某高陡边坡稳定性分析及加固后评价

张红章，何丽娟，范卫琴，朱春笋

（1.三明学院 建筑工程学院，福建 三明 365004；2.湖北省水利水电科学研究院，湖北 武汉 430070；3.重庆永固建筑科技发展有限公司，重庆 404100）

某高陡边坡稳定性分析及加固后评价

张红章1，何丽娟2，范卫琴1，朱春笋3

（1.三明学院 建筑工程学院，福建 三明 365004；2.湖北省水利水电科学研究院，湖北 武汉 430070；3.重庆永固建筑科技发展有限公司，重庆 404100）

阐述了某高陡边坡加固前后的稳定状态及预应力锚索加固方式，运用了极射赤平投影的理论分析法、FLAC3D有限差分数值分析法以及现场监测法等手段对高陡边坡稳定性进行了分析和评价，结果表明这三种方法能够有效分析高陡边坡的稳定性并相互印证，同时表明预应力锚索对高陡边坡竖直位移和水平位移等方面具有良好的加固和约束作用。

高陡边坡；极射赤平投影；数值分析；监测

工程建设过程中因地形地质等条件限制极易形成高陡边坡，给工程建设安全和经济效益带来较大影响，深入开展高陡边坡失稳机制、边坡加固和预测预报的基础研究，对于推动边坡加固治理技术发展、防治高陡边坡诱发的地质灾害具有重要的理论与实际意义[1]。针对边坡失稳破坏地研究，国内外学者常采用的研究手段有理论研究、数值模拟、模型试验以及现场监测等[2]。本文采用极射赤平投影图理论分析法结合工程地质地貌特征，分析了22 m高陡边坡的稳定性；利用FLAC3D有限差分软件数值分析法，分析了加固前后边坡竖直和水平位移的变化及变化速率等情况；采用现场监测手段，分析加固后边坡的竖直位移、水平位移及裂缝等开展情况，研究预应力锚索框架梁加固22 m高陡边坡技术上的可行性。

1 工程概况

三明市区西南部泉三高速公路安置片房小区西侧，因石料开采形成了长约210 m，最高约22 m坡度近乎垂直的岩土质陡崖，坡顶靠近正在施工的205国道沙县后底至永安吉山公路改线工程。据勘测表层为坡积粉质粘土，下伏碎块状强风化～中风化岩，岩体节理裂隙发育，地下水很丰富。部分段落岩体倒悬，存在“探头岩”，在裂隙面切割组合作用下，倒悬岩体可能会发生崩塌、掉块等病害；局部段落岩块脱离母岩，形成凹型岩腔，破坏了岩体边坡整体稳定性；坡体岩面陡倾，且软弱结构面发育，在降雨或外荷载影响下可能发生崩塌或沿软弱结构面滑移等病害；岩体被节理裂隙面切割成大小不一的楔型块体，坡面浮石、松动的岩块较多，裸露的岩石经长年风化作用后在重力及雨水作用下会产生掉块、落石等病害，威胁坡脚附近住宅区。

1.1 地形地貌特征

本段落属于剥蚀丘陵区地貌，项目所在地为经过人为改造后的呈直立陡崖状或倒倾状的岩体边坡，最高约22 m；岩体节理裂隙发育，渗水严重。坡脚距离安置房外墙约4～12 m，坡顶靠近正在施工的205国道工程。

1.2 地质地层概况

据工程地质调绘及临近钻孔揭露，场区上覆残坡积土（Qel+dl），下伏基岩为燕山期（γ52）花岗岩，岩石风化强烈，裂隙发育，岩体较破碎。

1.3 区域地质构造及场地地震效应

经本次地质调绘、区域性地质资料及钻探表明：场区未见有断裂构造发育，场区区域性构造较稳定。

根据国标《中国地震动参数区划图》(GB 18306-2015)福建省区域划一览表可知，该区域抗震设防烈度为6度，相应的地震加速度为 0.05 g，基本地震动反应谱特征周期为 0.35 s，区域地质相对稳定。

