淺談賀州某邊坡工程穩(wěn)定性分析與治理設(shè)計

張飆汪旭

(中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心廣西總隊，廣西 桂林 541002）

隨著社會發(fā)展，經(jīng)濟(jì)飛速增長，越來越多的老百姓開始分戶自建房屋，農(nóng)村宅基地不足，切坡建房的現(xiàn)象日益增加，從而引出諸多邊坡問題，如坡體滑塌、崩塌、滑坡等。邊坡是由人工或自然形成具有一定高差的坡體[2]；坡體內(nèi)巖土體始終受重力作用，當(dāng)坡體沿一定的軟弱面，緩慢地整體向下移動或者高速急劇運(yùn)動，會對邊坡周邊建筑物及設(shè)施造成危害。為防止邊坡的危害發(fā)生，就需要對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究評價，處于非穩(wěn)定狀態(tài)的邊坡體需要進(jìn)行相關(guān)措施治理。因此，邊坡的穩(wěn)定性評價和治理措施的研究始終是學(xué)術(shù)和工程界的重要課題。

1 傳遞系數(shù)法計算原理

最開始的邊坡穩(wěn)定性研究，主要依靠土力學(xué)和條件假設(shè)進(jìn)行破壞理論研究，由于模型不能反映土體本身的變形特征；隨后分析模型開始建立在剛塑性體上進(jìn)行分析，逐漸發(fā)展出了極限平衡理論。潛在滑動帶位于土巖附近，滑床為巖石，形成的滑動面呈折線形。由于傳遞系數(shù)法容易使用且精度滿足工程要求[3]，故在工程領(lǐng)域得到廣泛使用，分析計算模型如圖1所示。

圖1 傳遞系數(shù)法模型圖

圖1 中，在滑體中選取第i塊土條，土條所受重力Wi，水平力Qi，上部土條塊第i-1塊土條傳來的推力Pi-1，推力方向平行于第i-1塊土條底滑動面向下，第i塊土條傳遞給第i+1塊土條的推力為Pi（剩余推力），其方向平行于第i塊土條底滑動面向下；歸納總結(jié)為每一土條分界處的下滑推力平行于上側(cè)相鄰?fù)翖l的底滑動面，下滑推力的作用位置在分界線的中點(diǎn)。將作用力分別投影到其對應(yīng)的底滑動面上有：

靜力平衡方程有：下滑力Ti-抗滑力Ri-剩余推力Pi=0，即:

則第i塊土塊的剩余推力為：

式中Wi-第i塊土條自重（kN）；

Qi-第i塊土條承受外部水平力（kN），如地震、上層紅黏土水平膨脹等；

φi-第i塊土條滑動面處土體的內(nèi)摩擦角（°）；

ci-第i塊土條滑動面處土體的黏聚力（kPa）；

ui-第i塊土條底部滲透水壓力（kPa），ui=γwihi；

li-第i塊土條滑動面直線長度（m）；

αi-第i塊土條滑動面的傾角（°）。

其中，某土條剩余下滑力Pi＜0時，取Pi=0；由于土體沒有抗拉強(qiáng)度，所以計算坡體推力時不能累加負(fù)值的剩余推力。

通過上述步驟得到坡體的推力數(shù)值，就可以對坡體做治理方案設(shè)計。接下來通過實(shí)際工程案例進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2 工程概況

某邊坡段（圖2）寬約61m，總體坡面傾向約280°，高差15.4m～19.1m，坡腳陡峭臨空面高4m～6m，切坡坡度約75°，坡腳有巖面出露。臨空面以上為自然邊坡，坡度約52°。臨空面距現(xiàn)狀房屋約0.8m～1.2m，緩沖區(qū)嚴(yán)重不足，邊坡表面目前已無任何防護(hù)措施，潛在滑體寬約61m，斜長約20m，土層厚度約0.3m～2.5m，平均厚度1.2m，坡體體積約1464m3。邊坡潛在威脅6戶31人。根據(jù)《規(guī)范》[4-5]確定，邊坡工程的安全等級為三級，防治工程等級為Ⅲ級。

