李風(fēng)增

(1．鄭州市公路管理局，河南 鄭州 450003;2．河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

對于天然或人工邊坡，常由于自然或人為因素破壞其力學(xué)平衡，造成滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅道路、建筑物或構(gòu)筑物的安全，而任何有效的邊坡加固措施均需確定邊坡穩(wěn)定系數(shù)和臨界滑動面位置． 通常采用試算方法，根據(jù)工程區(qū)域所處的地質(zhì)情況，假定若干可能滑動面，并逐個進(jìn)行數(shù)值計算，確定最小穩(wěn)定系數(shù)所對應(yīng)的滑動面．近年來，業(yè)內(nèi)學(xué)者采用多種數(shù)值模擬軟件對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了深入分析，如鄔愛清等［1－4］基于DDA 方法計算塊體巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定;鄭穎人等［5－9］通過有限元強(qiáng)度折減法，進(jìn)行節(jié)理巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性計算;余志雄等［10－13］提出基于一種改進(jìn)支持向量機(jī)算法(ν－SVR)的邊坡穩(wěn)定性預(yù)測方法，直接利用邊坡特征參數(shù)快速預(yù)測邊坡穩(wěn)定性．上述已有成果中，以分析巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性為主，且搜索潛在滑動面以折線居多．

GEO－Slope/W 軟件是一個功能強(qiáng)大的邊坡穩(wěn)定性分析程序，其應(yīng)用極限平衡理論，綜合考慮地下水、土體裂縫、坡頂堆載等影響因素，能夠?qū)?fù)雜土層、任意滑動面形狀及多種孔隙水壓力狀況建立二維計算模型，用于研究土質(zhì)高邊坡的穩(wěn)定性問題［14－16］．筆者應(yīng)用GEO－Slope/W 軟件對河南航空港區(qū)某辦公區(qū)域土質(zhì)高邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，以確定其邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)和滑動面位置，為邊坡治理提供科學(xué)依據(jù)．

1 工程概況

某土質(zhì)高邊坡位于河南航空港區(qū)一老舊辦公區(qū)域內(nèi)，該邊坡長約300 m，坡高約13 m，距塌方段約50 m 處修建有辦公用房及停車場，外側(cè)布置有一處幼兒園．原邊坡支護(hù)措施為磚砌式擋墻，現(xiàn)已塌方，曾造成重大財產(chǎn)損失;墻體變形嚴(yán)重，分布有大面積貫穿性裂縫，上方土體主要為黃土狀粉土．邊坡頂部3 ～15 m 寬度范圍內(nèi)為長期堆積土，呈松散狀態(tài)，孔隙較大．由于常年遭受雨水入滲，邊坡土體含水量增大，土體抗剪強(qiáng)度大幅降低．在降雨沖刷和日照暴曬下，邊坡表面溝壑叢生，雨水通過孔隙向縱深滲透，使得堆載土體隨時有塌滑危險．該邊坡為土質(zhì)邊坡，根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330—2013)，邊坡工程安全等級為一級．

2 模型建立

2．1 計算假設(shè)

由于坡體出現(xiàn)大量較長的縱向裂縫，經(jīng)現(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn)，可能存在潛在滑移面．根據(jù)邊坡地質(zhì)條件及滑動破壞特征，采用GEO－Slope/W 程序的Morgenstern－Price 法［17－18］建立計算模型，如圖1 所示．

圖1 Morgenstern－Price 法計算圖式

圖1(a)為任意形狀的土坡，存在有自然坡面線y=z(x)、側(cè)向孔隙水壓力推力線y =h(x)和有效側(cè)壓力推力線y=y't(x)及潛在滑裂線y =y(x)．圖1(b)為其中一個滑動土條dx，垂直方向作用有:滑條重力dW、切向條間力X、X +dX;水平方向作用有:土條兩側(cè)孔隙水壓力U 及U+dU、土條兩側(cè)有效法向條間力E'、E' +dE';滑動土條底面作用有:有效法向反力dN'、切向阻力dT 以及孔隙水壓力dUs．

Morgenstern－Price 法可對任意形狀的滑裂面進(jìn)行分析，故作如下假設(shè):

1)假定滑裂面為任意形狀，且兩滑動土條的法向條間力和切向條間力之間存在關(guān)于水平方向坐標(biāo)的函數(shù)關(guān)系．

2)每個土條均與土坡具有相同的穩(wěn)定系數(shù)，當(dāng)土坡處于穩(wěn)定狀態(tài)時，任一土條在滑動面上的抗剪力只發(fā)揮了一部分，并與此時的滑動力相平衡．

3)以滑動土條底部法向力和平行方向力以及土條底部中心點(diǎn)的力矩平衡建立力學(xué)方程．

2．2 計算參數(shù)

在綜合分析土的物理力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上，考慮在自然狀態(tài)和飽和狀態(tài)兩種工況下建立計算模型，搜索計算出該剖面在此模型下的最危險圓弧滑動面及穩(wěn)定系數(shù)．邊坡地理位置及A'—A'、B'—B'剖面示意如圖2 所示．

圖2 邊坡位置剖面示意圖

取垂直于坡向的A'—A'、B'—B'剖面為邊坡區(qū)域內(nèi)的兩個典型坡面，經(jīng)現(xiàn)場勘察、取土樣及室內(nèi)試驗(yàn)，得出邊坡土體的物理力學(xué)參數(shù)，見表1．

