某深厚填土邊坡變形特征及防治分析

張 健 張立偉

(1.中國電建集團(tuán)河北省電力勘測設(shè)計研究院有限公司,河北石家莊 050031；2.河北建設(shè)勘察研究院有限公司,河北石家莊 050031)

0 引言

山區(qū)的工程建設(shè)中，為滿足場地建設(shè)條件，通常須進(jìn)行深挖高填，形成高度幾米至數(shù)十米的填方邊坡，由于填方體本身具有不均勻性，并且土體力學(xué)性質(zhì)較差、自重固結(jié)尚未完成，坡頂加載導(dǎo)致坡頂產(chǎn)生張應(yīng)力，巖土體受到反復(fù)的降雨、加載條件影響，巖土強(qiáng)度進(jìn)一步降低，導(dǎo)致邊坡內(nèi)部產(chǎn)生軟弱結(jié)構(gòu)面，發(fā)展為滑坡；當(dāng)填方本身處于欠固結(jié)狀態(tài)，在自重及其荷載的影響下，還會導(dǎo)致填方體本身固結(jié)變形，嚴(yán)重影響坡體的安全。因此，填土邊坡的變形及穩(wěn)定性問題已成為山區(qū)建設(shè)的一個難題[1-5]。

本文通過勘探及物探查明了邊坡填土分布，根據(jù)邊坡變形情況，選擇了適當(dāng)?shù)倪吰聨r土體參數(shù)，并通過力學(xué)計算及數(shù)值分析對該填土邊坡的穩(wěn)定性及其發(fā)展趨勢進(jìn)行了評價。結(jié)合后期監(jiān)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了邊坡評價的結(jié)論，對于相同或類似工程具有重要的借鑒意義。

1 工程概況

研究區(qū)填方邊坡高度約30～40 m，延展情況為“L”型邊坡，邊坡西側(cè)高約30 m，坡比1∶1.35～1∶1.85，北側(cè)高33～40 m，坡比1∶1.35～1∶1.5(見圖1)。坡頂廠區(qū)運(yùn)行約1年后，在邊坡坡頂?shù)缆芳敖?構(gòu))筑物中發(fā)現(xiàn)一系列的裂縫，道路開裂、墻體裂縫十分明顯，給廠區(qū)的安全運(yùn)營帶來很大的威脅(1)河北建設(shè)勘察研究院有限公司.原料邊坡地質(zhì)災(zāi)害項目[R].2018.。

圖1 邊坡衛(wèi)星圖

2 填土邊坡變形基本特征

2.1 地層結(jié)構(gòu)及填土分布

根據(jù)鉆探結(jié)果，場區(qū)揭露地層主要為夯實(shí)填土、②層黃土狀粉土及③層第四系卵石，填土主要為①層填土、①1層夯實(shí)填土(碎石)、①2層夯實(shí)填土(黃土)，坡體典型的地層結(jié)構(gòu)為①—①1—①2—③型、①—①1—③型、①—①1—②型，見圖2—圖4。

圖2 ①—①1—①2—③型

圖3 ①—①1—③型

圖4 ①—①1—②型

2.2 水文地質(zhì)條件

地下水主要分布于原料邊坡北側(cè)坡腳處，比較連續(xù)，根據(jù)場地鉆孔內(nèi)水位測量結(jié)果，坡腳處地下水穩(wěn)定水位埋深為1.2～3.7 m，地下水類型屬潛水，勘察范圍坡體無地下水。

3 邊坡變形特征及機(jī)理分析

3.1 邊坡的變形特征

結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果分析，考慮地層組合及地形地貌的影響，邊坡變形存在沉降、拉裂和剪切變形作用，經(jīng)分析存在3個不穩(wěn)定邊坡，分別為1#、2#、3#不穩(wěn)定邊坡。

1#不穩(wěn)定邊坡位于邊坡東北側(cè)，地質(zhì)結(jié)構(gòu)屬于①—①1—②型，邊坡走向約262°，邊坡傾向352°，邊坡整體坡角34°～36°，沿坡向水平最大距離78 m，寬117.5 m，相對高差27.3～29.0 m，坡頂發(fā)育一系列拉張裂縫及下錯裂縫，整體來看，裂縫長度43～72 m不等，裂縫寬1.5～4.5 cm，局部裂縫有下錯現(xiàn)象，下錯高度一般0.5～3.0 cm，裂縫走向基本上與邊坡走向平行，有下錯現(xiàn)象，距坡頂4～30 m，見圖5。

圖5 1#不穩(wěn)定邊坡裂縫

2#不穩(wěn)定邊坡位于邊坡西北角，地層結(jié)構(gòu)屬于①—①1—①2—③型，兩側(cè)臨空，邊坡北側(cè)走向約262°，西側(cè)走向約180°，邊坡整體坡角34°～37°，相對高差31.8～32 m，北側(cè)裂縫顯示，坡體向北位移2 cm，西側(cè)裂縫顯示坡體中部向西錯動4.5 cm，坡頂西側(cè)擋墻出現(xiàn)大面積裂縫，見圖6。

