公路边坡稳定性评价及治理

专注地信

摘  要  滑坡是公路建设中常见的地质灾害，对公路工程的安全施工及运营有严重影响。
本文以某公路工程边坡治理为背景，结合实际工程地质特征，分析了影响边坡稳定的各种
因素，采用弹塑性理论与极限平衡理论相结合的方法，借助数值模拟，对边坡的稳定性进行
评价，并针对潜在的滑坡提出综合治理措施。工程实践证明：用此方法进行边坡治理效果良
好，其工程经验可供其它类似的公路边坡治理借鉴。
关键词  公路  边坡  有限元法  稳定性
0  引言
    在一定的地形地质条件下，随着外界条件的变化(在各种自然或人为因素——如坡面植被破坏、长期受水浸润、坡脚开挖等作用下)，坡体原有的力学平衡条件也相应发生变化，当边坡土体或岩体中某点的剪应力值超过抗剪强度时，该点即处于剪切屈服状态。若屈服点连成一片并形成范围较大的屈服区域时，土体即有可能沿某一屈服面发生整体滑动破坏。临近山区修筑公路不可避免扰动边坡岩土，破坏坡体的自然平衡状态，如不加以治理或加固
措施不当，易引起滑坡。因此须对容易发生滑坡的地带进行深人调查，查明情况，判断边坡的稳定性，按照“防治结合、以防为主”的原则，及早及时地治理，以防后患。
1  工程概况
    某公路边坡所在丘陵的相对高程约20m，坡度较陡，一般在30º左右。本区雨量充沛，气候湿润，斜坡植被发育良好，山坡至坡顶均为土层覆盖。受雨水及山体地形的影响，山体表面裂缝较多，小规模的土滑到处可见，大多以浅层、蠕动变形为主。由于坡顶已有建筑，因此以前已对边坡进行了抗滑桩(部分地段加锚杆)加固，但由于设计的不合理和边坡排水设
施的不完善，2003年该地区普降罕遇暴雨，受此作用诱发，部分区域发生多处滑坡，并有进一步发展的趋势，对公路的安全运营和坡顶建筑物的安全产生直接威胁。   
    该区地质区域属于宁镇山脉北部隆起向西延伸的尾端，基岩为中生代的陆相沉积物，根据地质调查，现场钻探、坑探及室内岩土试验成果，坡体钻探区域内有较厚的第四系覆盖层分布，根据其工程地质条件自上而下可分为以下8个工程地质岩层：
(1) 素填土层，可塑，土质较差，厚0．8—4．5m。
    (2)粉质粘土层，可塑，无摇震反应，光滑，干强度高，韧性中等偏高，局部缺失，最厚7．0m。
    (3)粉质粘土层，可塑，无摇震反应，稍有光滑，于强度高，韧性中等，局部缺失，层厚5.2-7．0m。
    (4)粉质粘土层，硬塑，无摇震反应，光滑，干强度高，韧性高，层厚2．7-11．3m，层面埋深0.8～14．5 m。   
    (5)粉质粘土夹卵砾石层，可塑，稍密，层厚0．2-2．5m，层面埋深3．7～25．6m。
    (6)全风化泥岩、粉砂岩层，层厚2．0～2．7m，层面埋深5．4-27．0m。
    (7)强风化泥岩、粉砂岩层，层厚1．2—3．3m，层面埋深7．6、29.0m。
    (8)中风化泥岩、粉砂岩层，揭露最大厚度2．2-3．5m，层面埋深8．8—31．0m。
    边坡为第四系土层覆盖，土质松软，抗剪强度较低，如果不及时治理，在雨水冲刷、地下水渗流及土坡重力的耦合作用下，坡体极有可能发生大规模的滑坡。
2  边坡稳定性计算与评价   
2．1  边坡影响因素与分析   
    边坡自下而上为全风化泥岩、卵砾石层、粉质粘土层、素填土层基本成层分布，岩土体的强度由下往上逐渐变小。由于表层土性较差的第四系松散堆积和填土层厚达到20m以上，同时此处边坡虽然不高但较陡，表层土体抗剪强度较低，边坡难以保持自稳，在重力作用下极有可能发生滑坡。坡顶的建筑荷载加上公路建设中对坡脚的开挖，进一步恶化了土体中的应力场，虽然当时对边坡曾作了一定的处理，但原有的边坡支护方式、参数不甚合理，且支挡结构中排水系统没有设置或设置不当，造成了工程地质条件恶化，降低了安全系数。在雨季，由于地表雨水的冲刷及下渗，不仅增加了滑体荷载，降低了土体的抗剪强度，而且增加了孔隙水的渗流力，从而诱发土体滑坡。
