強(qiáng)變形階段邊坡的治理效果分析

■王 鴻

（福建省交設(shè)工程咨詢有限公司，福州 350004）

近年來(lái)，地勢(shì)平坦的沿海地區(qū)工程建設(shè)已接近飽和，新項(xiàng)目逐漸向山區(qū)拓展，因用地需要，在丘陵地區(qū)出現(xiàn)了大量的邊坡工程。 這些邊坡工程在開(kāi)挖后形成臨空面，失去了原有自身坡腳巖土的支擋作用，穩(wěn)定性系數(shù)呈下降趨勢(shì)，在經(jīng)歷強(qiáng)降雨后產(chǎn)生不利變形，如不及時(shí)、合理地進(jìn)行支護(hù)，則可能產(chǎn)生更大變形最終形成滑坡，對(duì)坡腳的工程造成各類損失。 以東部沿海地區(qū)某工廠內(nèi)邊坡為例，從降雨后邊坡出現(xiàn)滑動(dòng)破壞的早期特征出發(fā)，結(jié)合該邊坡的排水加固措施對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，從加固前后剪應(yīng)力、塑性區(qū)、位移分布以及排水前后地下水位、孔隙水壓力等方面，結(jié)合基礎(chǔ)理論分析巖土體破壞的根本原因及該邊坡的治理效果。

1 工程概況

邊坡位于工廠西側(cè)的山坡坡腳， 屬丘陵地貌，山頂至工廠地坪高差約85 m，山坡廣泛種植桉樹(shù)。 邊坡段落長(zhǎng)度60 m，天然山坡開(kāi)挖后形成2 階邊坡，坡率約1∶1.00，坡頂與坡底高差24～28 m，開(kāi)挖后坡面以全風(fēng)化巖地層為主。 受紅線所約束，其上部未開(kāi)挖的范圍有較厚的土質(zhì)地層分布。

1.1 工程地質(zhì)條件

天然坡度介于35°～42°。 地表坡積層主要為坡積粉質(zhì)黏土厚度為5～7 m；下伏基巖為燕山期（γπ）花崗斑巖及其風(fēng)化層，其中全風(fēng)化巖厚度為10～14 m并夾有15%左右風(fēng)化不均的碎塊，碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化巖厚度3～5 m， 中風(fēng)化巖未揭穿。 坡面直徑在3～5 m的孤、滾石較發(fā)育，屬典型的花崗巖地區(qū)地質(zhì)特征。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)，該邊坡區(qū)域受北東向?yàn)橹鞯臉?gòu)造所切割， 受其影響該邊坡發(fā)育的構(gòu)造帶主要有2 組，分別為G1：40°∠40°～70°、G2：60°∠70°， 受上述裂隙影響，鉆孔巖芯在坡積層或全風(fēng)化層中可見(jiàn)夾碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化層的突變特征，并在中風(fēng)化層中形成節(jié)理裂隙密集帶。

1.2 水文地質(zhì)條件

工廠所在地區(qū)屬亞熱帶濕潤(rùn)型季風(fēng)氣候，年平均降水量達(dá)1 725.5 mm， 主要集中在每年4—7 月的梅雨季節(jié)及8—10 月的臺(tái)風(fēng)雨季。 邊坡附近地表水不發(fā)育，坡體內(nèi)地下水基本源于降水入滲。

該邊坡地下水包括坡積層及基巖全-強(qiáng)風(fēng)化層中的孔隙水以及基巖孔隙水2 類，邊坡穩(wěn)定地下水位在剖面上有起伏較小。 鉆孔所揭示的中風(fēng)化層多為較穩(wěn)定的隔水層，透水性弱。 而全-強(qiáng)風(fēng)化帶存在區(qū)域構(gòu)造產(chǎn)生的次生節(jié)理裂隙密集帶為強(qiáng)透水帶，水體不易積儲(chǔ)。 節(jié)理密集帶水位較低且具有一定的承壓性，一般位于碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化層中至下部，而節(jié)理密集帶以外水位則較高，接近于坡積層底部。

勘察期間測(cè)得穩(wěn)定混合地下水位埋深7～12 m，為簡(jiǎn)化分析，排水前地下水位取穩(wěn)定混合地下水位，該水位埋藏于坡積層與全風(fēng)化層交界面附近。