3#異常區(qū)位于邊坡西側(cè)，地質(zhì)結(jié)構(gòu)屬于①—①1—②型，在原地形低洼處填方形成，邊坡走向約180°，邊坡整體坡角約30°，相對高差29.6～30 m，兩側(cè)拉裂縫均位于填土與原土的邊界處，典型裂縫見圖7，呈羽狀排列，沉降變形后形成凹型坡面，路面發(fā)生彎曲變形。

圖6 2#不穩(wěn)定邊坡裂縫

圖7 3#不穩(wěn)定邊坡裂縫

3.2 邊坡變形的分布

根據(jù)鉆探及物探結(jié)果，結(jié)合原始地形，采用surfer軟件生成原地貌形態(tài)見圖8，填方后地貌見圖9。通過形成三維的變形分區(qū)圖及三維填方模型，對比變形區(qū)及填方區(qū)的分布，結(jié)果表明變形區(qū)空間分布與深厚的填方體中，兩者具有明顯的相關(guān)性，深度大、平面分布面積大的填方區(qū)域，邊坡變形及建筑病害愈嚴(yán)重。

圖8 填方前地貌圖

圖9 填方后深厚填土分布圖

3.3 邊坡變形發(fā)展機(jī)理

1#及2#不穩(wěn)定邊坡區(qū)域原地貌為深切溝谷，坡體填方物質(zhì)由強(qiáng)風(fēng)化和中等風(fēng)化巖塊及黃土狀粉土組成，為機(jī)械回填并經(jīng)夯實(shí)處理，碎石土顆粒較粗，分選差，其縱向均勻性差別較大，而且透水性較強(qiáng)，易于大氣降雨滲入，利于邊坡在重力作用下持續(xù)變形，在車輛荷載的反復(fù)加卸載作用及自身重力的作用下，產(chǎn)生較大的沉降變形；兩側(cè)填土與原土接觸面較陡，加上高陡地形及臨空面，在無側(cè)限的條件下，引起坡頂應(yīng)力的重分布和應(yīng)力集中現(xiàn)象，坡頂產(chǎn)生了較明顯的水平位移，邊坡的變形破壞模式為推移式變形，且具有多級次變形破壞跡象[6]，見圖10。

圖10 1#不穩(wěn)定邊坡潛在破裂面分析

3#不穩(wěn)定邊坡持力層一側(cè)為夯實(shí)填土，另一側(cè)為原土，由于夯實(shí)填土年代較近，坡體內(nèi)存在①層填土，該土層壓縮性中等，②層黃土狀粉土，中等濕陷，在遇水及荷載作用下產(chǎn)生不同程度的不均勻沉降，導(dǎo)致邊坡變形。

4 邊坡穩(wěn)定性評價

4.1 參數(shù)選取

邊坡物質(zhì)以碎石土和塊狀碎石土為主，參照現(xiàn)場大重度試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合土工試驗(yàn)及鉆探、物探異常，綜合確定巖土參數(shù)；基于現(xiàn)場對具體邊坡穩(wěn)定性的定性判斷結(jié)果，對抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行反算，最終確定的巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)如表1所示。

表1 巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)表

4.2 極限平衡法

由于異常區(qū)主要沿碎石填土內(nèi)部呈圓弧滑動，參照《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330—2013)規(guī)定，采用畢肖普法進(jìn)行穩(wěn)定性評價，邊坡安全等級為一級。

1#：在天然工況下，穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.183～1.447，基本穩(wěn)定—穩(wěn)定；暴雨工況下，穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.058～1.305，基本穩(wěn)定—穩(wěn)定；地震工況下，穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.060～1.180，基本穩(wěn)定—穩(wěn)定。

2#：在天然工況下，穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.344～1.497，基本穩(wěn)定—穩(wěn)定；暴雨工況下，穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.158～1.199，基本穩(wěn)定—穩(wěn)定；地震工況下，穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.129～1.196，基本穩(wěn)定—穩(wěn)定。

3#：在天然工況下，穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.405～1.753，穩(wěn)定；暴雨工況下，穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.228，基本穩(wěn)定；地震工況下，穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.237，穩(wěn)定。

綜上，1#不穩(wěn)定邊坡及2#不穩(wěn)定邊坡，在天然工況、暴雨工況及地震工況，基本穩(wěn)定—穩(wěn)定，3#不穩(wěn)定邊坡，現(xiàn)狀整體穩(wěn)定性滿足要求[7-8]。

4.3 有限元法

采用Midas GTS NX有限元數(shù)值模擬軟件，分別建立1#、2#、3#異常區(qū)三維模型，基于軟件內(nèi)置的邊坡有限元強(qiáng)度折減法(SRM)，模擬邊坡的變形、塑性區(qū)與應(yīng)力場。各巖土層采用一般彈塑性行為分析的摩爾-庫侖模型。

