南京市某牽引式滑坡穩(wěn)定性評價及處理措施研究

呂錦良， 孫少銳， 張紀星， 喻永祥， 何 偉， 宋京雷

（1.河海大學地球科學與工程學院，南京 211100； 2.江蘇省地質調查研究院，南京 210018）

牽引式土質滑坡上覆力學性質較差的雜填土層和粉質黏土層受連續(xù)降雨影響，土體抗剪強度降低，遇水后膨脹飽和，重度增大，土體內部受到靜水壓力，邊坡受到一個向著臨空面的側向推力作用，坡體極易沿著土巖交界面形成的貫通滑動面滑出，從而形成滑坡，因此研究坡體滑動機理［1-3］成了首要任務. 目前，國內外學者對邊坡穩(wěn)定性的研究方法主要集中于極限平衡法和數(shù)值分析法，自1955年Bishop［4］提出極限平衡法以來，經(jīng)過眾多學者［5-7］的不斷深入研究和修正，極限平衡法已成為一種分析邊坡穩(wěn)定性最為重要、有效的研究方法；數(shù)值模擬法［8-10］能重現(xiàn)邊坡變形破壞的變化過程. 這兩種方法日益完善，在邊坡穩(wěn)定性分析評價中被廣泛應用. 王少亭、江海龍［11］針對某個巖質邊坡，基于Slide分析了巖體結構面貫通形式、貫通率和傾角對巖質邊坡穩(wěn)定性的影響，得出結構面貫通性質對巖質邊坡穩(wěn)定性無明顯影響的結論. 劉勇［12］進行了大量的數(shù)值模擬及室內試驗，研究了非飽和土邊坡穩(wěn)定性是如何受雨水入滲影響，有效地預測了此類邊坡的穩(wěn)定性. 鄧東平、李亮［13］基于Mohr-Coulomb強度準則和邊坡滑動面法向應力計算模型，對計算時使用的各個參數(shù)進行合理假設，計算時滿足三維滑動體靜力平衡條件，由此得出了三維邊坡穩(wěn)定性的極限平衡法解答.Wang等［14］利用極限分析方法，針對非飽和土壤中水分含量的變化對土壤強度影響，提出了一種三維非飽和土樁邊坡穩(wěn)定性評價的新方法，有效預測了邊坡穩(wěn)定性. 提出了一種三維（3D）非飽和土樁邊坡穩(wěn)定性評價的新方法. 駱文進等［15］基于FLAC2D軟件，對某水利工程沿線易受降雨影響的黃土邊坡進行數(shù)值模擬，分析其穩(wěn)定性系數(shù)與降雨入滲深度和設計坡比的關系，得到了穩(wěn)定性系數(shù)與降雨入滲深度和坡比呈反比的結論.周元輔等［16］利用FLAC3D分析了珍珠壩邊坡的塑性區(qū)貫通判據(jù)及位移突變判據(jù)，得出了在三維邊坡穩(wěn)定性分析中的合理判據(jù). 羅堂、何超亮［17］基于強度折減有限元法，建立概化模型對邊坡穩(wěn)定性進行了分析，并通過考慮多種失穩(wěn)判據(jù)，更客觀地反映邊坡穩(wěn)定狀態(tài)，得出此方法可以較為準確地計算出邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的結論.黃星［18］以某典型邊坡為例，利用有限元法分析了地震水平、豎直作用以及兩者共同作用對坡體穩(wěn)定性的影響，提出了一種量化分析地震對邊坡穩(wěn)定性影響的方法. 柏樹豐［19］基于極限平衡法和強度折減法，結合目前常用的邊坡計算方法，研究了極限平衡法和強度折減法的基本原理和適用條件. 魏蕓、袁琳［20］針對設置不同數(shù)量抗滑樁的純巖土邊坡，對比分析了二維和三維強度折減法以及極限平衡法計算出的穩(wěn)定性系數(shù)，為復雜三維結構邊坡穩(wěn)定性計算提供了參考. 孫海軍［21］、劉冀［22］、杜紅等［23］基于FLAC3D數(shù)值軟件對土石混合體邊坡及巖質邊坡的穩(wěn)定性進行了分析，為此類邊坡失穩(wěn)破壞預警、預防和治理提供了一定的依據(jù).

