喬文號(hào)，湯 華，尹小濤，吳振君，魯志強(qiáng)

（1.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071； 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049； 3.云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650041）

0 引言

隨著山區(qū)公路建設(shè)的蓬勃發(fā)展，工程建設(shè)中遇到的邊坡數(shù)量和規(guī)模不斷增大，其災(zāi)害影響也不斷提高，給公路工程的正常施工和運(yùn)營帶來了巨大的安全隱患。因此，為保障公路的安全，必須通過邊坡問題預(yù)研和加固管控邊坡安全威脅［1］。

邊坡失穩(wěn)破壞是內(nèi)部和外部因素共同作用的結(jié)果，影響邊坡穩(wěn)定性的因素主要包括：邊坡的土體強(qiáng)度、邊坡的外形、地震、降雨、人類活動(dòng)等［2］。目前國內(nèi)外研究主要集中于分別探討降雨和地震荷載下邊坡的穩(wěn)定性［3-6］：高俊麗［7］基于多孔介質(zhì)降雨條件下的入滲模型，提出非飽和滲流微分方程，將邊坡非穩(wěn)定滲流轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定滲流；劉子振等［8］基于極限平衡條分法研究降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明滲流力的作用效果和條間力隨降雨入滲深度增大而減?。稽S潤秋［9］等認(rèn)為地震作用下邊坡產(chǎn)生滑動(dòng)主要分為以下階段：坡體震裂、松弛階段、高速潰滑階段、震動(dòng)堆積階段、二次拋射和碎屑流堆積階段；祁生文［10］等探討了地震作用下邊坡的破壞機(jī)理，認(rèn)為地震時(shí)邊坡的破壞由地震力和坡體內(nèi)孔隙水壓力急劇增大共同導(dǎo)致。上述成果在一定程度上揭示了邊坡在降雨和地震等不同工況下的穩(wěn)定性，但是國內(nèi)外對(duì)于降雨和地震耦合作用下邊坡的穩(wěn)定卻鮮有研究［11-14］。本文通過開展老南瓜塘邊坡的工程地質(zhì)調(diào)研和數(shù)值仿真，分析其在降雨、地震、降雨與地震耦合作用等工況下的工程穩(wěn)定性，評(píng)估其變形破壞機(jī)制，探討安全應(yīng)對(duì)措施，并為類似邊坡問題的安全控制提供經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

老南瓜塘邊坡位于大永高速公路排營段1號(hào)隧道出口和2號(hào)隧道進(jìn)口間的山間凹地，坡體多為殘坡積沖洪積和崩塌堆積的松散層為主，自然地形坡度約30°。鉆探揭露，上部15～20 m處多為塊石土、碎石土。山間洼地容易形成粘土、粉砂土軟弱夾層，坡面植被較發(fā)育，造成土中有機(jī)質(zhì)含量高，且強(qiáng)度較低，在不利條件下容易產(chǎn)生蠕變滑移，見圖1和圖2。

大永高速公路排營段地處我國西南邊陲云南省大理市賓川縣和永勝縣交界處，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，冬春干旱，夏秋多雨，年均降雨量936.4 mm，但分布不均，85%的降水集中在6月—9月，干濕季節(jié)分明。老南瓜塘邊坡區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，構(gòu)造活動(dòng)期次較多，地震活動(dòng)頻繁。邊坡處于中甸—大理地震帶內(nèi)，地震活動(dòng)相對(duì)強(qiáng)烈，故該邊坡區(qū)域劃分為對(duì)建筑抗震不利地段。根據(jù) 《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2015），本區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.20g，對(duì)應(yīng)地震基本烈度為Ⅷ度，地震動(dòng)反映普特征周期0.45 s。

