基于Midas-GTS的某高速公路堆積型滑坡治理前后穩(wěn)定性分析

吳旭彬，張 巍

(1. 深圳市龍崗地質(zhì)勘查局，廣東 深圳 518172；2. 深圳市巖土綜合勘察設(shè)計(jì)有限公司，廣東 深圳 518172)

近年來，在山陵高速公路建設(shè)中高邊坡和深挖路塹所占比例越來越大，不僅工程治理和后期維護(hù)費(fèi)用高，而且一旦發(fā)生滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害后造成的后果相當(dāng)嚴(yán)重。在山陵高速公路建設(shè)之初，針對高邊坡和深挖路塹關(guān)鍵控制工程，應(yīng)做好路基高邊坡穩(wěn)定性控制和防護(hù)措施，既可以保障高速公路運(yùn)行安全，同時(shí)降低了后期邊坡維護(hù)管養(yǎng)和治理費(fèi)用[1]。因此，必須重視高速公路邊坡治理方案設(shè)計(jì)階段穩(wěn)定性分析驗(yàn)證和防護(hù)技術(shù)的應(yīng)用研究。

基于以上認(rèn)識，以某高速公路滑坡體為研究對象，采用現(xiàn)場地質(zhì)勘查、變形監(jiān)測手段，揭示了滑坡體的結(jié)構(gòu)變形特征及穩(wěn)定性。王成湯[2-3]等開展錨索抗滑樁治理堆積型滑坡的試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究，印證了錨索抗滑樁治理滑坡效果，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用三維Midas-GTS有限元軟件數(shù)值模擬信息化手段，李鈾[4-6]等分別從滑坡體治理前后兩種工況條件下，滑坡體的水平位移、塑性區(qū)塑性應(yīng)力及穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行對比驗(yàn)證，探討了山陵高速公路堆積型滑坡體治理中信息化手段運(yùn)用。

1 滑坡概況

1.1 項(xiàng)目簡述

本項(xiàng)目滑坡體位于低山剝蝕丘陵地貌區(qū)，地形起伏較大，滑坡處于一處向西突出的山咀西南側(cè)，山體標(biāo)高128～232 m，高差約105 m，山體坡度30～50°，山體表部植被茂盛，山體坡度陡峻。坡面巖土體主要由坡積粉質(zhì)粘土、殘積砂質(zhì)粘土，全風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化混合巖、片麻巖、片巖等組成，坡體表部的巖土體較軟弱，在強(qiáng)降雨及持續(xù)降雨作用下易形成崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。滑坡體地質(zhì)災(zāi)害勘查和調(diào)查表明，該處山體滑坡地質(zhì)災(zāi)害處于臨滑變形狀態(tài)，滑坡體上的巖土體松散、軟弱，穩(wěn)定性極差；在連降暴雨的情況下，滑坡變形可能逐步加劇從而產(chǎn)生大規(guī)模劇烈滑動(dòng)破壞的危險(xiǎn)。

1.2 地層及構(gòu)造

根據(jù)綜合區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告資料，滑坡區(qū)出露地層主要為第四系殘坡積層及震旦系深變質(zhì)巖，大地構(gòu)造處于華南準(zhǔn)地臺湘桂贛粵褶皺系粵中拗褶束的中部，為廣從斷裂帶增城凸起和廣花凹陷的交接地段?；聟^(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造不甚發(fā)育，未見近晚期的大斷裂通過，滑坡區(qū)內(nèi)節(jié)理發(fā)育主要有下列三組：①、傾向150°，傾角35°，節(jié)理面平滑且極不規(guī)則，延伸長約1.5～5 m，密度1～3條/m，屬張力裂隙；②、傾向192°，傾角86°，節(jié)理面平直，延伸長約2～3 m，密度2～4條/m，屬剪裂隙；③、傾向100°，傾角90°，節(jié)理面平直，延伸長約2～5 m，密度2～3條/m，屬剪裂隙。

2 滑坡體的特征及穩(wěn)定性

2.1 滑坡體的分布形態(tài)

本項(xiàng)目滑坡體處于標(biāo)高204.87 m的低丘的西側(cè)坡腳地帶，山丘呈由南東向北西延伸，形成一道北西向的山脊，滑坡體位于山脊南西側(cè)的山坡上，坡腳標(biāo)高約128 m，相對高差約77 m。滑坡體所處山坡中下緩、上陡的凹形，下段坡度約25～30°，坡腳地段因受采石等開挖有多處高度8～10 m的陡坎；上段坡度約40～45°，坡面植被茂盛，滑坡周界清晰，后緣已形成貫通的弧形拉張裂縫，前緣在高速公路路面剪出，導(dǎo)致路面隆起，排水溝彎曲和溝壁破壞，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和測量，滑坡平面上近半圓形，主滑方向約250°，長約106 m，寬約70 m，滑坡區(qū)面積7 150 m2，滑坡體厚度10～15 m，滑坡體積約55 800 m3。