(1) 1#不穩(wěn)定邊坡

在原填方溝谷區(qū)域即1#不穩(wěn)定邊坡，坡體發(fā)生變形量為數(shù)厘米(見圖11)。

圖11 1#不穩(wěn)定邊坡總位移分布圖

由于自重及車輛荷載的作用，坡頂及坡面位移的分布表現(xiàn)為近坡面處位移最大，遠(yuǎn)離坡頂區(qū)域位移逐漸減小，坡頂位移分布主要集中在坡頂區(qū)域及平臺區(qū)域，該處地勢較為平坦，自重應(yīng)力分布較為均勻，產(chǎn)生在自重及車輛荷載作用下的豎向變形。由于自重及車輛荷載的作用，坡頂及坡面位移主要分布在填方溝谷區(qū)，位移的大小與填方體相關(guān)性密切，受填方體厚度影響較大。

(2) 2#不穩(wěn)定邊坡

2#不穩(wěn)定邊坡位移的分布表現(xiàn)為變形的側(cè)向臨空變形(見圖12)。邊坡受其坡體結(jié)構(gòu)及臨空面的影響，表現(xiàn)為兩個變形區(qū)，變形較為明顯。

圖12 2#不穩(wěn)定邊坡總位移分布圖

5 防治方案建議及監(jiān)測

5.1 防治方案建議

根據(jù)現(xiàn)場定性分析及穩(wěn)定性數(shù)值分析，邊坡現(xiàn)狀基本穩(wěn)定—穩(wěn)定，邊坡穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求，但有一定的安全儲備，可不立即進(jìn)行邊坡治理，但邊坡變形仍存在繼續(xù)發(fā)展的跡象，應(yīng)立即對邊坡的變形和位移進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超出預(yù)警值，應(yīng)立即開展治理工作。

5.2 邊坡監(jiān)測

邊坡監(jiān)測時間始于2017年7月，監(jiān)測資料至2018年7月。分別對坡頂水平及豎向位移、裂縫位移進(jìn)行了監(jiān)測。

(1)坡頂水平及豎向位移監(jiān)測

坡頂水平及豎向位移監(jiān)測曲線見圖13、圖14。從曲線可以得出，坡頂各監(jiān)測點(diǎn)位移變化規(guī)律基本相同，主要特征有：

圖13 坡頂水平位移監(jiān)測曲線

圖14 坡頂豎向位移監(jiān)測曲線

①各豎直位移監(jiān)測點(diǎn)最大累計變化量均以下降為主，變化范圍為12.4～29.4 mm。

②各水平位移監(jiān)測點(diǎn)變化均為向坡外位移，變化范圍為8.4～26.8 mm。

③在整個監(jiān)測過程中，變形在2017年10月以后趨于穩(wěn)定，變化率較大的時間集中在7月—10月。

④雨季變形較大，建議繼續(xù)觀測。

(2)裂縫位移監(jiān)測

各裂縫位移監(jiān)測點(diǎn)的詳細(xì)變形見圖15。

裂縫位移變化規(guī)律基本相同，主要特征有：

①位移測點(diǎn)最終變化均以拉開為主，范圍為8.0～23.4 mm。

②在整個監(jiān)測過程中各點(diǎn)雖然出現(xiàn)上下波動現(xiàn)象，但各點(diǎn)均未出現(xiàn)報警。

③變形在10月以后于穩(wěn)定。

④建議繼續(xù)觀測。

圖15 裂縫位移監(jiān)測曲線

6 結(jié)論

本工程采用了系統(tǒng)、綜合的勘察手段評價了邊坡變形特征及破壞機(jī)理，采用多種定性、定量的方法評價了邊坡的穩(wěn)定性，從監(jiān)測結(jié)果上看邊坡變形較為穩(wěn)定。

(1)通過綜合的勘察手段，查明了填土主要分布在邊坡的西北側(cè)、北側(cè)中部及東北側(cè)。

(2)通過地質(zhì)過程分析，從裂縫形成演變的角度結(jié)合邊坡的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，分析了病害形成主要因素為高陡的地形、較厚的填方體、不利的地層接觸關(guān)系及持續(xù)的車輛荷載；邊坡變形主要表現(xiàn)為多滑面的推動式變形及建筑物的不均勻沉降，坡體處于蠕動變形階段。

(3)通過定性、定量評價的方法，建立三維地質(zhì)模型，基于可靠的巖土參數(shù)，結(jié)合邊坡破壞的基本模式，采用極限平衡法和數(shù)值模擬，進(jìn)行了變形區(qū)穩(wěn)定性評價，得出1#、2#不穩(wěn)定邊坡基本穩(wěn)定，3#不穩(wěn)定邊坡表現(xiàn)為不均勻沉降的結(jié)論。

(4)基于邊坡變形特征及穩(wěn)定性評價結(jié)果，提出了邊坡應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果采取進(jìn)一步的治理，根據(jù)近一年的監(jiān)測數(shù)據(jù)，邊坡變形趨勢減緩，各項指標(biāo)均顯示正常，為廠區(qū)的生產(chǎn)提供了科學(xué)的防治建議。