本文根據(jù)詳細的現(xiàn)場調查資料，結合研究區(qū)內已發(fā)生的變形破壞特征，建立典型剖面模型，采用極限平衡法和有限元法綜合對比分析該邊坡在治理前后的穩(wěn)定性，驗證了治理措施的有效性.

1 工程概況

1.1 地質環(huán)境條件

研究區(qū)地貌類型為侵蝕堆積崗地，總體地勢西高東低. 該邊坡位于挹江門街道虎踞北路金源大廈南側的雨軒樓東側，緊鄰虎踞北路. 由于道路建設時進行了坡腳開挖，坡頂云軒樓的建筑荷載對坡體穩(wěn)定性不利，這些人類活動大大降低了坡體的穩(wěn)定性.

1.2 滑坡基本特征

坡體總體走向南北，坡向正東，坡長約78 m，坡面面積約2000 m2，坡腳高程+13.5～+14.7 m，坡頂最高處34.0 m，原始山體坡度20°～25°，大部分被人工改造. 坡體前緣陡立，采用樁墻及漿砌塊石擋墻加固，樁墻頂寬約1.5 m，最大高度約8～10 m；漿砌塊石擋墻寬約0.6 m，高約2～3 m. 滑坡坡頂為四層建筑（一層地下室）云軒樓，坡腳為虎踞北路人行道及車道（見圖1）. 滑坡坡面人工改造強烈，建有休閑步道、休息涼亭等設施.

圖1 研究區(qū)地質災害隱患點圖Fig.1 The geomorphology of geological hazard point

邊坡主要由雜填土、粉質黏土、黏土、強風化泥質砂巖4個工程地質層組成. 上覆土層厚度8～14 m，下部薄、上部厚. 綜合判斷潛在滑動面總體位于粉質黏土內部，主要呈圓弧形，剪出口位于坡腳附近.

根據(jù)現(xiàn)場調查，目前滑坡體已經(jīng)多處變形，包括樹木傾倒、臺階開裂、欄桿歪斜損壞，坡面局部有非常明顯的拉張裂縫，擋墻由于變形局部貼面石材鼓脹脫落（見圖2）. 以上已發(fā)生的破壞說明該處坡體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，加之坡體上排水不良，擋墻缺少排水孔，在降雨等因素影響下，坡體可能趨于不穩(wěn)定.

圖2 治理前地貌Fig.2 Pre-treatment landform

1.3 滑坡影響因素分析

1.3.1 地形地貌條件 地形地貌是影響滑坡形成的主要條件之一. 研究區(qū)內該邊坡由于人工削坡，坡面高且陡，具備較大的下滑力，為滑坡臨空面的形成提供了條件.

1.3.2 坡體地層結構和巖性特征 該滑坡屬于下蜀土滑坡，主要由雜填土、粉質黏土、黏土、強風化泥質砂巖4個工程地質層組成. 上覆土層厚度8～14 m，下部薄、上部厚；下蜀組粉質黏土一般可塑—硬塑，多具有一定的脹縮性，垂直裂隙發(fā)育，易引起雨水入滲和土體軟化. 同時土體在雨水滲入后強度大大降低，易于發(fā)生滑坡地質災害.

1.3.3 降雨作用 連續(xù)降雨是導致滑坡形成的主要因素. 根據(jù)初步研究結果，研究區(qū)年均降雨量1000～1200 mm，6、7月降雨最多. 邊坡上覆雜填土層和粉質黏土層受連續(xù)降雨影響，土體抗剪強度降低，易發(fā)生滑坡；其次雨水入滲增加了巖土體中靜水壓力，研究區(qū)下蜀組粉質黏土節(jié)理裂隙發(fā)育，降雨使裂隙含水量增大，并對裂隙產(chǎn)生靜水壓力，使斜坡受到一個向著臨空面的側向推力作用，誘發(fā)滑坡. 同時斜坡受地下水滲流潛蝕作用，土體結構被破壞，引發(fā)滑坡.