2.2 滑坡體的類別

根據(jù)鉆孔資料及現(xiàn)場調(diào)查，滑坡體主要由基巖風(fēng)化殼、殘坡積土等構(gòu)成，物質(zhì)組成主要為坡積碎石土、粉質(zhì)粘土，殘積砂質(zhì)粘性土和全風(fēng)化混合巖，并存在大量孤石，在鉆孔中均揭露大量的孤石，孤石塊度一般在1.0 m左右，在ZK5孔中揭露塊孤石塊度達(dá)4 m。土質(zhì)呈可硬塑狀態(tài)，全風(fēng)化巖已完成風(fēng)化呈堅(jiān)硬土狀，為極軟巖，孤石巖性為混合巖，風(fēng)化程度以中微風(fēng)化為主，屬較硬巖～堅(jiān)硬巖?；麦w內(nèi)粗細(xì)顆粒大小懸殊、分布不均，顆徑0.01～5.00 m，小的不到1 m3，大的有十多立方米，多呈棱角狀～次棱角狀，個(gè)別呈亞圓狀。根據(jù)滑坡體的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)形式，屬于堆積層(土質(zhì))滑坡。

2.3 滑坡體的形成機(jī)理

滑坡體形成了清晰滑坡后緣及周界、前緣剪出口位置清晰，同時(shí)坡體上出現(xiàn)不同程度的裂縫，局部地段出現(xiàn)次生的崩塌、滑坡等破壞現(xiàn)象，在滑坡體后緣裂縫處現(xiàn)場布設(shè)雷鋒觀測點(diǎn)，詳見滑坡體變形破壞裂縫觀測點(diǎn)及破壞跡象示意圖(如圖1)。通過現(xiàn)勘測分析得出滑坡宏觀變形破壞特征：滑坡后緣形成成貫通的弧形拉張裂縫，可見長度約120 m，裂縫寬約0.1～1.5 m，裂縫兩側(cè)錯(cuò)落約0.3～1.7 m，裂縫面粗糙，局部較光滑，可見擦痕。裂縫呈現(xiàn)由兩側(cè)向滑坡后緣頂部的變形破壞程度逐漸增加的特征，即裂縫的寬度、兩側(cè)錯(cuò)落高差逐漸增大的趨勢，經(jīng)對裂縫不同段的調(diào)查和測量統(tǒng)計(jì)值，詳見表1滑坡裂縫觀測統(tǒng)計(jì)表，可反映出裂縫的特征。

圖1 滑坡體變形破壞裂縫觀測點(diǎn)及破壞跡象示意圖

表1 滑坡裂縫觀測統(tǒng)計(jì)表 cm

滑坡前緣剪出口地帶可見地面隆起和鼓出變形，高速公路向北一側(cè)的路面有30 m路面發(fā)生隆起，從現(xiàn)場觀察，最大降起高度達(dá)7 cm；同時(shí)路面東側(cè)安全防欄發(fā)生彎曲和向后傾倒的現(xiàn)象；排水溝受到擠壓變形而鼓出，內(nèi)側(cè)的斜面溝壁變?yōu)橹绷?，?nèi)、外側(cè)溝壁幾乎疊合在一起，溝壁產(chǎn)生橫向鼓張裂縫，裂縫長度約20 m，寬約3～5 cm，將漿砌塊石溝壁破壞?；虑熬壖舫瞿壳皟H出現(xiàn)在中軸附近，尚未形成貫通的剪出裂縫，前緣兩側(cè)以擠壓變形和卸荷變形為特征。

2.4 滑坡體的穩(wěn)定性判別

滑坡體災(zāi)害現(xiàn)場調(diào)查，并在滑坡體上布置了滑坡位移及沉降監(jiān)測，在滑坡體后緣裂縫兩側(cè)的兩均勻布設(shè)21個(gè)觀測點(diǎn)，詳見滑坡體監(jiān)測點(diǎn)分布圖(如圖2所示)，分別進(jìn)行首次觀測，隨后于第7 d、第14 d、第21 d、第28 d觀測各監(jiān)測點(diǎn)的位移量，通過對滑坡體進(jìn)行變形觀測，各監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)位移及沉降數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明滑坡體發(fā)生了深部位移，其相對孔底的最大位移達(dá)390～414.9 mm，可能存在一定的誤差。其余監(jiān)測點(diǎn)的最大位移在4.95～210 mm。各監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)位移及沉降數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)詳見表2。

