薛春梅

（山西省交通建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心（有限公司），山西 太原 030032）

0 引言

邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題是巖土工程的基本典型問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外許多科研人員對(duì)此進(jìn)行了大量的分析，并取得了一定的研究成果。目前，關(guān)于邊坡穩(wěn)定性的分析方法主要有3種：一是極限平衡理論；二是室內(nèi)模型試驗(yàn)；三是數(shù)值模擬方法。極限平衡分析法是最早利用的一種解決方案，在計(jì)算中不用考慮土體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，物理概念清晰，計(jì)算簡(jiǎn)單。室內(nèi)模型試驗(yàn)基于相似模擬，或者模擬重力加速度，能夠?qū)吰路€(wěn)定性破壞起到很好的模擬作用，對(duì)于判斷邊坡變形過(guò)程、破壞模式等起到關(guān)鍵作用。數(shù)值模擬通過(guò)對(duì)邊坡滑動(dòng)體進(jìn)行應(yīng)力-應(yīng)變（變形）分析，重點(diǎn)分析邊坡的應(yīng)力應(yīng)變變化，擬定特定破壞判別條件，進(jìn)而找到破壞區(qū)域，求得穩(wěn)定性、變形解。

對(duì)于常規(guī)邊坡工程，極限平衡分析和數(shù)值分析由于其便于實(shí)施、工期短、造價(jià)低等特點(diǎn)，可廣泛采用，而室內(nèi)模型試驗(yàn)由于周期長(zhǎng)、費(fèi)用高等特性一般用于大型工程中。這就要求在常規(guī)邊坡工程地質(zhì)勘察中，取得的資料能夠滿(mǎn)足極限平衡分析和數(shù)值模擬的分析方法。

蘇鵬[1]以太佳高速西坡塬上土體外側(cè)滑塌為例，通過(guò)地質(zhì)條件分析了產(chǎn)生滑塌的原因，通過(guò)極限平衡的傳遞系數(shù)法計(jì)算穩(wěn)定性和下滑力，為處治方案提供了理論依據(jù)。

李萬(wàn)紅[2]采用有限元計(jì)算程序NEDAM計(jì)算土層以及散粒體地基混凝土防滲墻上土石壩邊坡，算出各種工況的變形、剪應(yīng)力水平等，評(píng)估土工建筑物穩(wěn)定性系數(shù)。

李永亮等[3]采用有限元軟件，通過(guò)強(qiáng)度折減法，對(duì)含軟弱夾層土坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值分析，為邊坡的支護(hù)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

無(wú)論運(yùn)用傳統(tǒng)極限平衡還是運(yùn)用數(shù)值分析，對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí)，都需要地質(zhì)模型構(gòu)建，都需對(duì)地層、物理力學(xué)參數(shù)和邊界條件加以界定[4]。這是分析邊坡問(wèn)題的基本條件，也是邊坡工程地質(zhì)勘察的重點(diǎn)內(nèi)容。鑒于此，本文以某高速公路路塹邊坡滑塌為例，在地質(zhì)模型構(gòu)建及力學(xué)參數(shù)選取方面進(jìn)行初步探討，以期為類(lèi)似工程提供參考。

1 工程概況

該邊坡為路塹邊坡，線(xiàn)路方向長(zhǎng)度為200 m，最大高度23 m。該邊坡為三級(jí)坡，第一級(jí)高8 m，坡度1∶0.75；第二級(jí)坡高8 m，坡度1∶1；第三級(jí)最大高度7 m，坡度1∶1。邊坡平臺(tái)為2 m。

該邊坡位于黃土覆蓋丘陵區(qū)，下部為泥巖。根據(jù)養(yǎng)護(hù)部門(mén)介紹，該邊坡在雨后出現(xiàn)滑塌，邊坡從邊坡一級(jí)坡面剪出，造成坡體覆蓋路面，影響交通。清理路面堆積物時(shí)，可見(jiàn)泥狀土體。具體滑塌現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖1。

圖1 滑塌邊坡

2 工程地質(zhì)條件

圖2 剖面圖

2.1 地形地貌

該段邊坡位于黃土覆蓋丘陵區(qū)，地形起伏較大，沖溝較發(fā)育，沖溝一般深 6～10 m，寬 2～5 m，呈“V”字型，坡體地面標(biāo)高約為1 261.21～1 296.84 m，自然坡角最大約為35°。自然邊坡植被不發(fā)育，偶有灌木分布。