2 滑坡征兆分析

當(dāng)年4—5 月當(dāng)?shù)卦庥鰪?qiáng)降雨， 邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在近2 個(gè)月的時(shí)間內(nèi)孔內(nèi)最大橫坡向位移約25 mm，地表處裂縫寬度約85 mm，且可以排除是施工擾動(dòng)或其他人工原因所導(dǎo)致。 針對(duì)該異常變化，即對(duì)該邊坡開(kāi)挖面及以上坡體進(jìn)行踏勘。 在踏勘過(guò)程中發(fā)現(xiàn)， 原坡面僅在局部進(jìn)行簡(jiǎn)單的噴砼，坡頂以下6 m 左右接近坡積層與全風(fēng)化層界面位置表面噴砼出現(xiàn)縱坡向裂縫但尚未貫穿，仰斜式排水孔布置數(shù)量偏少且排水孔下沒(méi)有明顯的水痕，說(shuō)明排水管深度可能未達(dá)到足夠深度。 在開(kāi)挖面頂部發(fā)現(xiàn)了1 處新產(chǎn)生的裂縫（圖1），寬2～8 cm。 開(kāi)挖面頂部裂縫延伸長(zhǎng)度約12 m。

圖1 邊坡開(kāi)挖面頂部裂縫

根據(jù)監(jiān)測(cè)及踏勘結(jié)果，受近一段時(shí)間降雨影響，邊坡已在坡表出現(xiàn)張拉裂縫，開(kāi)挖面也出現(xiàn)鼓脹裂縫，說(shuō)明邊坡正處于強(qiáng)變形階段[1]，根據(jù)開(kāi)挖面裂縫位置確定滑動(dòng)面處于坡積層與全風(fēng)化層交界處附近，且具有向全風(fēng)化層發(fā)展的可能性[2-3]。 原開(kāi)挖面基本沒(méi)有采取支護(hù)和排水措施，加之臨近東部沿海8—10 月臺(tái)風(fēng)頻發(fā)，經(jīng)過(guò)討論決定立即對(duì)處于強(qiáng)變形階段的邊坡采取包括增設(shè)截水溝、仰斜式排水孔、預(yù)應(yīng)力錨索、抗滑樁的多種手段進(jìn)行排水加固處理，以確保坡腳工廠建筑物的安全。

3 治理效果分析

根據(jù)勘察報(bào)告提供的地層及節(jié)理密集帶的物理力學(xué)指標(biāo)，采用軟件對(duì)該邊坡典型斷面進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)排水加固前后的地下水位、剪應(yīng)力、塑性區(qū)、位移分布及穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行計(jì)算和對(duì)比，進(jìn)而分析滑坡發(fā)生機(jī)理并評(píng)價(jià)加固效果。 巖土體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，數(shù)值模型見(jiàn)圖2。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

圖2 邊坡典型斷面數(shù)值模型

3.1 地下水位與剪應(yīng)力分析

排水加固前后的地下水位及剪應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖3～4。 邊坡從穩(wěn)定狀態(tài)至發(fā)生變形最終發(fā)展成為滑坡的過(guò)程，往往是在經(jīng)歷了大量降雨，因巖土體的重度上升，黏聚力及抗剪強(qiáng)度下降，同時(shí)受到順坡向滲流產(chǎn)生的滲透力影響，最終導(dǎo)致了下滑力的增加及抗滑力的減少而發(fā)生失穩(wěn)。

圖3 排水加固前滑坡地下水位與剪應(yīng)力云圖

圖4 排水加固后滑坡地下水位與剪應(yīng)力云圖

當(dāng)降雨入滲無(wú)法避免時(shí)，則需通過(guò)截水、排水措施，減少入滲量或提高排泄速率的方法，以盡可能減少水對(duì)邊坡巖土體的不利影響。 在排水前，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示近坡腳處地下水位埋深0.5 m；并適當(dāng)提高坡體內(nèi)地下水位埋深作為不利工況進(jìn)行模擬，邊坡中上部地下水位埋深取全風(fēng)化層頂面。 設(shè)置截水溝、仰斜式排水20 d 后，監(jiān)測(cè)所得地下水位在邊坡各高程與前者相比有明顯的下降，近坡腳處的地下水位埋深為3 m，邊坡中上部地下水位埋深由全風(fēng)化層頂面降至碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化層中，不僅降低了滲透力作用，也降低了表層的巖土體重度，減少了抗滑力，同時(shí)其物理力學(xué)性能得到了明顯改善。

