖8所示。

圖8 暴雨工況下加固邊坡滑動帶頂、底面上部坡體穩(wěn)定性分析
Fig.8 Stability analysis of top and bottom rocks of reinforced slope under rainstorm conditions

對比采用三種計(jì)算方法獲得邊坡模型的穩(wěn)定系數(shù)平均值,結(jié)果如表7所示。

表7 治理后暴雨邊坡滑動帶頂、底面上部巖體穩(wěn)定系數(shù)表Table 7 Stability coefficients table of rock mass at the top and bottom surfaces of sliding zone of reinforced slope

由表7、圖8可知,進(jìn)行加固處理后的邊坡在暴雨工況下滑動帶頂、底面上部巖體的穩(wěn)定性系數(shù)分別為3.493、2.533,均大于安全系數(shù)1.20,表明滑動帶頂、底面上部巖體均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)論

(1) 采用極限平衡法獲取自然邊坡分別在天然和暴雨兩種工況下可能產(chǎn)生滑動的位置分布情況，結(jié)果表明：不穩(wěn)定的滑動面主要分布在坡體中部承受上部建筑物荷載的位置。需要對邊坡進(jìn)行局部加固,建議采用錨拉抗滑樁、預(yù)應(yīng)力錨索框架梁的加固措施。

(2) 利用極限平衡法分別對加固邊坡滑動帶的頂、底面上部巖體穩(wěn)定性進(jìn)行分析。通過計(jì)算分析得出,邊坡在天然工況下的滑動帶頂面上部巖體穩(wěn)定性系數(shù)為3.575,底面為2.597；暴雨工況下,滑動帶頂、底面上部巖體的穩(wěn)定性系數(shù)分別為3.493和2.533。表明滑動帶頂、底面上部巖體在天然和暴雨工況下均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(3) 依據(jù)處理措施,構(gòu)建考慮了加固措施的邊坡模型,對比分析自然邊坡和加固邊坡的穩(wěn)定情況,得到滑坡滑動帶頂、底面上部巖體的穩(wěn)定系數(shù)均大于規(guī)范取值,驗(yàn)證采取治理措施后能有效提高滑坡的穩(wěn)定性,滿足規(guī)范要求。