2.2 地層巖性

根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)繪及鉆探資料成果，該段邊坡主要由第四系上更新統(tǒng)（Q3eol）粉土和下部風(fēng)化砂泥巖（P）構(gòu)成，各巖土層情況如下：

a）粉土（Q3eol）黃褐色-紅褐色，稍濕-飽和，稍密-中密，土質(zhì)較均勻，干強(qiáng)度中，韌性中，表層有植物根系。該地層分布于邊坡的上部，厚度不均勻。

b）泥巖（P） 灰白色，黃褐色，全-強(qiáng)風(fēng)化，呈土狀或碎塊狀。該部分位于邊坡的下部，構(gòu)成邊坡的基座。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2015），該區(qū)抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度，地震動(dòng)峰值加速度0.05g，反應(yīng)譜特征周期為0.45 s。

由于該邊坡穩(wěn)定性涉及范圍內(nèi)風(fēng)化的砂泥巖呈砂土狀和碎塊狀，巖層產(chǎn)狀對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較小，故野外勘察時(shí)未對(duì)巖層產(chǎn)狀進(jìn)行專(zhuān)門(mén)地質(zhì)調(diào)查。

2.4 氣象水文

邊坡工程區(qū)地下水主要為第四系松散層孔隙水，以大氣降水為主要補(bǔ)給方式，以蒸發(fā)和補(bǔ)給為主要排泄途徑，動(dòng)態(tài)隨季節(jié)性變化較為明顯，水質(zhì)良好。下部強(qiáng)風(fēng)化泥巖為隔水層，下部砂巖內(nèi)未見(jiàn)地下水。

3 地質(zhì)模型構(gòu)建及參數(shù)選擇

3.1 邊坡現(xiàn)場(chǎng)變形

從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查來(lái)看，邊坡出現(xiàn)整體滑塌有以下原因：

a）邊坡體上分布張拉下錯(cuò)裂縫。

b）邊坡前緣以水平變形為主，邊坡后緣以豎向變形為主。邊坡前緣沖毀片石擋墻，水平位移很大，而后緣豎向位移為主，后緣水平裂縫閉合，但豎向錯(cuò)動(dòng)最大達(dá)120 cm。這主要是由滑面的形狀決定的：前緣較為平緩，故其變形為水平方向?yàn)橹鳎蟛炕孑^為陡峭，故以下錯(cuò)裂縫為主。同時(shí)，該邊坡滑體前部較厚，后緣較薄，前級(jí)稍微變形，便引起后部變形較大，加之后部滑面陡峭，所以后緣產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái)較大。

c）邊坡兩側(cè)翼變形裂縫指向邊坡中線(xiàn)。兩側(cè)裂縫不是常見(jiàn)的剪切裂縫，而是張拉下錯(cuò)裂縫，這個(gè)主要是由下部風(fēng)化巖溝谷對(duì)邊坡有控制作用造成的。地質(zhì)調(diào)查可見(jiàn)，邊坡兩側(cè)風(fēng)化基巖出露，而滑體為第四系粉土，即風(fēng)化巖構(gòu)成的溝谷對(duì)邊坡邊界、深度具有控制作用。

3.2 基于工程地質(zhì)分析的地質(zhì)模型構(gòu)建及穩(wěn)定性分析

3.2.1 地質(zhì)模型構(gòu)建

以極限平衡法分析邊坡時(shí)，地質(zhì)模型構(gòu)建主要有以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：a）邊坡三維破壞范圍，在平面上以后緣、側(cè)界和前緣剪出口為界，在深度方向上以勘察取得的滑動(dòng)面為界。b）按照地層分布或者現(xiàn)場(chǎng)深度位移監(jiān)測(cè)資料，確定可能的滑動(dòng)面。c）根據(jù)邊坡穩(wěn)定狀態(tài)，給定邊坡現(xiàn)有狀態(tài)穩(wěn)定系數(shù)。d）構(gòu)建邊坡主滑動(dòng)面，依據(jù)幾何條件，參考不同試驗(yàn)條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定牽引段和阻滑段力學(xué)參數(shù)，在給定主要滑動(dòng)段內(nèi)黏聚力情況下，反算內(nèi)摩擦角，并最終確定滑動(dòng)面內(nèi)摩擦角和黏聚力。e）計(jì)算下滑力，考慮支擋結(jié)構(gòu)設(shè)置。

3.2.2 工程地質(zhì)模型與滑動(dòng)面力學(xué)參數(shù)反分析

通過(guò)圖3極限平衡方法結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察，認(rèn)為邊坡滑動(dòng)面位于一級(jí)邊坡坡腳，滑動(dòng)面位于粉土層和風(fēng)化泥巖層，產(chǎn)生的滑動(dòng)模式類(lèi)似于均質(zhì)體同生面滑動(dòng)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)變形跡象，邊坡穩(wěn)定系數(shù)在0.95～1.0之間，取0.98。由于原支擋結(jié)構(gòu)為護(hù)面墻，不考慮其支擋條件，多次計(jì)算，反算得滑動(dòng)面C=20.0 kPa，內(nèi)摩擦角φ=19.0°，計(jì)算得到下滑力為380 kN/m。