圖2 滑坡體監(jiān)測點(diǎn)分布圖

表2 各監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)位移及沉降數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表 mm

根據(jù)滑坡體變形破壞跡象示意圖揭示，本項(xiàng)目滑坡體地質(zhì)災(zāi)害處于變形過程中，滑坡后緣變形明顯，變形量較大；同時(shí)結(jié)合工程類比和滑坡體變形監(jiān)測統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析得出，滑坡體的不同部位隨時(shí)間的變化均有不同程度的變形，且滑坡體后緣拉裂變形明顯，因此，滑坡體處于變形破壞的過程中。

3 有限元計(jì)算模型的建立

3.1 三維數(shù)值建模原理

在三維Midas-GTS有限元軟件建立模型時(shí)，巖土體的物理力學(xué)參數(shù)選取非常重要，不僅與巖土體本身物理化學(xué)特性有關(guān)，還與巖土體在所處的空間狀態(tài)和地質(zhì)構(gòu)造相關(guān)[7]。目前獲取邊坡巖土體力學(xué)參數(shù)主要依靠勘察、物探等技術(shù)手段，但受到技術(shù)方法、實(shí)驗(yàn)條件等影響，其數(shù)據(jù)與真實(shí)情況還存在一定誤差，則不能直接運(yùn)用到巖土體工程計(jì)算分析中[8]。

強(qiáng)度折減法主要理論是巖土體的本構(gòu)關(guān)系采用修正摩爾庫倫模型，將巖土體的抗剪指標(biāo)粘聚力和內(nèi)摩擦角除以折減系數(shù)FS,計(jì)算得出一個(gè)新的抗剪指標(biāo)粘聚力和內(nèi)摩擦角，通過強(qiáng)度折減法修正后的抗剪指標(biāo)參數(shù)代入滑坡體中穩(wěn)定性計(jì)算，通過不斷折減迭代計(jì)算得出滑坡體達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)穩(wěn)定性參數(shù)。何丙能[9-10]等也研究得出在理論體系上有限元強(qiáng)度折減法比極限平衡法更為嚴(yán)格，它充分考慮了滑坡巖土體的非均質(zhì)性和不連續(xù)性的特征，可以從巖土體的本構(gòu)關(guān)系分析滑坡體的變形和破壞機(jī)理。因此在針對復(fù)雜地形地貌的三維Midas-GTS有限元軟件邊坡建立模型時(shí)，目前比較普遍適用的強(qiáng)度折減法(SRM)求解邊坡的安全性系數(shù)、位移和應(yīng)力結(jié)果[11]。

3.2 建模尺寸

本文選取某高速公路K5+280～K5+300段滑坡體作為研究對象。模型建立中邊坡高度為77 m，分為五級放坡，1～3級邊坡坡率1∶0.6，4～5級邊坡坡率1∶2，選取邊坡長度16 m作為有限元三維模型。建立模型時(shí)考慮三維邊界尺寸效應(yīng)對模型計(jì)算結(jié)果影響，運(yùn)用三維Midas-GTS建立模型共劃分為33 407個(gè)結(jié)構(gòu)單元?；麦w斷面尺寸如圖3所示。

圖3 邊坡斷面圖(單位：m)

3.3 參數(shù)定義

巖土物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場條件和鉆探資料，并參考有關(guān)規(guī)范及地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，巖土體物理力學(xué)參數(shù)如表3所示。模型材料的選取，根據(jù)工程現(xiàn)場試驗(yàn)的資料，經(jīng)過簡化選取本計(jì)算模型的參數(shù)，材料屬性參數(shù)如表4所示。

表3 巖土體物理力學(xué)參數(shù)表

表4 材料屬性參數(shù)表

4 滑坡體治理前工況穩(wěn)定性分析

在綜合考慮滑坡體的分布形態(tài)和結(jié)構(gòu)變形特征情況下，選取某高速公路山體滑坡的2-2地質(zhì)剖面進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，建立滑坡體三維有限元模型，同時(shí)考慮滑坡

