沥青拌合站土质边坡变形特征及稳定性分析

於 开 炳

(湖北省交通规划设计院股份有限公司,湖北 武汉 430050)

沥青拌合站土质边坡变形特征及稳定性分析

於 开 炳

(湖北省交通规划设计院股份有限公司,湖北 武汉 430050)

结合老河口公路局沥青拌合站土质边坡周边工程地质条件分析了边坡变形的原因，并就典型坡体截面应用理正软件分析了正常和降雨入渗两种工况下坡体稳定性，同时应用Flac3d有限差分软件研究了坡体变形特征,对比理正软件稳定性分析结果和数值模拟变形规律可以得出该土质边坡不能满足稳定性需求，并提出相应的边坡加固措施。

土质边坡，变形特征，稳定性分析，治理加固

0 引言

自然斜坡和人工边坡统称为边坡，边坡病害是一定范围的边坡地质体在众多因素共同作用下的结果，而且边坡病害对人类生存环境构成了极大威胁。在工程建设向山区发展的过程中，边坡灾害问题日益突出，且每年的灾害治理费用十分惊人。在分析边坡变形特征及坡体稳定性分析的基础上结合工程常见治理措施可以有效控制坡体变形。Flac3d有限差分数值模拟软件可以根据边坡工程地质条件模拟分析坡体变形特征[1-3]，且在边坡稳定性分析及其灾害防治方面发挥着重要作用。另一方面，理正边坡稳定性分析软件在边坡灾害防治与治理方面以其简单、方便、有效的特点为工程设计人员所常用[4]。本文依托老河口公路局沥青拌合站土质边坡治理工程，在分析其工程地质条件的基础上，定性分析了造成该坡体区域变形过大的原因，并结合Flac3d有限差分数值软件模拟了多种工况下边坡形成过程中的坡体变形特征，对比理正边坡稳定性分析和强度折减法分析结果确定了该处土质边坡的稳定性，并提出相应的边坡加固措施。

1 工程概况

项目区隶属于老河口市辛店岗村,老河口公路局沥青拌合站边坡因取土开挖产生，平面呈不规则扇形分布，可以分为A区、B区、C区和D区四段(见图1)。该边坡全长约510 m，边坡最大高度约15 m。

项目区地表水主要分布于附近冲沟中。地下水主要为上层滞水，主要接受大气降水的补给，呈季节性变化。但由于坡体裸露，坡体表层物质结构较松散，渗透性较好，在坡体浅层赋存有一定的地下水，在雨季坡体呈完全饱水状态。项目区植被不发育，以荒草地为主，项目区人类工程活动较强烈，主要为农耕活动、工程取土及坡脚场地开挖等，水土保持较差。项目区未见基岩出露，主要出露第四系物质，主要为第四系上更新统黏土，灰褐色～黄褐色，硬塑状，局部含姜石及灰白色条带状、透镜体状高岭土，具弱～中膨胀性，失水易干裂、遇水易软化、崩解。

2 边坡变形原因

项目区包括A,B,C,D四个区，其中B和C区坡体变形较大，A和D区坡体变形较小。根据该边坡现场调查情况、地质勘查报告及变形特征，现从内因和外因两方面对该边坡变形破坏成因进行分析，具体如下。

2.1 内因

该边坡变形破坏的内在原因主要为坡体物质组成及地形坡度。该边坡坡体物质组成主要为第四系晚更新统黏土，其具有弱～中膨胀性，失水易干裂、遇水易软化、崩解，在持续干旱条件下，边坡坡体局部开裂，而坡体浅表层为耕植土，物质松散，在降雨及降雪等条件下，雨水沿裂隙下渗进入坡体，一方面软化坡体物质，降低坡体物质的抗剪强度，减小抗滑力；另一方面将在边坡坡体内产生静水压力，同时坡体物质饱水将增加坡体自重，这些将大大增加坡体的下滑力。而边坡地形坡度较陡，边坡存在较大的临空面，这将大大增加边坡的下滑势能，从而增加边坡的下滑力。