圖3 極限平衡法計(jì)算滑動(dòng)面及結(jié)果

3.3 基于室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)的模型構(gòu)建及穩(wěn)定性分析

3.3.1 地質(zhì)模型構(gòu)建

以數(shù)值模擬方法分析邊坡時(shí)，地質(zhì)模型構(gòu)建主要有以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：a）邊坡三維破壞范圍，在平面上以后緣、側(cè)界和前緣剪出口為界，在深度方向上已超出邊坡可能滑動(dòng)范圍；b）按照地層和物理力學(xué)試驗(yàn)為模型分層；c）為各力學(xué)地層賦予本構(gòu)模型和試驗(yàn)參數(shù)；d）初始應(yīng)力計(jì)算；e）開(kāi)挖計(jì)算，自動(dòng)形成滑動(dòng)面；f）設(shè)置支擋結(jié)構(gòu)。

3.3.2 力學(xué)分層的試驗(yàn)依據(jù)

3.3.2.1 室內(nèi)試驗(yàn)取樣

進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察鉆孔取樣，芯樣土體土質(zhì)均勻，黃褐色-紅褐色，較濕，土樣起始含水率為14.5%，在芯樣中選取較完整的原狀土樣，制備土樣封存進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，包括土性試驗(yàn)及強(qiáng)度參數(shù)測(cè)試試驗(yàn)。

3.3.2.2 試驗(yàn)方法及設(shè)備

試驗(yàn)儀器采用立式常規(guī)應(yīng)變控制三軸儀，可進(jìn)行固結(jié)排水剪切試驗(yàn)。利用三軸儀進(jìn)行固結(jié)排水三軸試驗(yàn)，粉土（天然/飽和）、風(fēng)化泥巖（天然/飽和）均制備4個(gè)原狀三軸試樣，圍壓控制為 50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa，當(dāng)三軸土樣有明顯裂紋時(shí)，停止剪切，關(guān)閉電源，結(jié)束試驗(yàn)。

3.3.2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

天然含水量下粉土和泥巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)見(jiàn)圖4、圖 5。

圖4 粉土應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

圖5 風(fēng)化泥巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

從圖4與圖5可以看出粉土、泥巖強(qiáng)度與圍壓呈正相關(guān)關(guān)系，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)呈現(xiàn)軟化及硬化特性取決于圍壓分界點(diǎn)200 kPa，低于200 kPa時(shí)為軟化型曲線(xiàn)，高于200 kPa時(shí)為硬化型曲線(xiàn)，且由于泥巖內(nèi)部含風(fēng)化夾塊，試驗(yàn)剪切時(shí)存在應(yīng)力突變的現(xiàn)象，故應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)比較曲折。

試樣抗剪強(qiáng)度包線(xiàn)見(jiàn)圖6～圖9。

圖6 天然含水率下粉土抗剪強(qiáng)度包線(xiàn)

圖7 暴雨后粉土抗剪強(qiáng)度包線(xiàn)

圖8 天然含水率下泥巖抗剪強(qiáng)度包線(xiàn)

圖9 暴雨后泥巖抗剪強(qiáng)度包線(xiàn)

根據(jù)固結(jié)排水三軸試驗(yàn)應(yīng)力峰值，繪制莫爾圓，對(duì)比不同含水率條件下強(qiáng)度參數(shù)，飽和條件下黏聚力及內(nèi)摩擦角均降低較多。

3.3.3 基于室內(nèi)試驗(yàn)的模型構(gòu)建及計(jì)算結(jié)果

結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)成果，各層基本物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土體基本物理力學(xué)參數(shù)

通過(guò)有限元計(jì)算，天然狀態(tài)下穩(wěn)定系數(shù)1.06，暴雨后穩(wěn)定系數(shù)0.96。有限元計(jì)算變形結(jié)果如圖10，可以看到邊坡塑性破壞區(qū)呈圓弧狀，坡腳破壞首先開(kāi)始，位于風(fēng)化泥巖和泥巖的交界面處，隨著應(yīng)力的重新分布，逐步呈現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)破壞相一致的弧形滑動(dòng)破壞。這種破壞面受地質(zhì)參數(shù)的影響較大，參數(shù)決定了滑動(dòng)弧面的形狀，當(dāng)勘察不精確，取樣密度及試驗(yàn)所得參數(shù)與實(shí)際相差較大時(shí)，所得結(jié)果往往不符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際變形。

