粉質(zhì)黏土邊坡穩(wěn)定性分析及處置技術(shù)研究

楊波

摘 要：粉質(zhì)黏土在我國各個(gè)地區(qū)均有不同程度的分布，其中西北地區(qū)分布尤其廣泛。由于粉質(zhì)黏土特殊的構(gòu)成與化學(xué)成分，整體軟化程度較高，若遇到較大降水，極易發(fā)生坍塌事故。因此，加強(qiáng)對粉質(zhì)黏土的穩(wěn)定性研究顯得十分重要。本文借鑒剛體的極限平衡理論相關(guān)方法，對我國北部地區(qū)的粉質(zhì)黏土邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，同時(shí)運(yùn)用FLAC 3D的數(shù)值模擬方法，在暴雨情景下進(jìn)行仿真分析。研究表明，一般情況下，粉質(zhì)黏土的穩(wěn)定性較高;但在暴雨情景下，尤其是長時(shí)間遭受水流沖擊時(shí)，黏土的抗剪能力減弱，邊坡穩(wěn)定性明顯下降，滑坡風(fēng)險(xiǎn)明顯上升。最后針對這類問題提出了整改措施。

關(guān)鍵詞：粉質(zhì)黏土;穩(wěn)定性分析;極限平衡法;加固方法

中圖分類號：TU43文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）31-0110-03

Stability Analysis and Treatment Technology Research of Silty Clay Slope

YANG Bo

（Zhejiang Huadong Construction Engineering Co.， Ltd.， Hangzhou Zhejiang 310000）

Abstract： Silty clay is widely distributed in my country， with varying degrees of distribution in various regions， especially in Northwest China. Due to the special composition and chemical composition of silty clay， the overall softening degree is relatively high. If it encounters heavy rainfall ， IT is very prone to collapse accidents， so it is very important to study the stability of silty clay. This paper draws on the relevant methods of the limit equilibrium theory of rigid bodies to analyze the stability of silty cohesive slopes in northern my country， and at the same time uses FLAC3D numerical simulation methods to perform simulation analysis under heavy rain scenarios. Studies have shown that under normal circumstances， the stability of silty clay is relatively high. However， under heavy rain scenarios， especially after prolonged exposure to water currents， the shear resistance of the clay is weakened， the stability of the slope is significantly reduced， and the risk of landslides is significantly increased. In response to such problems， rectification measures have been proposed.

Keywords： silty clay;stability analysis;limit equilibrium method;reinforcement method

黏土的穩(wěn)定性分析是工程安全的一個(gè)重要研究課題，其中邊坡問題尤為重要，其穩(wěn)定程度對工程安全有著至關(guān)重要的影響[1-2]。地質(zhì)災(zāi)害尤其是山體滑坡對我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有巨大影響，同時(shí)也嚴(yán)重威脅人民群眾的生命安全，是工程部門重點(diǎn)防治的問題之一。因此，邊坡的穩(wěn)定性問題引起學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注[3-5]。

根據(jù)國家勘測局的權(quán)威認(rèn)定，粉質(zhì)黏土的主要成分有蒙脫石、伊利石和黏土礦物等，裂隙發(fā)育較為明顯，在干燥的氣候中表現(xiàn)為堅(jiān)硬質(zhì)地。一旦遇到強(qiáng)降雨天氣，由于其特殊的化學(xué)成分，極易軟化解體，因此在季風(fēng)帶季候地區(qū)，極易發(fā)生滑坡災(zāi)害現(xiàn)象，存在巨大的安全隱患[6]。

本文選取河南省西部地區(qū)某小型煤礦的粉質(zhì)黏土邊坡作為研究對象，運(yùn)用在工程中比較常用的極限平衡分析法，模擬在暴雨場景下的邊坡穩(wěn)定性，并采用差分法對模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，為該地區(qū)相似地質(zhì)條件下的粉質(zhì)黏土邊坡治理提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1 邊坡穩(wěn)定性案例分析