2.2 外因

该边坡变形破坏的外在因素主要为坡脚开挖、降雨、坡顶居民生活用水排放及坡面开垦四个方面。

1)坡脚开挖：因拌合站将开展新的工程建设，边坡区进行场平导致边坡坡脚开挖，增大了边坡的临空面，且使边坡下部失去支撑，从而使边坡发生失稳破坏。

2)降雨：据调查，边坡失稳破坏前已经历较长时间的持续降雨，降雨沿坡体裂缝下渗至边坡坡体中，一方面软化坡体物质减小抗剪强度，另一方面增加坡体自重，同时在坡体物质中产生静水压力及动水压力，使坡体发生失稳破坏。

3)坡顶居民生活用水排放：根据现场调查，坡顶附近有居民3户～5户，其生活用水基本都向边坡区排放，其主要沿边坡坡顶裂缝下渗，一方面软化坡体物质减小抗剪强度，另一方面在坡体物质中产生静水压力，使坡体发生失稳破坏。

4)坡面开垦：因边坡区一直处于即将治理状态，且因主管领导换届等原因，边坡坡面已经开垦，边坡坡面植被基本已经破坏，边坡坡体裂缝完全暴露，这大大增加了降雨过程中雨水的渗入量，从而增加坡体的下滑力，降低边坡的抗滑力，使坡体发生失稳破坏。

3 边坡典型截面变形规律

根据现场调查情况，B区边坡目前变形比较明显，因此，此次边坡稳定性计算主要针对B区边坡。且定义工况如下：1)正常工况：天然状态下的工况；2)非正常工况Ⅰ：暴雨或连续降雨状态下的工况。

3.1 模型的建立

B区的边坡坡长为50 m,坡高为15 m，如图2所示为B区数值模拟模型图，为保证计算的精度，所建立的模型长度为60 m,坡高为20 m,即沿坡脚向下延伸5 m，宽度方向上取2 m。该模型的左边界和右边界均固定水平方向位移，底部边界固定竖向位移，整个模型在x方向上不产生变形。

3.2 强度参数的选取

根据地勘报告室内试验成果，边坡坡体物质的天然抗剪强度参数分别为：C=32.9 kPa，φ=17.1°，考虑到目前这两段边坡变形明显，同时考虑到坡体物质具有中等膨胀性，根据相关规范、经验及国内外研究成果，对该坡体物质室内试验抗剪强度进行一定的折减，其具体取值见表1。

表1 边坡稳定性计算岩土力学参数表

3.3 变形特征分析

1)B区土质边坡水平变形规律分析。

如图3所示为B区天然边坡状态下边坡y方向的位移云图，从图中可以看出在坡肩部位发生了y轴正方向的位移，位移范围为5 mm～9.8 mm，且在坡面的水平向位移较大，往边坡内部逐渐减小；该边坡在距离右边界14 m处发生了朝y轴负方向的位移，边坡最大y方向位移出现在距离右边界14 m处，此处距离坡顶15 m，坡体水平位移从最大水平位移处向外辐射逐渐减小。

对比图3和图4可知，当挖除该处边坡脚时，边坡的水平位移的最大值并没有显著的提高，但是对比天然状态和挖除坡脚两种状态的位移云图可知，在挖除坡脚后，坡体变形规律如下：同一位置处挖除坡脚时的变形比天然状态时较大，平均增大了5 mm～6 mm;水平变形从挖除土体部位开始往坡肩部分逐步发展，且在挖除土体部位出现了朝y轴正向位移的部分，即在坡脚挖除部位出现了挤压作用，将导致坡脚隆起，此时坡肩有拉张裂缝产生。

2)B区边坡剪应变规律分析。

对比图5和图6可知，当挖除坡脚部分土体时，在原坡脚周围会产生较大的剪应变，周围土体的剪切变形显著增大，在坡体内部远离坡脚的位置剪应变没有明显变化，说明在挖除坡脚土体变形在小变形范围时坡体剪应变增大的影响区域有限，并且集中在坡脚位置处。

3)天然工况和暴雨工况下的水平变形分析。

对比图4和图7可知，在暴雨工况下坡体整体变形均较大，此时坡体朝坡外最大水平位移为58.9 mm，明显大于天然状态下的26 mm的水平位移，在坡肩位置虽然出现了朝y轴正向的位移，但是变形仅达到7.45 mm，相比天然状态时的水平变形有所减小。