圖1 現(xiàn)場平面圖Figure 1 Site plan

圖2 老南瓜塘邊坡場地地貌Figure 2 Slope site landform

2 數(shù)值模型及參數(shù)反分析

通過邊坡穩(wěn)定狀態(tài)反分析得到坡體材料強(qiáng)度參數(shù)是巖土工程領(lǐng)域常用的評(píng)價(jià)手段，本文考慮到初次勘探時(shí)未發(fā)現(xiàn)洼地處不良地層，排營1號(hào)隧道出口和2號(hào)隧道進(jìn)口設(shè)計(jì)采用橋梁連接，施工3號(hào)橋梁基礎(chǔ)施工后 （雨季）進(jìn)行橋墩對(duì)接時(shí)，第一次出現(xiàn)橋基偏位，由于偏移量較大，施工方認(rèn)為是基礎(chǔ)樁放位誤差造成的偏位，便采取了棄樁二次施工措施。第二次施工樁基礎(chǔ)后，準(zhǔn)備接樁時(shí)，再次發(fā)現(xiàn)偏位，且經(jīng)過一段時(shí)間的監(jiān)測，變形仍在發(fā)展中，此時(shí)坡頂板房附近出現(xiàn)較大的脫坡陡坎，高差30～50 cm，即坡體出現(xiàn)明顯的滑移，不僅威脅3號(hào)橋樁的穩(wěn)定，進(jìn)一步發(fā)展還影響相鄰的橋樁橋臺(tái)的穩(wěn)定性?？紤]到現(xiàn)場情況，初步認(rèn)定是勘探人員在干季勘探時(shí)忽略了坡體在降雨作用下土體強(qiáng)度降低，因此隨著雨季的到來該滑坡出現(xiàn)變形滑移，見圖3和圖4。

圖3 邊坡典型斷面圖Figure 3 Typical landslide profile

圖4 變形脫坡Figure 4 The deformation of slope

因此反分析時(shí)認(rèn)定干季時(shí)邊坡處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài) （Fs＞1.0）；雨季過后邊坡出現(xiàn)蠕變滑移，此時(shí)邊坡處于滑動(dòng)階段 （Fs＜1.0）?？紤]降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響主要通過簡化降雨入滲邊界，滲流計(jì)算為非飽和非穩(wěn)定滲流，采用GeoStudio建立圖5所示滑坡模型，總計(jì)4 184個(gè)節(jié)點(diǎn)，4 073個(gè)單元。利用工程類比和數(shù)值反分析，綜合確定了表1所示的主要巖土力學(xué)參數(shù)。

圖5 老南瓜塘邊坡地質(zhì)模型Figure 5 Geological model of old pumpkin pond slope

表1 主要巖土力學(xué)參數(shù)表Tabure 1 Table of major geotechnical parameters

3 降雨工況穩(wěn)定性演化機(jī)制

降雨入滲過程主要受降雨強(qiáng)度和降雨持續(xù)時(shí)間的影響，在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)選取了氣象部門規(guī)定的中 雨 （50 mm／d）、大 雨 （100 mm／d）、 暴 雨（150 mm／d）3個(gè)雨量等級(jí)，降雨持續(xù)時(shí)間統(tǒng)一為5 d。采用Geostudio巖土軟件中的SEEP／W模塊對(duì)降雨入滲過程進(jìn)行模擬，并同SLOPE／W模塊進(jìn)行耦合計(jì)算，將有限單元法和極限平衡法相結(jié)合分析計(jì)算非飽和狀態(tài)下瞬態(tài)孔隙水壓力對(duì)應(yīng)的邊坡穩(wěn)定性。

先通過穩(wěn)態(tài)分析計(jì)算出天然狀態(tài)下孔隙水壓力如圖6所示，地下水位以下孔隙水壓力為正，地下水位以上孔隙水壓力為負(fù)，孔隙水壓力隨深度呈線性分布。以大雨工況 （100 mm／d）為例圖7和圖8給出了降雨開始1.5 h和降雨結(jié)束時(shí)的孔隙水壓力分布圖，從圖中可以看出在降雨開始時(shí)，邊坡表層土體最先受到影響，土體負(fù)孔隙水壓力增大，逐漸形成暫態(tài)飽和區(qū)。隨著雨水繼續(xù)入滲，地下水位開始抬升，在降雨過程中坡腳最先開始積聚雨水，隨后慢慢向上發(fā)展，到降雨結(jié)束時(shí)水位線已經(jīng)上升到坡腳以上的坡面位置。