1.4 水文地质条件

全区地势自西北向东倾斜，位于武夷山脉与戴云山脉之间的汇水区，沙溪河谷梅列盆地为市区，年平均降雨量1500～1900 mm，降雨充沛。调查发现，场地内地下水、地表水发育。地下水主要为花岗岩风化层中的孔隙裂隙水，受大气降水的补给，水位季节性变化大，顺着沟谷向地势低方向排泄。地下水对混凝土及混凝土结构中钢筋具微腐蚀性。

1.5 不良地质现象

根据现场调查及相关地质测绘资料，台江村菩萨山安置地自采陡崖区域范围内未发现滑坡、泥石流、岩溶等地质灾害；坡顶为205国道正在施工，坡脚靠近安置房小区；表层坡体为坡积粉质粘土，下伏碎块状强风化～中风化岩，岩体节理裂隙发育，地下水丰富。目前，边坡主要存在以下几种不良地质现象：（1）部分段落岩体倒悬，存在“探头岩”，在裂隙面切割作用下，倒悬岩体可能会发生崩塌、掉块等病害；（2）局部段落岩块脱离母岩，形成凹型岩腔，破坏了岩体边坡整体稳定性；（3）坡体岩面陡倾，且软弱结构面发育，在降雨或外荷载影响下可能发生崩塌或沿软弱结构面滑移等病害；（4）岩体被节理裂隙面切割成大小不一的楔型块体，坡面浮石、松动的岩块较多，裸露的岩石经长年风化作用后在重力及雨水作用下会产生掉块、落石等病害，威胁坡脚附近住宅区的安全。

1.6 地质情况

该段边坡最高约22 m，坡体基本为基岩出露；岩面稍外倾，多组结构面发育 （J1：150°∠45°，1～3条/m，无明显填充，存在裂隙，裂隙位置有水渗出；J2：290°∠55°，2～3条/m，无明显填充，节理张开约1 mm，有少量水渗出；J3：145°∠29°，7～8 条/m，张开 2～3 mm，无填充；J4：295°∠78°；J5：20°∠89）；局部岩块脱落形成凹型岩腔，上部有一凸出危岩；坡面少量植被发育，裂隙处少量渗水。

2 岩体稳定性分析

该段边坡最高约22 m，坡体基本为基岩出露；边坡十分陡峭，近乎直立，部分段落岩体倒悬、存在“探头危岩”，局部段岩体脱落，发育有凹型岩腔；坡面发育有多组不利节理面，多处裂隙可见渗水；在不利工况条件下，该段边坡易发生掉块，崩落等不良地质灾害。量取该段几组优势节理面进行极射赤平投影图分析，如图1所示。可以发现：节理面J1和J2、J2和J3、J2和J4、J3和J4、J3和J5、J1和J5形成的组合交线倾向与边坡倾向相同，但倾角小于边坡倾角，因此边坡为不稳定结构。同时，该区域岩体受多组结构面切割形成不稳定块体，且局部段岩块脱落形成凹岩腔。节理裂隙和软弱结构面破坏了岩体的完整性，且坡面裂隙多处可见渗水，岩体可能沿着顺倾节理面发生滑移破坏等病害。

3 加固设计

根据边坡的稳定状态及现场实际情况，对该坡体采取了综合加固治理的方法，具体如下：清除坡面浮石，松动岩体，适当修整坡面；局部凹腔采用C20素混凝土镶补；对凸出围岩进行解小清除；采用预应力锚杆地梁结合系统锚杆进行防护，锚杆间距2.0 m×3.0 m，具体内容详见图2。

图1 极射赤平投影图

图2 边坡加固设计图

4 有限元分析评价

4.1 模型单元

模拟采用FLAC3D有限差分软件，该软件适合模拟岩土体的渐进破坏和崩塌现象，本次计算中采用的结构形式主要有锚索单元和岩土体。

（1）锚索单元：由几何参数、材料参数和水泥浆特性来定义。锚索构件假设为两节点之间具有相同横截面及材料参数的直线段，任意曲线的锚索则可以由多个锚索构件组合而成，在模型中锚索是弹塑性材料，在拉、压中屈服，但不能抵抗弯矩。

