強變形階段邊坡的治理效果分析

■王 鴻

（福建省交設工程咨詢有限公司，福州 350004）

近年來，地勢平坦的沿海地區工程建設已接近飽和，新項目逐漸向山區拓展，因用地需要，在丘陵地區出現了大量的邊坡工程。 這些邊坡工程在開挖后形成臨空面，失去了原有自身坡腳巖土的支擋作用，穩定性系數呈下降趨勢，在經歷強降雨后產生不利變形，如不及時、合理地進行支護，則可能產生更大變形最終形成滑坡，對坡腳的工程造成各類損失。 以東部沿海地區某工廠內邊坡為例，從降雨后邊坡出現滑動破壞的早期特征出發，結合該邊坡的排水加固措施對其進行數值模擬，從加固前后剪應力、塑性區、位移分布以及排水前后地下水位、孔隙水壓力等方面，結合基礎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。 邊坡段落長度60 m，天然山坡開挖后形成2 階邊坡，坡率約1∶1.00，坡頂與坡底高差24～28 m，開挖后坡面以全風化巖地層為主。 受紅線所約束，其上部未開挖的范圍有較厚的土質地層分布。

1.1 工程地質條件

天然坡度介于35°～42°。 地表坡積層主要為坡積粉質黏土厚度為5～7 m；下伏基巖為燕山期（γπ）花崗斑巖及其風化層，其中全風化巖厚度為10～14 m并夾有15%左右風化不均的碎塊，碎塊狀強風化巖厚度3～5 m， 中風化巖未揭穿。 坡面直徑在3～5 m的孤、滾石較發育，屬典型的花崗巖地區地質特征。根據區域地質，該邊坡區域受北東向為主的構造所切割， 受其影響該邊坡發育的構造帶主要有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化層中可見夾碎塊狀強風化層的突變特征，并在中風化層中形成節理裂隙密集帶。

1.2 水文地質條件

工廠所在地區屬亞熱帶濕潤型季風氣候，年平均降水量達1 725.5 mm， 主要集中在每年4—7 月的梅雨季節及8—10 月的臺風雨季。 邊坡附近地表水不發育，坡體內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-強風化層中的孔隙水以及基巖孔隙水2 類，邊坡穩定地下水位在剖面上有起伏較小。 鉆孔所揭示的中風化層多為較穩定的隔水層，透水性弱。 而全-強風化帶存在區域構造產生的次生節理裂隙密集帶為強透水帶，水體不易積儲。 節理密集帶水位較低且具有一定的承壓性，一般位于碎塊狀強風化層中至下部，而節理密集帶以外水位則較高，接近于坡積層底部。

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

2 滑坡征兆分析

當年4—5 月當地遭遇強降雨， 邊坡監測數據顯示，在近2 個月的時間內孔內最大橫坡向位移約25 mm，地表處裂縫寬度約85 mm，且可以排除是施工擾動或其他人工原因所導致。 針對該異常變化，即對該邊坡開挖面及以上坡體進行踏勘。 在踏勘過程中發現， 原坡面僅在局部進行簡單的噴砼，坡頂以下6 m 左右接近坡積層與全風化層界面位置表面噴砼出現縱坡向裂縫但尚未貫穿，仰斜式排水孔布置數量偏少且排水孔下沒有明顯的水痕，說明排水管深度可能未達到足夠深度。 在開挖面頂部發現了1 處新產生的裂縫（圖1），寬2～8 cm。 開挖面頂部裂縫延伸長度約12 m。

圖1 邊坡開挖面頂部裂縫

根據監測及踏勘結果，受近一段時間降雨影響，邊坡已在坡表出現張拉裂縫，開挖面也出現鼓脹裂縫，說明邊坡正處于強變形階段[1]，根據開挖面裂縫位置確定滑動面處于坡積層與全風化層交界處附近，且具有向全風化層發展的可能性[2-3]。 原開挖面基本沒有采取支護和排水措施，加之臨近東部沿海8—10 月臺風頻發，經過討論決定立即對處于強變形階段的邊坡采取包括增設截水溝、仰斜式排水孔、預應力錨索、抗滑樁的多種手段進行排水加固處理，以確保坡腳工廠建筑物的安全。

3 治理效果分析

根據勘察報告提供的地層及節理密集帶的物理力學指標，采用軟件對該邊坡典型斷面進行數值模擬，對排水加固前后的地下水位、剪應力、塑性區、位移分布及穩定性系數進行計算和對比，進而分析滑坡發生機理并評價加固效果。 巖土體物理力學參數見表1，數值模型見圖2。

表1 巖土體物理力學參數

圖2 邊坡典型斷面數值模型

3.1 地下水位與剪應力分析

排水加固前后的地下水位及剪應力分布云圖見圖3～4。 邊坡從穩定狀態至發生變形最終發展成為滑坡的過程，往往是在經歷了大量降雨，因巖土體的重度上升，黏聚力及抗剪強度下降，同時受到順坡向滲流產生的滲透力影響，最終導致了下滑力的增加及抗滑力的減少而發生失穩。

圖3 排水加固前滑坡地下水位與剪應力云圖

圖4 排水加固后滑坡地下水位與剪應力云圖

當降雨入滲無法避免時，則需通過截水、排水措施，減少入滲量或提高排泄速率的方法，以盡可能減少水對邊坡巖土體的不利影響。 在排水前，監測數據顯示近坡腳處地下水位埋深0.5 m；并適當提高坡體內地下水位埋深作為不利工況進行模擬，邊坡中上部地下水位埋深取全風化層頂面。 設置截水溝、仰斜式排水20 d 后，監測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化層頂面降至碎塊狀強風化層中，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，同時其物理力學性能得到了明顯改善。