圖6 天然狀態(tài)孔隙水壓力圖Figure 6 Natural pore water pressure

圖7 降雨1.5 h孔隙水壓力圖Figure 7 Rainfall 1.5 h pore water pressure

圖8 降雨結(jié)束時(shí)孔隙水壓力圖Figure 8 Pore water pressure at the end of rainfall

降雨入滲過程中表層土體孔隙水壓力不斷增大，土體的基質(zhì)吸力隨孔隙水壓力的變大而減小，基質(zhì)吸力的變化將導(dǎo)致邊坡土體強(qiáng)度減少，因此降雨入滲將改變邊坡的安全系數(shù)。圖9給出了3種降雨強(qiáng)度下邊坡安全系數(shù)變化圖。從圖中可以看出，在3種降雨強(qiáng)度下邊坡安全系數(shù)的變化趨勢(shì)相一致：邊坡安全系數(shù)隨著降雨的持續(xù)不斷降低，當(dāng)降雨結(jié)束后安全系數(shù)還會(huì)出現(xiàn)一定程度的降低，隨后趨于平穩(wěn)。即安全系數(shù)隨降雨的變化而變化存在一定的滯后現(xiàn)象，安全系數(shù)最低值并不是降雨結(jié)束時(shí)，因此邊坡最不穩(wěn)定狀態(tài)是在降雨結(jié)束后一段時(shí)間而非降雨結(jié)束時(shí)。

圖9 不同雨強(qiáng)對(duì)應(yīng)安全系數(shù)圖Figure 9 Different rain intensity corresponds to the safety factor

從表2不同降雨強(qiáng)度安全系數(shù)的變化值可以看出：相同的降雨持續(xù)時(shí)間，不同降雨強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)降幅也不同，降雨強(qiáng)度越大，降幅越大，對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)最小值也越小。在中雨工況下邊坡最小安全系數(shù)為1.018，大雨工況下邊坡最小安全系數(shù)為0.919，暴雨工況下邊坡最小安全系數(shù)為0.829，大雨和暴雨工況下邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，中雨工況下也小于規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)，因此降雨工況下邊坡不滿足工程穩(wěn)定性要求，需要進(jìn)行加固處理。

表2 不同雨強(qiáng)安全系數(shù)變化值Table 2 Different rain intensity safety coefficient variation value

4 地震工況穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

地震作用下邊坡變形失穩(wěn)主要是地震動(dòng)力和孔隙水壓力共同作用的結(jié)果［15］，進(jìn)行地震工況模擬時(shí)，選取EL Centro地震波前10 s的水平分量進(jìn)行計(jì)算見圖10，不考慮垂向地震動(dòng)系數(shù)對(duì)邊坡的影響，分別分析地震烈度為7度、8度、9度 （峰值加速度為0.1g、0.2g、0.3g）的3種不同工況。

圖10 地震加速度時(shí)程曲線Figure 10 Seismic acceleration time history curve

圖11為峰值加速度為0.1g時(shí)邊坡安全系數(shù)，從圖中可以看出由于動(dòng)剪力隨震動(dòng)時(shí)間而不同，邊坡的安全系數(shù)也是時(shí)間的函數(shù)，在地震荷載作用下，邊坡瞬間進(jìn)入失穩(wěn)狀態(tài)并不一定導(dǎo)致邊坡破壞。從圖12坡表監(jiān)測點(diǎn)位移圖可知在2.8 s時(shí)安全系數(shù)達(dá)到最低，但是坡表位移并沒有達(dá)到最大值，因此用最小安全系數(shù)來評(píng)價(jià)地震過程中邊坡的穩(wěn)定性偏于保守。

圖11 安全系數(shù)隨時(shí)間變化圖 （0.1g）Figure 11 Safety factor changes with time（0.1g）

圖12 坡表監(jiān)測點(diǎn)位移圖 （0.1g）Figure 12 Slope table monitoring point displacement map（0.1g）