圖10 有限元計(jì)算滑動(dòng)面及結(jié)果

對(duì)于參數(shù)選擇，所用參數(shù)應(yīng)該盡量與現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)相吻合，進(jìn)行固結(jié)排水剪切時(shí)，不同的埋深應(yīng)該取相應(yīng)深度的圍壓參數(shù)。

3.4 兩種模型分析結(jié)果對(duì)比分析

從兩種方法的構(gòu)建模型、參數(shù)選取及計(jì)算中可以看到，兩種方法是完全不同的工作思路：一種以破壞模式為出發(fā)點(diǎn)，以現(xiàn)有穩(wěn)定狀態(tài)為依據(jù)，反算參數(shù)，最終取得結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)值；另一種從原始狀態(tài)出發(fā)，以試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為主要依據(jù)，從邊坡破壞機(jī)理出發(fā)進(jìn)行數(shù)值分析，最終得到破壞面和結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)值。

a）地質(zhì)分析的方法重在根據(jù)變形的蛛絲馬跡，構(gòu)建正確的破壞面，進(jìn)而取得結(jié)果。這種方法的優(yōu)勢(shì)是滑動(dòng)面確定，計(jì)算簡(jiǎn)單，便于手算，但是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的要求較高。

b）基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)變形行跡的調(diào)查要求相對(duì)較低，但取樣質(zhì)量、數(shù)量及室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)置相對(duì)復(fù)雜，存在較大的不確定性因素，對(duì)取值的經(jīng)驗(yàn)要求較高。

c）兩種分析方法都可作為以后設(shè)計(jì)中的分析手段加以運(yùn)用，只是需要與現(xiàn)場(chǎng)變形情況對(duì)比，調(diào)整模型、參數(shù)，達(dá)到符合實(shí)際變形情況。

4 結(jié)語(yǔ)

地質(zhì)模型構(gòu)建和參數(shù)選取是邊坡工程實(shí)踐中最為重要的內(nèi)容，本文對(duì)某高速公路邊坡進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察，并分別依據(jù)工程地質(zhì)分析和室內(nèi)試驗(yàn)參數(shù)兩種方法分別構(gòu)建地質(zhì)模型，并對(duì)穩(wěn)定性分析和變形結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，形成的主要結(jié)論如下：

a）在邊坡穩(wěn)定性分析中，工程地質(zhì)條件的調(diào)查是重中之重，無(wú)論何種分析方法，都涉及地質(zhì)模型構(gòu)建問(wèn)題（邊坡的幾何形狀、物理邊界、變形特征和力學(xué)參數(shù)），故采用合理的、針對(duì)性的勘察手段，取得準(zhǔn)確的工程地質(zhì)條件是穩(wěn)定性分析的前提。

b）傳統(tǒng)極限平衡方法是在準(zhǔn)確構(gòu)建地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)變形分析，確定邊坡變形范圍、破壞區(qū)域、運(yùn)動(dòng)模式，以穩(wěn)定性系數(shù)為準(zhǔn)繩，反算破壞面參數(shù)，最終為支擋結(jié)構(gòu)計(jì)算提供依據(jù)。

c）基于室內(nèi)試驗(yàn)參數(shù)的模型計(jì)算結(jié)果顯示，邊坡的變形和破壞模式與所取參數(shù)變化敏感，有時(shí)甚至產(chǎn)生與現(xiàn)場(chǎng)不相符的變形特征或者破壞模式，室內(nèi)試驗(yàn)及地層分布構(gòu)建的模型計(jì)算結(jié)果需與現(xiàn)場(chǎng)匹配，否則得到錯(cuò)誤的結(jié)果。

d）室內(nèi)固結(jié)排水三軸試驗(yàn)顯示，粉土、泥巖強(qiáng)度與圍壓呈正相關(guān)關(guān)系，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)呈現(xiàn)軟化及硬化特性取決于圍壓分界點(diǎn)200 kPa，低于200 kPa時(shí)為軟化型曲線(xiàn)，高于200 kPa時(shí)為硬化型曲線(xiàn)。構(gòu)建地質(zhì)模型時(shí)，應(yīng)根據(jù)地層埋深，分別賦予本構(gòu)模型和取值。

e）傳統(tǒng)極限平衡方法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)變形特征、破壞模式和范圍需要有敏銳的洞察力；數(shù)值分析方法則對(duì)參數(shù)選取較為敏感，在實(shí)踐中，兩種方法相互對(duì)照，往往可以取得較好的效果，防止出現(xiàn)未能預(yù)見(jiàn)的破壞模式，造成工程失敗。