（2）岩土实体单元：采用计算程序中的矩形网格，这种矩形网格赋上相应参数即可模拟岩土体。

4.2 模型尺寸

[3-8]，建模如下：205国道及其下方路基厚度为 3 m，国道路基下斜率为1∶0.75的边坡高20 m，其下新建边沟有厚3 m土层，模型总宽度为62 m，因为锚索布置的间距为2×3 m，为节约计算时间且只考虑在XZ平面内的应力应变情况，在长度方向即模型Y方向上取3 m为一个单元来进行计算，如图3所示。边坡从上而下，依次布置5层、倾角为25°、锚固段长度均为6 m、总长分别为24、20、16、12和12 m的锚索，如图4所示。计算中采用能模拟松散或胶结的粒状材料的摩尔-库伦塑性模型，这种模型能较好的模拟边坡稳定方面的问题。

图3 模型尺寸及网格划分

图4 锚索在模型中的位置

4.3 材料参数

对于岩土体，需要对其体积模量、剪切模量、粘聚力、内摩擦角、厚度及密度赋值，在具体计算时，按式（1）和式（2）将弹性模型转换为剪切模量G和体积模量K：

式中：v 为泊松比(无量纲)；E0为弹性模量（MPa）；K 为体积模量（MPa）；G 为剪切模量（MPa）。

锚索构件有两个自由度，对每个轴向位移相应有轴向力，可以用一维本构够模型来描述锚索的轴向特性，轴向刚度 K与加固横截面 A、弹性模量 E及构件长度 L的关系如式（3）：

具体计算之后的模型相关性能参数如表1所示。

表1 模型相关参数

4.4 试验结果及分析

通过FLAC3D分析程序，得到支护前后的竖向位移及水平位移云图，如图5～8所示，其中，Z方向位移以向上为正，X方向位移以向右为正。由图5加固前竖向位移云图可知，加固前边坡坡面处竖直方向最大位移位于1/3坡高位置附近，最大位移达9.69×10-2m，且岩土体的失稳滑动趋势明显，由图6加固后竖向位移云图可知，加固后边坡坡面处竖直方向最大位移位置未发生较大变化，但坡面处竖直方向最大位移仅5×10-3m，为原来的约1/20，且下滑趋势不明显，说明加固后边坡的竖直方向稳定性得到了很好的改善。由图7加固前水平位移云图可知，加固前边坡坡面处水平方向最大位移位于坡脚附近，最大值达到1.6×10-3m，且岩体整体有较明显的滑动趋势；由图8加固后水平位移云图可知，加固后边坡坡面处水平方向最大位移位置发生了较大改变，由坡脚变化至坡顶附近，且水平位移最大值减小至原来的约1/2，仅为7×10-4m，且岩体滑动趋势明显改善。

图5 支护前竖向位移云图

图6 支护后竖向位移云图

图7 支护前水平位移云图

图8 支护后水平位移云图

综合图5～8可知，该高陡边坡加固前在自重荷载作用下，坡体发生水平方向和竖直方向的失稳破坏趋势明显，且以竖直方向位移过大发生失稳为主，岩土体失稳破坏较严重的位置均发生在坡高1/3至坡脚位置处，说明该边坡发生局部崩塌的可能性较大；预应力锚索对该高陡边坡的水平位移和竖直位移的具有明显的改善作用，对竖向位移值改善较为明显，但对水平位移的分布状态改善更为明显。