1.3.4 人類工程活動 研究區(qū)為山體崗地地貌，位于主城區(qū)內，受人類工程活動影響較大，建筑物不斷向山坡、崗頂甚至山頂發(fā)展，坡上加載現(xiàn)象較為普遍. 坡頂荷載加大了坡面荷載，也就加大了斜坡土體的下滑力. 另外斜坡開挖也是研究區(qū)內較普遍存在的現(xiàn)象. 斜坡開挖造成坡腳臨空，降低了抗滑力，很容易誘發(fā)滑坡，研究區(qū)內滑坡類型多為牽引式.

2 變形破壞機理

通過現(xiàn)場實地調查以及室內綜合分析可知，該滑坡為牽引式土質滑坡，坡體表面為力學性質較差的雜填土層和粉質黏土層，受降雨影響大，遇水后膨脹飽和，重度增大，土體內部受到靜水壓力，邊坡受到一個向著臨空面的側向推力作用，坡體易沿土巖交界面形成的貫通滑動面在坡腳剪出形成滑坡，滑坡體潛在滑動面為圓弧形.

3 治理前邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 穩(wěn)定性分析方法及計算模型

應用極限平衡法和有限元法對該邊坡進行穩(wěn)定性計算分析. 由于剖面2-2′上部荷載過大，且位于邊坡中部位置，受降雨入滲影響較大，極易發(fā)生滑動變形，因此主要計算2-2′剖面的穩(wěn)定性，剖面圖見圖3. 分別計算以下三種工況該剖面的穩(wěn)定性：①天然工況；②暴雨工況；③地震工況. 巖土體計算所需參數(shù)見表1，滑坡穩(wěn)定性狀態(tài)劃分標準見表2.

圖3 剖面2-2′Fig.3 The section 2-2′

表1 邊坡巖土物理力學參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of the slope rock and soil layers

表2 滑坡穩(wěn)定狀態(tài)劃分表Tab.2 Classification table of landslide stable state

3.2 邊坡極限平衡法計算分析

該滑坡屬于土質滑坡，計算滑動面呈圓弧形. 根據(jù)《滑坡防治工程勘查規(guī)范》（GB/T 32864—2016）13.4.2 條，可采用畢肖普法對剖面2-2′在三種不同工況下進行穩(wěn)定性評價，同時用Janbu法和Spencer法進行校核. 畢肖普法計算所得三種工況下潛在滑動面如圖4所示，其余兩種方法與之一致. 極限平衡法計算得出穩(wěn)定性系數(shù)見表3.

圖4 治理前邊坡的穩(wěn)定性Fig.4 Stability of the slope before treatment

表3 治理前極限平衡法計算結果Tab.3 Calculation result of limit equilibrium method before treatment

3.3 邊坡有限元法計算分析

利用有限差分軟件FLAC3D對剖面2-2′在三種不同工況下進行穩(wěn)定性評價，設定模型邊界條件，建立2-2′剖面模型如圖5所示，巖土體計算所需參數(shù)見表1.

圖5 治理前邊坡數(shù)值模型Fig.5 Numerical model of slope before treatment

在此基礎上，分別展開天然、地震及暴雨三種工況下該邊坡的穩(wěn)定性分析. 安全系數(shù)是通過強度折減系數(shù)法［24-25］計算得出，與極限平衡法計算方式不同，強度折減系數(shù)法計算時通過不斷降低邊坡的安全系數(shù)F，再將折減后的參數(shù)帶入模型進行重復計算，直到模型達到極限狀態(tài)發(fā)生破壞，此時發(fā)生破壞前計算所得的值就是該邊坡的安全系數(shù)F. 邊坡計算所得穩(wěn)定性系數(shù)及X方向位移云圖如圖6所示，塑性區(qū)分布如圖7所示，數(shù)值計算結果見表4.