從剪應(yīng)力角度而言，引起滑坡的根本原因在于土體內(nèi)部某個(gè)面上的剪應(yīng)力達(dá)到了其抗剪強(qiáng)度，并在剪出口產(chǎn)生應(yīng)力集中，直至穩(wěn)定平衡態(tài)受到破壞。剪應(yīng)力達(dá)到抗剪強(qiáng)度的原因有2 種，一是剪應(yīng)力的增加，對(duì)于該邊坡，主要體現(xiàn)在降雨使巖土體重度增加；二是降雨導(dǎo)致物理力學(xué)性能降低造成有效抗剪強(qiáng)度降低。 在經(jīng)過(guò)預(yù)應(yīng)力錨索、抗滑樁治理后巖土體的松散結(jié)構(gòu)得到改善，大主應(yīng)力上升，抗剪強(qiáng)度提高，同時(shí)使邊坡巖土體中的剪應(yīng)力分布與大小得到改善。 邊坡剪應(yīng)力分布在坡腳一帶的剪出口產(chǎn)生集中。 加固前坡面、 坡腳的最大剪應(yīng)力為270、340 kPa，加固后為110、150 kPa；排水前坡腳處的孔隙水壓力為190 kPa，排水后基本消散。剪應(yīng)力和孔隙水壓力均有了顯著的下降，且排水加固后的剪應(yīng)力集中程度明顯改善。

3.2 塑性區(qū)分析

治理前后的塑性區(qū)分布圖見(jiàn)圖5～6。 在土力學(xué)及數(shù)值模擬分析中，常將天然狀態(tài)下的巖土體假設(shè)為彈塑性體。 巖土體變形的初始階段屬于彈性變形，發(fā)展到一定程度后巖土體則開(kāi)始發(fā)生塑性屈服，這部分塑性變形為不可逆變形。 巖土體發(fā)生塑性變形的區(qū)域?yàn)樗苄詤^(qū)，塑性區(qū)的產(chǎn)生或在局部或?yàn)檎w，其位置往往預(yù)示著邊坡可能發(fā)生滑坡的區(qū)域，塑性區(qū)貫通性越好表明該部位穩(wěn)定性越差，當(dāng)塑性區(qū)域完全貫通時(shí)，邊坡即可能出現(xiàn)滑動(dòng)破壞[4]，其底面即為底滑面。

圖5 排水加固前滑坡塑性區(qū)

由圖5 可知，未經(jīng)加固時(shí)塑性區(qū)由坡積層延伸至工廠地坪，貫穿整個(gè)坡積層并部分深入至全風(fēng)化層中上部，貫通性強(qiáng)，說(shuō)明邊坡在該部位發(fā)生變形破壞的可能性很大，或已發(fā)生變形破壞；由圖6 可知，在經(jīng)過(guò)加固之后，坡積層和全風(fēng)化層中上部的塑性區(qū)范圍有了明顯的縮小，大多集中在開(kāi)挖面以上因紅線約束而無(wú)法進(jìn)行加固的坡積層中。 此外，盡管塑性區(qū)具有向全風(fēng)化層底面發(fā)展的趨勢(shì)，但該處塑性區(qū)域不具有貫通性，尤其在錨索及抗滑樁附近塑性區(qū)基本消失，說(shuō)明了邊坡加固措施的有效性。

圖6 排水加固后滑坡塑性區(qū)

3.3 位移分析

加固前后邊坡的位移云圖見(jiàn)圖7～8。 由圖7 可知，排水加固前，巖土體位移范圍集中于開(kāi)挖面頂部以上約25 m 至開(kāi)挖面頂部以下16 m 范圍，呈近似圓弧狀“剪出”形，剪出口位于坡腳，與3.1 節(jié)剪應(yīng)力集中位置一致，最大位移發(fā)生在開(kāi)挖面頂部以下6 m處，與前述開(kāi)挖面鼓張裂縫位置相符，主要表現(xiàn)為坡積層的滑移破壞，計(jì)算得合位移最大值為90 mm。