圖2 邊坡現(xiàn)狀平面圖

3 工程地質(zhì)條件

根據(jù)野外調(diào)查和區(qū)域地質(zhì)資料，邊坡點(diǎn)附近出露地層由第四系殘坡積層（Q4el+dl）、寒武系水口群上亞群下組（∈sh11）組成。

3.1 第四系殘坡積層（Q 4el+d）l

根據(jù)邊坡點(diǎn)開挖邊坡及周邊揭露，第四系殘坡積層為粉質(zhì)黏土，呈棕褐色，稍濕、可塑～硬塑狀；土體斷面較粗糙，揉捏具砂感，無光澤反應(yīng)，韌性中等、干強(qiáng)度中等，夾有粉砂巖碎塊，含量約25%。土層厚薄不均，厚度0.3m～2.5m，平均厚度約1.2m，該層基本覆蓋于基巖之上。

3.2 寒武系水口群下亞群下組（∈sh11）

根據(jù)邊坡揭露及區(qū)域地質(zhì)資料，場地出露的巖性主要為砂巖，巖層產(chǎn)狀356°∠80°，砂巖按照風(fēng)化程度的差別可以分為全風(fēng)化粉砂巖和強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖。

3.2.1 全風(fēng)化砂巖

土黃色～棕褐色，原巖結(jié)構(gòu)基本被破壞，近似土狀，有砂感，偶然節(jié)理裂隙面有鐵質(zhì)浸染，巖石破碎，硬度低，切坡建房的臨空面上部坡面處有所揭露，并多被小灌木、苔蘚等遮蓋，伏于第四系土層之下，厚度約0.5m～3.0m。

3.2.2 強(qiáng)風(fēng)化砂巖

土黃色～棕褐色，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層構(gòu)造，部分原巖結(jié)構(gòu)被破壞，主要成分為石英（40%～55%）、長石（20%～35%），含少量云母（5%～8%），節(jié)理裂隙主要由泥質(zhì)膠結(jié)填充，巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，節(jié)理面有鐵質(zhì)浸染現(xiàn)象，巖石較破碎，硬度適中，錘擊易碎，可用手掰斷部分巖石。邊坡點(diǎn)兩側(cè)坡體中下部有所揭露，屋后臨空面有所揭露，伏于全風(fēng)化層之下。

由于坡體已出現(xiàn)變形跡象，可根據(jù)粉質(zhì)黏土室內(nèi)試驗的直剪情況，選取剖面2-2'進(jìn)行反演計算，通過分析以φ值反算c值更復(fù)合實(shí)際情況，按《規(guī)范》[5]公式進(jìn)行參數(shù)反演計算。參考規(guī)范要求和前人的研究成果[6]，天然狀態(tài)下坡體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，選取反算的穩(wěn)定系數(shù)取1.14，暴雨狀態(tài)下為欠穩(wěn)定狀態(tài)，選取反算的穩(wěn)定系數(shù)取1.02。通過反算結(jié)果并結(jié)合工程經(jīng)驗，確定各層巖土體參數(shù)見表1。

表1 場地地層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)取值

4 工程水文地質(zhì)條件及評價

邊坡及周邊地下水主要為松散巖類孔隙水（第四系沖洪積層中的孔隙水）及碎屑巖裂隙水?？紫端饕x存于寒武系水口群上亞群下組（∈sh31）粉砂巖的巖層構(gòu)造裂隙、風(fēng)化裂隙中，水量分布不均勻，多具季節(jié)性特點(diǎn)，補(bǔ)給源為大氣降水好上部孔隙水下滲補(bǔ)給，以溪流、低洼處為排泄基準(zhǔn)面，在地形切割出以散流或泉涌的形式排出，排泄方向自東向西匯入桂江。走訪得知邊坡地下水穩(wěn)定水位埋深與桂江水面基本齊平，遠(yuǎn)低于場地設(shè)施底面，地下水位埋藏深，地下水對施工無影響。