2．2  边坡稳定性分析
    理论上研究边坡稳定性问题有两种不同的途径，一种是利用弹塑性理论分析土体的应力应变状态，另一种是假设土体沿着一定的滑移面的滑动作极限平衡分析。前者可将复杂的弹塑性应力应变关系纳入到变形和稳定计算中，并给出数值解。后者则通过对潜在滑移面的搜索，找出最小安全系数及对应的滑移面。为了定量地揭示和模拟边坡的破坏、变形和失稳前后的过程和机制，本文拟将二者有机的结合起来，通过数值模拟计算边坡土体中的应力场，分析土体的变形，并结合边坡滑移面安全系数的计算，分析土体中潜在的滑移面，评价边
坡的整体稳定性。
    边坡的有限元模型边界上部取至地表，采用自由边界，下部取至坡顶下45m，竖向约束，水平向自由，水平向取85．0m，两侧边界水平向约束，垂直向自由，坡顶建筑物简化为20kPa的均布荷载，计算网格如图1所示。模形采用八结点等参单元，计算时土体及原有的抗滑桩(挖孔灌注桩)均采用莫尔模型，采用的计算参数如表1所示。
2．3  计算结果及分析
    由计算分析可知，坡面、坡顶及坡脚的挡墙处均出现拉应力，挡墙处产生了较大的应力集中，坡脚出现较大的塑性区。土体中最大剪应力方向基本同坡向一致，土体有发生剪切破坏的可能。坡体表面土层均有明显的下滑趋势，坡体各潜在滑移面的安全系数如图3所示，可以看出，坡体的安全系数偏低，特别是坡体表层，尚不足1，有些区域甚至在0．2左右，有滑坡倾向。
3  边坡加固方案   
    边坡自下而上为全风化泥岩、卵砾石层、粉质粘土层、素填土层基本成层分布，岩土体的强度逐渐变小，越容易变形，土层性质变差，应力容易释放，这样一种山体结构对于山体中应力分布与水平较为协调，有利于边坡的整体稳定性。岩土体中没有发现性质很差，不利于边坡稳定性的软弱夹层。各层之间分界面或分布不均或性质差异不大且近水平状，不会构成滑面的主体。从上述计算分析可知，坡体表层土体稳定性较差，有发生浅层滑坡的危险，坡脚处应力较大，容易发生坍塌，坡顶建筑底层土体有发生深层滑移的危险。基于以上分析，制定如下加固措施：
    (1)滑坡前缘通过清理后，采用支挡措施，坡面修削平整，后缘适当减载。如果不能减载，则应加固支挡措施，并加固滑坡土体。
    (2)排水系统的设置，包括(含滑体范围以外)设置排水沟，防止地面水渗入滑坡体内，在滑坡整治过程中，布置一定数量的坡体排水设施。
    (3)挡土系统：在滑坡体中部原有挖孔桩间加一排锚杆抗滑桩，坡体前缘原板墙处改设扶壁式挡墙；采用格构式土钉支护以加固滑坡体。
    (4)排水系统：在滑坡体后缘外约10m处设置一道截水沟，坡面上冠梁处设一道排水沟。排水沟原则上沿等高线设置，均向两侧排水至截水沟，截水沟通往两侧的集水井，最终排至道路排水系统。
    (5)恢复滑坡处植被，减轻雨水对坡体的冲刷作用。
    (6)加固后加强对滑坡体的安全监测。
    一年后观测结果表明，现有坡体已经稳定，土体中无继续变形趋势。
4  结论
    在雨水冲刷、地下水渗流及土坡重力的耦合作用下，坡体有发生大规模滑坡的危险，但主要以表层土滑为主，坡脚处应力较大，容易发生坍塌，坡顶建筑底层土体有发生深层滑移的危险，受地质、地形及气候条件的制约，宜采用排水、加固相结合的综合治理措施。