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)表

2．3 計算模型

根據(jù)滑坡特點(diǎn)，設(shè)定一個可能產(chǎn)生圓弧滑裂面的圓心范圍，畫成正交網(wǎng)格，網(wǎng)格長可根據(jù)精度要求而定，網(wǎng)格交點(diǎn)即為可能的圓弧滑裂面的圓心，再設(shè)定滑弧深度在相對應(yīng)的可行域范圍內(nèi)． 計算模型除坡面設(shè)為自由邊界外，模型底部設(shè)為固定約束邊界，模型四周設(shè)為單向邊界，本構(gòu)模型為Mohr －Coulomb模型的極限平衡求解．

邊坡 A'—A' 剖面計算模型范圍選取為15．0 m×7．5 m(長× 寬)，B'—B'剖面計算模型選取為36 m×13 m(長×寬)，其模擬的最危險滑動面均為圓弧面，其剪切口位于靠近滑坡坡腳附近．

3 GEO－Slope/W 模擬計算

GEO－SLOPE/W 程序的可視圖形化界面可以清晰地看到最危險滑動面、對應(yīng)的滑動中心位置(圓心)和相應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)，計算邊坡穩(wěn)定系數(shù)的效率高．

采用GEO－Slope/W 程序的Morgenstern－Price法，分析在自然狀態(tài)和飽和狀態(tài)兩種工況下土質(zhì)高邊坡兩個典型剖面A'—A'和B'—B'的最危險滑動面．

在兩種工況下，A'—A'邊坡剖面最危險滑動面、對應(yīng)滑動中心位置和相應(yīng)穩(wěn)定系數(shù)模擬結(jié)果分別如圖3 和圖4 所示，計算所得兩種工況下最小安全系數(shù)分別為0．840 和0．746．

圖3 自然狀態(tài)下A'—A'剖面最危險滑動面及穩(wěn)定系數(shù)

圖4 飽和狀態(tài)下A'—A'剖面最危險滑動面及穩(wěn)定系數(shù)

在兩種工況下，B'—B'邊坡剖面最危險滑動面、對應(yīng)的滑動中心位置(圓心)和相應(yīng)安全系數(shù)模擬結(jié)果分別如圖5 和圖6 所示，計算所得兩種工況下最小安全系數(shù)分別為0．721 和0．625．

圖5 自然狀態(tài)下B'—B'剖面最危險滑動面及穩(wěn)定系數(shù)

圖6 飽和狀態(tài)下B'—B'剖面最危險滑動面及穩(wěn)定系數(shù)

邊坡穩(wěn)定性評價必須有一定的安全儲備，考慮到國內(nèi)穩(wěn)定系數(shù)取值范圍以及一級防護(hù)邊坡安全需要，確定最終邊坡的允許穩(wěn)定系數(shù)為1．2 ～1．3．

由圖3—6 可知，最危險滑動面為淺層滑動面，滑面近似圓弧形，在自然狀態(tài)和飽和狀態(tài)兩種工況下，對于A'—A'剖面和B'—B'剖面所計算的穩(wěn)定系數(shù)均小于邊坡允許穩(wěn)定系數(shù)，且飽和狀態(tài)下的邊坡穩(wěn)定系數(shù)普遍比自然狀態(tài)下降低0．10 ～0．11．說明土體含水量的增大加劇了邊坡失穩(wěn)的危險，邊坡處于極不穩(wěn)定狀態(tài)．結(jié)合現(xiàn)場踏勘情況，該區(qū)域邊坡出現(xiàn)頂部拉裂，坡角護(hù)墻變形、裂縫和大面積坍塌現(xiàn)象，所以急需實(shí)施混凝土擋墻加噴錨支護(hù)進(jìn)行治理．

4 結(jié) 語

1)根據(jù)邊坡穩(wěn)定驗(yàn)算結(jié)果，兩種工況下(自然狀態(tài)下最小穩(wěn)定系數(shù)為0．721、飽和狀態(tài)下最小穩(wěn)定系數(shù)0．625)邊坡穩(wěn)定系數(shù)均小于邊坡允許穩(wěn)定系數(shù)1．2 ～1．3，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，該模擬狀況與現(xiàn)場查勘的情況一致．

2)由于常年雨水的入滲增加了邊坡的含水量，降低了土體的抗剪強(qiáng)度，增加了坡體自重和孔隙水壓力，使邊坡滑動面的抗滑能力降低;而邊坡在飽和狀態(tài)下的最小穩(wěn)定系數(shù)比自然狀態(tài)下降低0．10 ～0．11，也驗(yàn)證了含水量增大會加劇邊坡的失穩(wěn)危險．

3)從經(jīng)濟(jì)性和安全性方面來考慮，必須盡快對該邊坡進(jìn)行治理． 考慮到邊坡高度、坡腳大小、坡度陡峭等因素，建議對A'—A'剖面所在邊坡實(shí)施坡頂修建截水溝、坡體埋設(shè)排水管和坡腳修筑排水溝等防護(hù)措施;同時，用漿砌石加固坡腳，在坡面進(jìn)行人工植草，防止雨水沖刷，杜絕土體達(dá)到飽和狀態(tài)，降低土體含水量，以防邊坡失穩(wěn)．建議對B'—B'剖面所在邊坡采用修建混凝土擋墻、加固邊坡坡腳來提高土體抗滑力;在擋墻上部進(jìn)行噴錨支護(hù)，防止雨水浸潤;或者減載邊坡頂部土體，在安全區(qū)域設(shè)置綠化景觀，不僅提高邊坡穩(wěn)定性、防止黃土裸露污染空氣，而且增加綠地、美化環(huán)境．

［1］鄔愛清，丁秀麗，盧波，等．DDA 方法塊體穩(wěn)定性驗(yàn)證及其在巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2008，27(4):664 －672．

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