評(píng)價(jià)邊坡在地震作用下的穩(wěn)定性主要有安全系數(shù)和永久位移兩個(gè)指標(biāo)［16-17］，本文采用動(dòng)力有限元法和Newmark法計(jì)算分析老南瓜塘邊坡在地震作用下的穩(wěn)定性。Newmark法通過對(duì)超出屈服加速度的地震加速度進(jìn)行兩次積分運(yùn)算，得到邊坡在地震作用下產(chǎn)生的不可恢復(fù)的永久位移，以永久位移的大小將邊坡劃分為：極低危險(xiǎn)、低危險(xiǎn)、中危險(xiǎn)、高危險(xiǎn)、極高危險(xiǎn)5個(gè)等級(jí)［18］，見表3。

表3 地震滑坡危險(xiǎn)度與永久位移關(guān)系Table 3 Relationship between seismic landslide risk and permanent displacement

從永久位移隨時(shí)間變化圖中可以看出 （見圖13）：在3種工況下永久位移的變化趨勢(shì)基本相同，在前期地震加速度較小時(shí)永久位移變化不明顯，隨著加速度的急劇變化，永久位移也隨之劇增。在7度地震荷載作用最大永久位移1.04 cm，地震滑坡危險(xiǎn)度為高危險(xiǎn)；在9度地震荷載作用下最大永久位移15.74 cm，地震滑坡危險(xiǎn)度為極高危險(xiǎn)；最大永久位移為33.66 cm，地震滑坡危險(xiǎn)度為極高危險(xiǎn)。因此在地震荷載作用下邊坡處于極高危險(xiǎn)狀態(tài)狀態(tài)，需要進(jìn)行加固處理。

圖13 永久位移隨時(shí)間變化圖Figure 13 Permanent displacement changes with time

5 地震＋降雨工況穩(wěn)定性分析

一般情況下降雨會(huì)持續(xù)幾十分鐘甚至數(shù)十小時(shí)，而地震只發(fā)生在幾分鐘甚至幾秒內(nèi)，為了探究地震和降雨耦合作用對(duì)邊坡的影響，本文在不同降雨持續(xù)時(shí)間點(diǎn) （3、21、48、120 h）施加地震荷載以觀察邊坡的變化。圖14給出了降雨強(qiáng)度為50 mm／d時(shí)不同降雨持時(shí)施加地震荷載后通過Newmark法計(jì)算出的10 s內(nèi)永久位移隨時(shí)間變化圖，隨著降雨持續(xù)時(shí)間的增加其對(duì)應(yīng)的永久位移也在增大，降雨3 h時(shí)施加地震荷載最大永久位移為1.83 cm，降雨12 h時(shí)施加地震荷載最大永久位移為1.95 cm，降雨48 h時(shí)施加地震荷載最大永久位移為2.63 cm，降雨120 h時(shí)施加地震荷載最大永久位移為22.32 cm。

圖14 不同降雨持時(shí)作用地震荷載永久位移圖Figure 14 Permanent displacement map of seismic load with different rainfall duration

對(duì)比不同降雨強(qiáng)度和不同地震烈度組合作用下邊坡的永久位移 （見表4）可以看出：①前期降雨會(huì)加劇地震對(duì)邊坡的穩(wěn)定性的破壞，在7度地震烈度下，無前期降雨時(shí)邊坡永久位移僅為1.04 cm，當(dāng)降雨強(qiáng)度50 mm／d，降雨持續(xù)120 h時(shí)邊坡永久位移為22.32 cm，當(dāng)降雨強(qiáng)度100 mm／d，降雨持續(xù)120 h時(shí)邊坡永久位移為40.25 cm。②當(dāng)降雨持續(xù)時(shí)間較長時(shí)，相同地震力度下，前期降雨強(qiáng)度越大，邊坡的穩(wěn)定性越差。③當(dāng)降雨持續(xù)時(shí)間較短時(shí)，降雨強(qiáng)度改變對(duì)邊坡穩(wěn)定性幾乎沒有影響。

表4 不同工況永久位移值Table 4 Permanent displacement value under different working conditions

6 基于變形破壞機(jī)制和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的工程應(yīng)對(duì)措施

6.1 加固設(shè)計(jì)