面上下巖土體相對滑動(dòng)情況，滑坡土層定義粘性土參數(shù)，滑坡面及以下分別定義為強(qiáng)風(fēng)化及中、微風(fēng)化混合巖參數(shù)。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況和工程需要，在天然工況條件下進(jìn)行Midas-GTS滑坡體工況分析(SRM)時(shí)，通過模擬計(jì)算得出以下結(jié)論：滑坡體的最大位移值為42.9 cm，與實(shí)測最大位移值41.5 cm基本接近，且最大位移值分布與實(shí)際滑坡體基本一致，說明滑坡體在自然工況條件下模擬計(jì)算基本與實(shí)際情況相符合；滑坡體塑性區(qū)塑性應(yīng)變隨著坡頂向下形成“弧形”分布的滑動(dòng)面，滑坡體的穩(wěn)定安全系數(shù)Fs=0.96小于規(guī)范要求的Fs=1.35，說明滑坡體已滑動(dòng)變形中。如圖4、5所示。

圖4 滑坡體治理前工況條件下位移云圖(Fs=0.96)

圖5 滑坡體治理前工況條件下剪應(yīng)變云圖(Fs=0.96)

5 滑坡體治理后工況穩(wěn)定性分析

5.1 滑坡體治理方案

通過現(xiàn)場勘查，影響本項(xiàng)目滑坡體穩(wěn)定性的因素包括低強(qiáng)度的邊坡巖土體、高陡的山坡和雨季連降暴雨等，即對穩(wěn)定性差的滑坡地段進(jìn)行抗滑支擋或者采取削方減載及相應(yīng)的支護(hù)措施。

針對天然滑坡體工況條件下滑坡體變形穩(wěn)定性分析后，在達(dá)到設(shè)計(jì)要求的穩(wěn)定性安全系數(shù)時(shí)滑坡的剩余下滑力很大，按折線形滑動(dòng)面的滑坡體采用傳遞系數(shù)法隱式解計(jì)算得出，當(dāng)滑坡體達(dá)到設(shè)計(jì)工況(自重+地下水)時(shí)主滑軸的剩余下滑力為1 840 kN/m，若不進(jìn)行削坡減載，其支擋結(jié)構(gòu)規(guī)格將很大，配筋及施工將非常復(fù)雜，因此，對滑坡體采取削坡減載措施。將標(biāo)高145 m以上滑坡的土體削除，145 m以下至第二排抗滑樁板墻頂125 m標(biāo)高間的坡體分兩級削坡，各級坡面高度10 m，坡率1∶2.0，坡面采用錨索格構(gòu)梁治理護(hù)坡，錨索錨固段錨固在中、微風(fēng)化巖層中，從而避免產(chǎn)生新的滑坡，格間培土種植綠化，橫向修筑排水溝，保障山體排水暢通，避免地表雨水深入滑坡體增加滑坡的不穩(wěn)定性，坡面間的分別設(shè)置3～12 m寬平臺。對削坡后的滑坡體進(jìn)行驗(yàn)算，其剩余下滑力為232 kN/m，在滑坡體的中前緣段布設(shè)雙排抗滑樁支擋保障高速公路路基的安全。

綜合上述情況，結(jié)合滑坡治理工程經(jīng)驗(yàn)，本項(xiàng)目滑坡體地質(zhì)災(zāi)害治理工程確定采用的治理方案為：削坡減載+雙排抗滑樁支擋+格構(gòu)錨固。

5.2 滑坡體治理后工況建模

根據(jù)滑坡體治理設(shè)計(jì)方案建立三維模型時(shí)，應(yīng)按滑坡體實(shí)際狀態(tài)建模。建模時(shí)步驟分別為：滑坡體后緣拉裂縫處頂部開始削除后，在滑坡的后壁將形成一處高陡的裸露邊坡，對其后采用分臺階削坡，臺階坡面高度10 m，削坡坡率1∶0.6，共分為三級，坡面間形成165、175 m平臺，平臺寬3 m，為避免滑坡后壁邊坡形成次生的滑坡、崩塌地質(zhì)災(zāi)害，對坡面采用錨索格構(gòu)梁進(jìn)行治理。在削坡減載后滑坡主軸剩余下滑力為232 kN/m，根據(jù)滑坡變形破壞特征及地質(zhì)環(huán)境條件，分別在滑坡體前緣處設(shè)置兩排抗滑樁板墻。分級削坡處預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)采用長24 m的5束7φ5預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼絞線，自由段長度為7 m，施加預(yù)應(yīng)力250 kN，格構(gòu)梁設(shè)置為正方形邊長0.4 m；抗滑樁采用矩形1.5 m×2 m，長邊與坡向一致，樁芯距3 m，樁長約18 m，在模型編輯時(shí)錨索治理按植入式桁架單元上施加集中力模擬分析。