由于項目區(qū)降雨量較大，斜坡前緣臨空面長時間處于裸露狀態(tài)，前緣坡面強(qiáng)風(fēng)化砂巖受植物根系作用開裂，降水加大裂縫開裂程度；邊坡下部臨空面頂殘積土層、全風(fēng)化砂巖，遇水易軟化。因此，大氣降水下滲坡體導(dǎo)致土體容重增加的同時使其抗剪強(qiáng)度降低，形成相對軟弱面，坡體在暴雨條件和坡體前緣坡度較陡、臨空條件較好的情況下，易產(chǎn)生失穩(wěn)滑動、崩塌。

5 邊坡穩(wěn)定性評價和推力計算

本工程邊坡，取單位米寬坡體，結(jié)合邊坡剖面圖采用極限平衡理論的折線型滑動面的傳遞系數(shù)法對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評價及剩余下滑力計算。工況Ⅰ：考慮坡體處于天然狀態(tài)，荷載為坡體天然自重；工況Ⅱ：暴雨或連續(xù)降雨情況，考慮坡體處于飽水狀態(tài)，荷載為坡體飽和自重?；麦w分塊原則：本工程滑動面為折線，每兩段折線傾角相差不大時可合并為一條折線，同時參照地面建筑物、擬建建筑物的位置進(jìn)行劃分。穩(wěn)定性系數(shù)和剩余推力見表2。

表2 各剖面穩(wěn)定性評價及剩余推力

通過對邊坡采用折線滑動計算可看出，該坡體在暴雨狀態(tài)下仍處于穩(wěn)定～欠穩(wěn)定狀態(tài)；現(xiàn)狀坡體后緣土體松散，坡頂以上茶園有耕種擾動，坡體前緣因切坡形成的陡坎臨空面未做防護(hù)，在降雨以及人工活動等因素作用下，坡體易發(fā)生滑動。

6 防治措施設(shè)計

由于邊坡坡體本身穩(wěn)定狀態(tài)良好，根據(jù)前文得知剩余推力較小，且場地空間較充足，可考慮采用柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)，本工程坡面采用錨桿格構(gòu)梁、坡腳臨空面采用掛網(wǎng)錨噴混凝土作為主要受力結(jié)構(gòu)進(jìn)行支護(hù)治理。錨桿格構(gòu)梁和掛網(wǎng)錨噴混凝土的工藝技術(shù)成熟且施工快捷，安全可靠；相對于抗滑樁、擋墻等剛性支護(hù)結(jié)構(gòu)，當(dāng)出現(xiàn)大的坡體變形，錨桿格構(gòu)梁和掛網(wǎng)錨噴砼仍有防止坡體失穩(wěn)的能力，同時有明顯的變形特征，起到預(yù)警作用。坡面格構(gòu)梁的梁格內(nèi)可種草復(fù)綠，植物根系還能加強(qiáng)表層土體的整體性能，是一種較為生態(tài)的治理措施，見圖3。

圖3 設(shè)計治理圖

通過上述設(shè)計，再輔以排水系統(tǒng)、綠化工程、監(jiān)測工程，力求該邊坡做到生態(tài)治理，環(huán)保治理，保護(hù)群眾人身、財產(chǎn)安全的同時還保護(hù)自然環(huán)境。

7 結(jié)語

回顧本項目，在邊坡工程中，需根據(jù)地質(zhì)勘查結(jié)果選擇合理的滑面形狀進(jìn)行穩(wěn)定性分析計算，結(jié)合場地情況、施工條件等因素進(jìn)行工程設(shè)計，建議在空間條件滿足的情況下，優(yōu)先選擇柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)，生態(tài)的治理措施，加以工程監(jiān)測，最大限度減小不利因素的危害，進(jìn)一步保證坡腳住戶安全。本文為邊坡穩(wěn)定性分析及治理措施的應(yīng)用提供了實(shí)踐經(jīng)驗及參考依據(jù)。