1.1 工程簡介

該項(xiàng)目為一個(gè)緩坡，坡高為15 m，寬為22 m，上層被粉質(zhì)黏土覆蓋，下層為花崗巖。對該礦區(qū)粉質(zhì)黏土成分進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn)：天然含水量較少，占比為18%～21%;干密度為1.9～2.1 g/cm³;濕密度為1.9～2.1 g/cm³;天然縫隙比為0.55～0.74;塑性指數(shù)為14～17;液性指數(shù)為0.1～0.4;內(nèi)聚力為60～90 kPa;內(nèi)摩擦角為5°～45°。具體外形如圖1所示。

1.2 干燥情況下的穩(wěn)定性分析

結(jié)合選取的粉質(zhì)黏土邊坡案例，本文使用CAD軟件建模，然后將模型導(dǎo)入SLIDE模型中，對滑坡體整體和局部進(jìn)行極限平衡計(jì)算，相對應(yīng)的安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表1所示。通過計(jì)算可知，在天然狀態(tài)下所得到的穩(wěn)定性結(jié)果雖不盡相同，但整體一致，所計(jì)算的平均值為1.705，表明該坡體整體穩(wěn)定性較高。這是因?yàn)橐话闱闆r下粉質(zhì)黏土的強(qiáng)度在遇水之前較強(qiáng)。同時(shí)，對滑坡體的局部進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，安全系數(shù)最小值出現(xiàn)在土層前沿處，為1.233。因此，綜合上述分析，在天然狀態(tài)下，滑坡體的邊坡穩(wěn)定性較高，不會出現(xiàn)滑坡事故。

1.3 暴雨情況下的穩(wěn)定性分析

本文模擬了在暴雨沖擊下的邊坡穩(wěn)定性。設(shè)置場景為1 m的水頭以載荷分布均勻的形式將水壓施加到干燥狀態(tài)下最危險(xiǎn)的滑坡體上。對邊坡的整體和局部進(jìn)行了極限平衡計(jì)算，具體計(jì)算結(jié)果如圖2所示，安全系數(shù)如表1所示。

2 邊坡數(shù)值模擬分析

一般情況下，粉質(zhì)黏土遇水后，力學(xué)結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，邊坡的穩(wěn)定性會下降。因此，本文對暴雨情況下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬。為了方便測算，對模型進(jìn)行簡化處理，使計(jì)算模型與剛體模型保持一致。考慮滑坡體的實(shí)際尺寸，本文選用的網(wǎng)格大小為0.2 m，共分為19 084個(gè)計(jì)算單元，計(jì)算模型如圖3所示。

本模型采用抗拉強(qiáng)度Mohr-Coulomb彈性模型，剪切和抗拉屈服準(zhǔn)則分別為：

f_s=σ₃-σ₁N_φ（1）

f_t=σ_t-σ₁（2）

N_φ=（1-sinφ）/（1+sinφ） （3）

式中：σ₁和σ₃分別為最大和最小應(yīng)力;φ為內(nèi)摩擦角;σ_t是巖石的抗拉強(qiáng)度;N_φ是與內(nèi)摩擦角有關(guān)的參數(shù)。

對滑坡體的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折算，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)模擬暴雨情況下的邊坡受力變形情況，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，邊坡出現(xiàn)了最大位移，且發(fā)生在土層前沿，位移量高達(dá)45 mm。在暴雨及滑坡體自重的作用下，粉質(zhì)黏土表現(xiàn)出下滑趨勢，同時(shí)帶動粘連區(qū)域移動，造成邊坡整體穩(wěn)定性下降。從塑形區(qū)域來看，由于整體貫通，雖然僅部分區(qū)域受到剪切破壞，但，滑坡體整體穩(wěn)定性受到一定波及，深層次坡體受影響程度較小。