5.3 滑坡體治理后穩(wěn)定性分析

Midas-GTS三維有限元模型建立后，在進(jìn)行滑坡體治理后工況分析(SRM)時(shí)，計(jì)算結(jié)果分析得出：

1)滑坡體治理后工況條件下經(jīng)過模擬計(jì)算得出結(jié)論：滑坡體最大水平位移量2.4 cm，與實(shí)測最大水平位移值1.9 cm相接近，且最大位移量分布在坡頂，滑坡體前緣位移量明顯變小，說明采用“削坡減載+雙排抗滑樁支擋+格構(gòu)錨固”治理滑坡體變形位移起到有效控制作用。

2)滑坡體治理后工況條件下，塑性區(qū)塑性應(yīng)變圖如圖6、7所示，塑性區(qū)塑性應(yīng)變云區(qū)域范圍縮小至坡頂局部，說明滑坡體塑性區(qū)塑性應(yīng)變逐漸變小，且邊坡安全系數(shù)值FS=2.0，遠(yuǎn)大于規(guī)范FS=1.3要求，滑坡體的治理效果明顯。

圖6 滑坡體治理后工況條件下位移云圖(Fs=2.0)

圖7 滑坡體治理后工況條件下剪應(yīng)變云圖(Fs=2.0)

5.4 滑坡體治理后監(jiān)測

滑坡體治理完工后，通過2年運(yùn)營監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：滑坡體治理后坡體及高速公路路段布置的水平、垂直位移及深層位移監(jiān)測點(diǎn)，其累計(jì)水平位移值2.0 cm、沉降位移值0.9 cm，均符合規(guī)范要求。根據(jù)監(jiān)測資料分析得出，本項(xiàng)目滑坡體在不同部位變形均在安全可控范圍，說明滑坡體地質(zhì)災(zāi)害隱患已消除，如圖8滑坡體治理完工后的全圖(竣工2年后)。

圖8 滑坡體治理施工后的全圖(竣工2年后)

6 結(jié) 語

1)以現(xiàn)場勘查資料為依據(jù)，揭示滑坡體的分布形態(tài)、類別及形成機(jī)理，通過現(xiàn)場布置監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測滑坡體變形特征，結(jié)合工程類比法和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行深入研究，得出堆積型滑坡體的變形破壞發(fā)展趨勢，并判定了滑坡體的不穩(wěn)定性。

2)滑坡體在自然工況條件下模擬分析得出，水平方向最大位移量為42.9 cm，塑性區(qū)塑性應(yīng)變范圍較大。通過現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)在自然工況條件下，坡體已出現(xiàn)明顯拉裂縫在不斷擴(kuò)大，實(shí)測水平位移值為41.5 cm與模擬計(jì)算結(jié)束相接近，且強(qiáng)度折減法(SRM)模擬計(jì)算后的滑坡體安全系數(shù)為Fs=0.96小于規(guī)范要求的Fs=1.35，滑坡體正處于滑動(dòng)變形中，應(yīng)盡快進(jìn)行應(yīng)急治理。

3)滑坡體在治理后工況條件下模擬分析得出，最大水平位移量2.4 cm與實(shí)測值相接近，塑性區(qū)塑性應(yīng)變范圍與自然工況下明顯減小，且強(qiáng)度折減法(SRM)模擬計(jì)算后的滑坡體安全系數(shù)為Fs=2.0大于規(guī)范要求的Fs=1.35，滑坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)。針對堆積型滑坡體選擇治理方案時(shí)，通過現(xiàn)場勘查與數(shù)值模擬相結(jié)合方法判別滑坡體滑動(dòng)帶，為設(shè)置抗滑樁及錨索加固治理滑坡體提供依據(jù)；同時(shí)滑坡體治理施工后運(yùn)營監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，滑坡體治理后處于穩(wěn)定狀態(tài)，說明采用“削坡減載+雙排抗滑樁支擋+格構(gòu)錨固”治理滑坡體能有效控制變形，隱患已消除。

4)針對高速公路滑坡體治理工程，應(yīng)加強(qiáng)邊坡治理信息化手段應(yīng)用。通過Midas-GTS三維有限元建模與滑坡體治理方案、施工和運(yùn)營變形監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，驗(yàn)證Midas-GTS三維有限元建模運(yùn)用于邊坡治理方案可靠性，為類似滑坡治理工程運(yùn)用信息化手段驗(yàn)證治理方案的效果提供參考。