圖6 治理前邊坡數(shù)值計算結果Fig.6 Numerical calculation results of slope before treatment

從邊坡在X軸方向位移來分析坡體穩(wěn)定性. 邊坡數(shù)值模擬計算結果圖（圖6）包括穩(wěn)定性系數(shù)與X軸位移云圖，對比分析可發(fā)現(xiàn)，三種工況下邊坡發(fā)生較大位移的部位基本相似，最危險滑動面均處在邊坡上覆雜填土厚度和坡度較大的部位，呈圓弧狀. 天然、地震、暴雨工況下坡體X方向最大位移分別為20.514、22.140、34.663 cm，后兩種工況下都相對于天然工況增大，且暴雨工況下較為明顯，穩(wěn)定性系數(shù)小于1，為不穩(wěn)定狀態(tài)，地震工況坡體滑動位移相對于天然工況增加不多. 天然、地震、暴雨三種工況計算所得穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.16、1.06、0.92，分別處于穩(wěn)定狀態(tài)、基本穩(wěn)定狀態(tài)和不穩(wěn)定狀態(tài). 暴雨是影響邊坡穩(wěn)定最大的因素，計算結果與極限平衡法一致.

圖7 邊坡塑性區(qū)分布圖Fig.7 Distribution map of slope plastic zone

從邊坡的塑性區(qū)分布來分析邊坡的穩(wěn)定性，從塑性區(qū)是否發(fā)生貫通現(xiàn)象來評價邊坡當前是否處于穩(wěn)定狀態(tài). 三種工況中，均只在滑坡坡度較大的部位產(chǎn)生小范圍的應變集中區(qū)，呈圓弧狀，說明易發(fā)生破壞的區(qū)域集中在滑坡坡度較大的部位. 在天然工況中，土體未經(jīng)擾動，其抗剪強度大，因此未形成貫通的拉張裂隙，基巖地層基本未形成塑性區(qū)，邊坡整體穩(wěn)定性未受明顯影響. 地震工況中，由于地震波的影響，邊坡受到一個水平方向的力，抗剪強度稍有減弱，塑性區(qū)整體面積變化不大，在坡腳處稍有增大，但仍未出現(xiàn)貫通現(xiàn)象，處于基本穩(wěn)定狀態(tài). 暴雨工況中，由于粉質黏土的力學性質受雨水入滲影響大，而邊坡上層均為粉質黏土，因此邊坡在暴雨工況下抗剪強度降低，在坡腳處發(fā)生剪切破壞，臨空面上產(chǎn)生較大的拉張破壞，此時邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài).

4 邊坡加固措施

考慮到降雨條件下該邊坡失穩(wěn)概率大，上覆雜填土和粉質黏土在雨水作用下極易發(fā)生位移，根據(jù)實地勘查得到的資料，結合研究區(qū)內已發(fā)生的變形破壞，包括滑坡體已經(jīng)多處變形，樹木傾倒、臺階開裂、欄桿歪斜損壞，坡面局部有非常明顯的拉張裂縫，擋墻由于變形局部貼面石材鼓脹脫落，采用錨拉抗滑樁［26］、擋土墻和截排水溝等措施對邊坡進行加固. 治理后設計剖面圖如圖8所示.

1）錨拉抗滑樁

抗滑樁為人工挖孔的圓形鋼筋混凝土樁，采用C30混凝土澆筑，主筋和箍筋采用HRB400鋼筋，樁長16 m，直徑1.6 m，間距3.0 m，在施工時采用跳樁開挖. 嵌固段應嵌入滑床中，約為樁長的1/3～2/5；樁頂用冠梁連接，可提高抗滑樁整體穩(wěn)定性；由于受到滑坡推力較大，采用錨拉樁結構更為經(jīng)濟合理.

表4 有限元法計算結果Tab.4 Calculation results of finite element method

圖8 設計剖面圖Fig.8 Design profile

2）擋土墻

用新建漿砌塊石擋土墻替代原有已破壞的擋墻，采用M10 漿砌塊石，塊石強度大于MU30. 墻頂標高20.7 m，擋土墻厚度1.2 m，墻背豎直，緊貼坡面，擋土墻埋深2.7 m，根據(jù)實際情況作適當調整，填土層不能作為持力層.

3）截排水

坡頂布設截水溝，采用C30鋼筋混凝土澆筑，矩形斷面寬1.0 m，深1.0 m，壁厚0.2 m. 在坡面上布設排水溝，采用同樣的鋼筋混凝土結構，矩形斷面寬0.5 m，深0.5 m，壁厚0.2 m，蓋板厚0.1 m. 坡體高擋墻外側設置一排泄水孔，采用長度2.0 m φ50PVC管，外包兩層細目紗網(wǎng)，朝上部分鉆φ10梅花孔，梅花形布置豎向、水平間距2 m.