考慮到老南瓜塘滑坡滑面相對(duì)較深，滑面以下巖體相對(duì)完整以及邊坡規(guī)模較大，坡表土體以碎石土為主，場地施工相對(duì)便利，設(shè)計(jì)采用抗滑樁支護(hù)。在勘察的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場地形地貌和橋樁變形結(jié)果，決定在3號(hào)橋樁的上部設(shè)置11根抗滑樁，樁間距6 m。由于橋樁位被以前變形的樁基占據(jù)，重新施工橋樁，與老橋基共同形成承臺(tái)。每個(gè)抗滑樁內(nèi)置了28根直徑為32 mm的二級(jí)鋼筋和30根直徑32 mm的三級(jí)鋼筋作為縱向受力鋼筋，另外在受拉側(cè)布置了4根20號(hào)A型工字鋼，縱向受力鋼筋非均勻布置，具體布置情況見圖15抗滑樁立面布置圖和圖16抗滑樁配筋圖。

圖15 抗滑樁平面布置圖Figure 15 The plan of anti-slide pile

圖16 抗滑樁配筋圖Figure 16 Reinforcement diagram of anti-slide pile

6.2 安全監(jiān)測和驗(yàn)證

采用GeoStudio軟件中的slope模塊對(duì)邊坡加固后經(jīng)歷降雨過程進(jìn)行復(fù)核評(píng)價(jià)，見圖17。數(shù)值計(jì)算顯示，加固后自然工況下邊坡的安全系數(shù)為1.46，降雨和地震共同作用工況下邊坡的安全系數(shù)為1.31。

為了監(jiān)測橋基是否變形發(fā)展和抗滑樁的穩(wěn)定性，在橋樁的右側(cè)兩根樁上不同深度位置各設(shè)置了5個(gè)鋼筋計(jì)，測量橋樁的內(nèi)力變化。在3、5、6號(hào)抗滑樁上埋設(shè)了測斜管，監(jiān)測抗滑樁受力后的變形發(fā)展變化。

根據(jù)測斜孔的時(shí)間-位移曲線結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況可以看出5月—10月為雨季，此時(shí)滑動(dòng)面土體由于近似飽和，強(qiáng)度降低，抗滑力減小，因而抗滑樁的變形較大，提供的抗滑力也較大。反之11月—次年4月為干季，滑體土層強(qiáng)度較高，潛在滑體穩(wěn)定性提高，所需抗滑樁提供的抗滑力較小，因此其變形量逐漸穩(wěn)定。

圖17 不同工況滑面位置及安全系數(shù)Figure 17 Slip surface position under different working conditions

圖18 CX-05測斜孔時(shí)間-位移曲線圖Figure 18 Time-displacement curve of CX-05 measuring oblique hole

7 結(jié)論

本文著重分析了老南瓜塘邊坡的破壞機(jī)制和安全應(yīng)對(duì)措施，通過數(shù)值計(jì)算對(duì)邊坡在自然、降雨、地震等不同工況進(jìn)行模擬分析，并且同現(xiàn)場監(jiān)測信息相互印證，得到以下結(jié)論：

a.通過降雨工況計(jì)算可知，長時(shí)間降雨會(huì)降低邊坡的穩(wěn)定性，降雨強(qiáng)度越大影響越明顯。

b.邊坡穩(wěn)定性隨降雨持續(xù)而降低，存在一定滯后，邊坡最不穩(wěn)定狀態(tài)在降雨結(jié)束后一段時(shí)間，并非對(duì)應(yīng)降雨結(jié)束時(shí)。

c.地震荷載對(duì)邊坡穩(wěn)定性降低顯著，地震工況下老南瓜塘邊坡處于極度不穩(wěn)定狀態(tài)。

d.前期降雨會(huì)加劇地震對(duì)邊坡穩(wěn)定性的破壞，降雨強(qiáng)度越大，持續(xù)時(shí)間越久，影響越明顯。

e.由時(shí)間與變形關(guān)系可以看出，從抗滑樁施工的9月—10月份，為主要變形時(shí)間段，其后變形基本穩(wěn)定，這與當(dāng)?shù)氐臍夂蚧疽恢?，反映雨季滑?dòng)面飽和，抗剪強(qiáng)度低，有一定下滑力作用在抗滑樁上，這表明老南瓜塘滑坡破壞的主要是由降雨引起的。