5 加固后监测评价

边坡加固完成后，根据设计图纸及规范要求，对该边坡坡顶的水平位移、垂直位移、地表裂缝等项目进行了为期2年（1月/次）的连续监测，水平位移累积值、竖向位移累计值及位移速率分别见图9～12。由图9～10可知，边坡各观测点累计水平位移2.30～3.01 mm之间，竖直位移-3.55～-5.01 mm之间（负值表示方向向下），水平位移及竖直位移值均较小，坡体较为稳定；累积曲线斜率逐渐减小，说明水平位移与垂直位移值随着监测时间的推移逐渐减小，坡体越来越稳定。由图11～12可知，竖直位移与水平位移速率在边坡加固9个月左右达到最大值（水平位移最大速率10×10-3mm/d，竖直位移最大速率10×10-3mm/d），此后位移速率呈现逐渐减小的趋势，且逐渐趋于稳定。同时，边坡在监测期间未发现坡面裂缝及地表开裂的现象。

图9 水平位移累积值

图10 竖向位移累积值

图11 水平位移速率

图12 竖向位移速率

综合以上，说明预应力锚索对该高陡边坡具有较好的加固改善作用，坡体处于稳定安全状态。

6 结论

(1）高陡边坡的稳定性可结合岩土体的地质地貌特征、地质构造、地震及不良地质现象等条件，采用极射赤平投影的理论分析法、FLAC3D有限差分数值分析法以及现场监测等手段来综合评定，三种分析方法能够相互印证。(2）通过FLAC3D有限差分法对高陡边坡的分析可知，加固前该边坡以竖直位移为主，滑动趋势明显，且有发生局部坍塌的可能性较大；预应力锚索对该高陡边坡的水平位移和竖直位移的具有明显的改善作用，对竖向位移值改善较为明显，但对水平位移的分布状态改善更为明显。(3）通过对加固后坡体的水平位移和竖向位移的长期监测可知，预应力锚索对该高陡边坡具有较好的加固改善作用，加固后水平位移和竖直位移监测值均较小，且监测后期累积位移变化逐渐趋缓，位移变化速率逐渐减小并趋于稳定。

参考文献：

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[2]卢坤林，朱大勇，杨扬．边坡失稳过程模型试验研究[J]．岩土力学，2012，33（3）：778－782．

[3]高谦，薛改利，杨志强，等效岩体力学参数识别及边坡稳定性数值模拟研究[J]．中国矿业大学学报，2015，44（3）423－429

[4]杨天鸿，张锋春，于庆磊，等．露天矿高陡边坡稳定性研究现状及发展趋势[J]．岩土力学，2011，32（5）：1437－1451．

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[7]虢柱，刘小平，黄赣萍．岩质边坡稳定性数值模拟及动力响应分析[J]．公路工程．2012，37（5）：23－37．

[8]SEED H B，LEE K L，IDRISS I M，et al．Analysis of the slides in the San Fernando dams during the earthquake of Feb．9，1971[R]．Berkeley：EERC，University of California，1973．

Post Evaluation of Reinforcement and Stability Analysis of a High Steep Slope

ZHANG Hong-zhang1,HE Li-juan2,FAN Wei-qin1,ZHU Chun-sun3
（1.School of Architectural Engineering Sanming Univrsity,Sanming 365004,China;2.Hubei Water Resources Research Institution,Wuhan 430070,China;3.Chongqing Yonggu Building Science and Technology Development Co.Ltd.,Chongqing 404100,China）

The stable state of the high and steep slope before and after it is reinforced and the method of the reinforcement on the prestressed cable are expounded.The stability of high and steep slope is analyzed and evaluated by using the theory of stereographic projection,FLAC3D finite difference numerical analysis and field monitoring.The results shows that the three methods can effectively analyze the stability of high and steep slope and confirm each other.Meanwhile,it also shows that the prestressed cable has good reinforcement and restraint on high and steep slope of the vertical displacement and horizontal displacement etc.

high and steep slope;stereographic projection;numerical analysis;monitor

U416.14

A

1673-4343（2017）06-0077-06

10．14098/j．cn35－1288/z．2017．06．012

2017-07-16

福建省中青年教师教育科研项目（JA14294，JAT170538）

张红章，男，湖北武汉人，讲师。主要研究方向：道路与桥梁。

朱联九）