通過數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，在暴雨情況下滑坡體發(fā)生了較大的塑性形變，邊坡的粉質(zhì)黏土層前沿容易發(fā)生局部失穩(wěn)，進(jìn)而導(dǎo)致邊坡下部失去支撐，帶動整體穩(wěn)定性下降，引發(fā)連鎖反應(yīng)，最后可能出現(xiàn)比較嚴(yán)重的塌方事故。因此，粉質(zhì)黏土邊坡的局部失穩(wěn)問題需要引起相關(guān)部門的足夠重視。

3 粉質(zhì)黏土邊坡處置措施

一般來說，滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生會造成嚴(yán)重的后果，因此需要對邊坡進(jìn)行相關(guān)處理。對于河南西部地區(qū)粉質(zhì)黏土邊坡，結(jié)合本文研究，提出以下防治方案措施。

3.1 降低地下水位

地下水位對滑坡的出現(xiàn)具有非常大的影響，地下水會逐漸軟化土層而使坡體的強(qiáng)度降低，繼而引發(fā)土體崩塌現(xiàn)象。地下水位越高，對邊坡穩(wěn)定性的影響就越大。另外，地下水軟化土體，還會增加邊坡土體的質(zhì)量，非常容易導(dǎo)致邊坡內(nèi)部發(fā)生剪切破壞。而降低地下水位，則可以減少此類現(xiàn)象，減少滑坡等災(zāi)害。

3.2 抗滑樁加固邊坡

由于降雨或人工排水都可能使粉質(zhì)黏土含水量增加，影響土體的剪切強(qiáng)度，引起遷移失穩(wěn)，因此對邊坡坡腳的處理尤為重要。一般可以在坡腳處設(shè)置多排抗滑樁。抗滑樁施工便捷、樁位布置靈活，并且可以很好地抵御坡體變形增加的荷載，將抗滑樁上部所受負(fù)荷轉(zhuǎn)移到下部土體，因此在實(shí)際邊坡加固工程中應(yīng)用比較普遍。

3.3 減少邊坡上部荷載

粉質(zhì)邊坡上部荷載過大，影響粉質(zhì)黏土邊坡的穩(wěn)定性。因此，可以對邊坡上部進(jìn)行適當(dāng)開挖以減少上部荷載。此外，還應(yīng)盡量避免和減少邊坡上的人工活動，以免增加邊坡上部的荷載而引發(fā)災(zāi)害。

3.4 設(shè)置防護(hù)網(wǎng)

由于外部因素對邊坡穩(wěn)定性的影響比較大，且具有不確定性，因此要及時(shí)清理邊坡上的多余負(fù)載。遇到降雪天氣，工作人員要及時(shí)清理邊坡上部的積雪，以免邊坡荷載過大而失穩(wěn)。另外可以在邊坡上設(shè)置一定的防護(hù)網(wǎng)，抑制邊坡的失穩(wěn)。

4 結(jié)語

從分析結(jié)果可以看出，該滑坡體在干燥情況下穩(wěn)定性較高，但在暴雨情況下穩(wěn)定性會急劇下降，極容易發(fā)生滑坡事故，這是由粉質(zhì)黏土獨(dú)特的物理特性決定的。針對河南的地質(zhì)構(gòu)造，可以從以下幾個(gè)方面開展邊坡加固工作。

①適當(dāng)降低地下水位。研究表明，地下水位過高是引起滑坡的一個(gè)重要因素。一方面是由于地下水極易軟化邊坡下部土層，使得坡體的強(qiáng)度受到較大影響，特別是粉質(zhì)黏土特殊的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其吸水后極易軟化;另一方面是粉質(zhì)黏土吸水后自重會增加，滑坡體整體抗剪能力減弱。

②由于邊坡失穩(wěn)是遷移式的，因此在實(shí)際治理中，需加強(qiáng)對坡腳的重點(diǎn)治理，如增加抗滑樁的數(shù)量，從而提高整體抗剪能力。

③可以適當(dāng)降低粉質(zhì)黏土層的高度，使滑坡體整體載荷降低，提高坡腳的抗剪能力，從而使滑坡體整體穩(wěn)定性得以提升。

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