4 正常和降雨入渗条件下的边坡稳定性计算

理正计算边坡稳定性是在确定各土层参数的基础上应用圆弧滑动法确定的稳定性系数，而Flac3d数值模拟软件是利用强度折减法[5,6]确定的稳定性系数。

1)B区原边坡稳定性计算。

根据边坡目前应急处置后的边坡形态对该边坡稳定性进行计算，得到该边坡的稳定性系数如表2所示。

表2 B区边坡(场平前)稳定性计算结果

从表2中可以得出：B区边坡在两种工况下的稳定性均满足要求，可以保证坡体工程地质条件不发生明显变化的情况下能够自稳。

2)坡脚开挖后边坡稳定性计算。

根据边坡目前应急处置后的边坡形态对该边坡稳定性进行计算，得到该边坡的稳定性系数如表3所示。

表3 B区边坡(场平后)稳定性计算结果

从表3中可以得出：在天然工况下挖除坡脚时，坡体仍有一定的自稳能力，但是在暴雨工况下边坡的稳定性不满足坡体稳定要求，必须对该边坡进行加固治理。

5 结语

1)应用数值模拟分析边坡变形特征可知，坡肩处容易产生拉张裂缝，坡脚处容易形成剪出口。

2)对比天然工况和暴雨工况下的边坡变形云图可知，降雨对边坡变形的影响较大，暴雨工况下土体力学参数显著减小导致边坡抗滑力减小，边坡的稳定性降低。

3)对比天然坡形和挖除坡脚两种工况可知，坡脚挖除对坡脚部分的变形影响十分明显，同一坡体位置处的水平变形几乎增大了5 mm～6 mm，往坡体内部延伸则受坡脚挖除的影响逐渐减小。

4)对比圆弧滑动法和强度折减法计算的边坡稳定性系数可知，基于圆弧滑动法计算的边坡稳定性系数较小，相对保守，而强度折减法的结果偏大，这与强度折减法的实现步骤关系紧密。

5)针对该土质边坡进行的坡体变形特征分析和稳定性计算可以确定该边坡需要进行加固，现提出其主要的治理措施：a.对边坡进行削坡，同时设置分级平台，降低边坡坡率。b.在边坡坡脚设置挡土墙，增加坡脚的稳定性及坡体的抗滑力。c.在边坡坡顶设置截水沟、坡脚设置排水沟及坡面设置急流槽等截排水措施，减少降雨及居民生活用水入渗。d.边坡坡面设置方格骨架+植草，降低降雨沿坡面的入渗量及减小坡面冲刷。

[1] 乔国文，王运生，房冬恒,等.西南某电站右岸开挖边坡稳定性的FLAC3D分析[J].工程地质学报，2004,12(3):280-284.

[2] 程 斌.考虑格栅反包的加筋膨胀土边坡稳定性数值模拟分析[D].长沙：长沙理工大学，2012.

[3] 陈 冉.基于强度折减的复杂土坡稳定性分析[D].北京：北京建筑大学，2014.

[4] 顾晓强.边坡稳定性分析方法及其应用研究[D].上海：上海交通大学，2007.

[5] 张芳枝，陈晓平，梁志松,等.强度折减法有限元在堤防稳定性分析中的应用研究[J].工程地质学报，2011,19(2)：244-249.

[6] 吕 庆，孙红月，尚岳全,等.强度折减有限元法中边坡失稳判据的研究[J].浙江大学学报(工学版)，2008,42(1)：83-87.

Deformation characteristics and stability analysis of soil slope in asphalt mixing station

Yu Kaibing

(HubeiProvincialCommunicationsPlanningandDesignInstituteCo.,Ltd,Wuhan430050,China)

Taking the soil slope of the asphalt mixing station of Laohekou Highway Bureau as an example, the slope deformation is analyzed according to the surrounding engineering geological conditions. And the stability of the slope under normal conditions of normal and rainfall infiltration is analyzed by using the software of the typical slope section. At the same time, the deformation characteristics of the slope are studied by Flac3d finite difference software. The results of the analysis of the stability of the software and the numerical simulation of the deformation can be concluded that the soil slope can not meet the stability requirements, and put forward the corresponding slope reinforcement measures.

soil slope, deformation characteristics, stability analysis, reinforcement

1009-6825(2017)21-0056-03

2017-04-24

於开炳(1985- )，男，工程师

P624

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