5 治理后邊坡穩(wěn)定性分析

5.1 邊坡極限平衡法計算分析

如治理前一樣，采用畢肖普法對剖面2-2′在三種不同工況下進行穩(wěn)定性評價，同時用Janbu法和Spencer法進行校核. 畢肖普法計算所得三種工況下潛在滑動面如圖9所示，其余兩種方法與之一致. 極限平衡法計算得出穩(wěn)定性系數(shù)見表5.

圖9 治理后邊坡的穩(wěn)定性Fig.9 Stability of the slope after treatment

表5 治理后極限平衡法計算結果Tab.5 Calculation result of limit equilibrium method after treatment

由表5可看出，治理后的邊坡在三種工況下的穩(wěn)定性系數(shù)都顯著增大. 抗滑樁使得坡體的抗滑力大大提高. 新建的漿砌塊石擋土墻解決了臨空面潛在的危險. 截排水溝將雨水都引至邊坡下，大大減小了坡體上覆雜填土層和粉質黏土層受降雨的影響. 這些治理措施切實有效，邊坡從滑動面為圓弧形，位于土體內部，剪出口位于坡腳擋墻底部附近轉變?yōu)檎w移動，顯著提高了邊坡的穩(wěn)定性.

5.2 邊坡有限元法計算分析

治理后邊坡模型如圖10所示，計算所得穩(wěn)定性系數(shù)及X方向位移云圖如圖11所示，數(shù)值計算結果見表6.

圖10 治理后邊坡數(shù)值模型Fig.10 Numerical model of slope after treatment

圖11 治理后邊坡數(shù)值計算結果Fig.11 Numerical calculation results of slope after treatment

表6 治理前后兩種方法計算結果對比Tab.6 Comparison of calculation results between two methods before and after treatment

治理后三種工況下邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)都顯著提升，天然、地震、暴雨工況下穩(wěn)定性系數(shù)分別為2.05、1.91、1.82. 且最大位移均顯著減小，分別為2.63、2.69、2.89 cm. 對比兩種計算方法得出結論：治理前后極限平衡法與有限元法計算結果均相近，且有限元法計算所得邊坡穩(wěn)定性系數(shù)均小于極限平衡法所得數(shù)值，治理后邊坡穩(wěn)定性系數(shù)大大提升，位移顯著減小，在三種工況下均處于穩(wěn)定狀態(tài)，治理措施切實有效.

6 結論

極限平衡法和有限元法都可以計算出邊坡的潛在滑動面及穩(wěn)定性系數(shù)，同時采用這兩種方法進行對比分析，可以完善分析的可靠度和準確性.

1）現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)研究區(qū)坡面局部有非常明顯的拉張裂縫，擋墻局部貼面石材鼓脹脫落，潛在滑坡體主要存在于上覆雜填土層和粉質黏土層，潛在滑動面為圓弧形，位于土體內部，剪出口在坡腳擋土墻底部附近.

2）治理前，邊坡在天然工況、地震工況和暴雨工況下分別處于穩(wěn)定狀態(tài)、基本穩(wěn)定狀態(tài)和不穩(wěn)定狀態(tài)，極限平衡法三種工況計算所得穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.188、1.070和0.941，有限元法計算結果分別為1.16、1.06和0.92. 塑性區(qū)主要分布在坡體臨空面表層土體中. 降雨導致坡體軟化變形，易沿土巖交界面形成的貫通滑動面滑出，需進行加固治理.

3）治理后，三種工況下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)較治理前都有了顯著提升，且最大位移也大大減小. 極限平衡法計算結果分別為2.067、1.912 和1.841，有限元法計算結果分別為2.05、1.91 和1.82. 均能保持穩(wěn)定狀態(tài).治理措施切實有效，效果顯著.

4）治理前后極限平衡法與有限元法計算結果均相近，且有限元法計算所得邊坡穩(wěn)定性系數(shù)普遍小于極限平衡法所得數(shù)值.