圖7 排水加固前邊坡位移云圖

在對(duì)邊坡進(jìn)行排水加固后，坡表欠穩(wěn)定區(qū)域巖土體完整性受到一定程度上的加強(qiáng)，整體力學(xué)強(qiáng)度得到了提高，原先存在的潛在滑面被加固。 然而這可能導(dǎo)致經(jīng)過(guò)錨固的區(qū)域形成一更大的滑體，沿著地層深處形成的新滑動(dòng)面產(chǎn)生滑移破壞。 因此支護(hù)的布置是關(guān)鍵因素，要做到既能加固不穩(wěn)定巖土體，又不使邊坡深部在加固后產(chǎn)生新的滑動(dòng)面。 因此，本次支護(hù)方案中預(yù)應(yīng)力錨索長(zhǎng)度32～36 m，確保錨固段處于相對(duì)穩(wěn)定的碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化層中；抗滑樁嵌入穩(wěn)定的中風(fēng)化層中。

由圖8 可知，加固后最大位移依然出現(xiàn)在坡積層表面，但位移量由加固前的90 mm 降低至30 mm，全風(fēng)化層中下部直至其底面也出現(xiàn)了微量位移，說(shuō)明經(jīng)過(guò)加固后，雖然滑移面有向全風(fēng)化層底部轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)，但其合位移量?jī)H為3 mm。 結(jié)合3.2 節(jié)中塑性區(qū)的分析結(jié)果，盡管邊坡在加固后的整體位移存在由坡積層向全風(fēng)化層發(fā)展的情況，但其值極小，不會(huì)形成新的深層滑移，說(shuō)明治理方案是合理有效的。

圖8 排水加固后邊坡位移云圖

3.4 穩(wěn)定性系數(shù)

該邊坡為永久邊坡， 以坡積土及全風(fēng)化巖為主，巖體類型屬I(mǎi)V 類，高度大于15 m，小于30 m，破壞后果很?chē)?yán)重，因已出現(xiàn)滑坡征兆，故為I 級(jí)邊坡，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fst為1.35。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖9～圖10 和表2。

表2 邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)

圖9 排水加固前邊坡最不利滑動(dòng)區(qū)

圖10 排水加固后邊坡最不利滑動(dòng)區(qū)

由表2 可知，排水加固前邊坡最不利滑動(dòng)區(qū)的剪出口位于開(kāi)挖面頂部的坡積層底部附近，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，與觀察到的實(shí)際開(kāi)裂情況相符。 而采取增設(shè)預(yù)應(yīng)力錨索、抗滑樁、截水溝及仰斜式排水孔等多方面措施進(jìn)行排水加固后， 邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，達(dá)到了預(yù)定的加固效果。

4 結(jié)論

通過(guò)踏勘，發(fā)現(xiàn)邊坡因長(zhǎng)時(shí)間降雨，出現(xiàn)了坡頂張拉裂縫、開(kāi)挖面鼓脹裂縫，表明邊坡正處于強(qiáng)變形階段，進(jìn)而采用包括增設(shè)仰斜式排水孔、截水溝、預(yù)應(yīng)力錨索、坡底設(shè)置抗滑樁等多方面措施進(jìn)行治理。 總體而言，滑坡之所以產(chǎn)生，主要是因?yàn)榻涤晔箮r土體重度增加、下滑力增大，物理力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)下降、抗滑力減小所造成。 而對(duì)內(nèi)在的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行數(shù)值模擬分析可以發(fā)現(xiàn)，剪應(yīng)力的集中程度、塑性區(qū)的貫通性均是邊坡的穩(wěn)定性以及滑面位置的控制因素[5]。 在經(jīng)過(guò)排水加固后，坡腳的孔隙水壓力值、剪應(yīng)力值與剪應(yīng)力集中程度明顯減小，塑性區(qū)的貫通性也得到明顯改善，計(jì)算得穩(wěn)定性系數(shù)滿足要求，說(shuō)明了排水加固措施的有效性。 經(jīng)過(guò)治理的邊坡已處于穩(wěn)定狀態(tài)，但安全富余度并不充分。 鑒于長(zhǎng)期安全性考慮，已建議工廠向相關(guān)部門(mén)申請(qǐng)擴(kuò)大部分用地紅線，適當(dāng)對(duì)開(kāi)挖面以上天然坡面放緩坡率并采取相應(yīng)的支擋措施，同時(shí)加強(qiáng)植被保護(hù)并改植利于水土保持的樹(shù)種，禁止亂砍濫伐，防止因開(kāi)挖面以上坡體產(chǎn)生滑動(dòng)而影響工廠安全。