從剪應力角度而言，引起滑坡的根本原因在于土體內部某個面上的剪應力達到了其抗剪強度，并在剪出口產生應力集中，直至穩定平衡態受到破壞。剪應力達到抗剪強度的原因有2 種，一是剪應力的增加，對于該邊坡，主要體現在降雨使巖土體重度增加；二是降雨導致物理力學性能降低造成有效抗剪強度降低。 在經過預應力錨索、抗滑樁治理后巖土體的松散結構得到改善，大主應力上升，抗剪強度提高，同時使邊坡巖土體中的剪應力分布與大小得到改善。 邊坡剪應力分布在坡腳一帶的剪出口產生集中。 加固前坡面、 坡腳的最大剪應力為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。剪應力和孔隙水壓力均有了顯著的下降，且排水加固后的剪應力集中程度明顯改善。

3.2 塑性區分析

治理前后的塑性區分布圖見圖5～6。 在土力學及數值模擬分析中，常將天然狀態下的巖土體假設為彈塑性體。 巖土體變形的初始階段屬于彈性變形，發展到一定程度后巖土體則開始發生塑性屈服，這部分塑性變形為不可逆變形。 巖土體發生塑性變形的區域為塑性區，塑性區的產生或在局部或為整體，其位置往往預示著邊坡可能發生滑坡的區域，塑性區貫通性越好表明該部位穩定性越差，當塑性區域完全貫通時，邊坡即可能出現滑動破壞[4]，其底面即為底滑面。

圖5 排水加固前滑坡塑性區

由圖5 可知，未經加固時塑性區由坡積層延伸至工廠地坪，貫穿整個坡積層并部分深入至全風化層中上部，貫通性強，說明邊坡在該部位發生變形破壞的可能性很大，或已發生變形破壞；由圖6 可知，在經過加固之后，坡積層和全風化層中上部的塑性區范圍有了明顯的縮小，大多集中在開挖面以上因紅線約束而無法進行加固的坡積層中。 此外，盡管塑性區具有向全風化層底面發展的趨勢，但該處塑性區域不具有貫通性，尤其在錨索及抗滑樁附近塑性區基本消失，說明了邊坡加固措施的有效性。

圖6 排水加固后滑坡塑性區

3.3 位移分析

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

圖7 排水加固前邊坡位移云圖

在對邊坡進行排水加固后，坡表欠穩定區域巖土體完整性受到一定程度上的加強，整體力學強度得到了提高，原先存在的潛在滑面被加固。 然而這可能導致經過錨固的區域形成一更大的滑體，沿著地層深處形成的新滑動面產生滑移破壞。 因此支護的布置是關鍵因素，要做到既能加固不穩定巖土體，又不使邊坡深部在加固后產生新的滑動面。 因此，本次支護方案中預應力錨索長度32～36 m，確保錨固段處于相對穩定的碎塊狀強風化層中；抗滑樁嵌入穩定的中風化層中。

由圖8 可知，加固后最大位移依然出現在坡積層表面，但位移量由加固前的90 mm 降低至30 mm，全風化層中下部直至其底面也出現了微量位移，說明經過加固后，雖然滑移面有向全風化層底部轉移的趨勢，但其合位移量僅為3 mm。 結合3.2 節中塑性區的分析結果，盡管邊坡在加固后的整體位移存在由坡積層向全風化層發展的情況，但其值極小，不會形成新的深層滑移，說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 穩定性系數

該邊坡為永久邊坡， 以坡積土及全風化巖為主，巖體類型屬IV 類，高度大于15 m，小于30 m，破壞后果很嚴重，因已出現滑坡征兆，故為I 級邊坡，邊坡穩定安全系數Fst為1.35。計算結果見圖9～圖10 和表2。

表2 邊坡穩定安全系數

圖9 排水加固前邊坡最不利滑動區

圖10 排水加固后邊坡最不利滑動區

由表2 可知，排水加固前邊坡最不利滑動區的剪出口位于開挖面頂部的坡積層底部附近，處于欠穩定狀態，與觀察到的實際開裂情況相符。 而采取增設預應力錨索、抗滑樁、截水溝及仰斜式排水孔等多方面措施進行排水加固后， 邊坡處于穩定狀態，達到了預定的加固效果。

4 結論

通過踏勘，發現邊坡因長時間降雨，出現了坡頂張拉裂縫、開挖面鼓脹裂縫，表明邊坡正處于強變形階段，進而采用包括增設仰斜式排水孔、截水溝、預應力錨索、坡底設置抗滑樁等多方面措施進行治理。 總體而言，滑坡之所以產生，主要是因為降雨使巖土體重度增加、下滑力增大，物理力學強度指標下降、抗滑力減小所造成。 而對內在的應力應變進行數值模擬分析可以發現，剪應力的集中程度、塑性區的貫通性均是邊坡的穩定性以及滑面位置的控制因素[5]。 在經過排水加固后，坡腳的孔隙水壓力值、剪應力值與剪應力集中程度明顯減小，塑性區的貫通性也得到明顯改善，計算得穩定性系數滿足要求，說明了排水加固措施的有效性。 經過治理的邊坡已處于穩定狀態，但安全富余度并不充分。 鑒于長期安全性考慮，已建議工廠向相關部門申請擴大部分用地紅線，適當對開挖面以上天然坡面放緩坡率并采取相應的支擋措施，同時加強植被保護并改植利于水土保持的樹種，禁止亂砍濫伐，防止因開挖面以上坡體產生滑動而影響工廠安全。