潮惠高速公路路堑边坡滑坡分析与治理

严 捷

(广东晶通公路工程建设集团有限公司，广东 广州 510635)

边坡分析的重点是获得失稳边坡的正确破坏形式，并对其进行合理的处治。起初，人们大都在实践经验的基础上，运用工程类比法进行判定，分析和评价边坡稳定性。该方法对边坡失稳的判定精度较低，存在着局限性；其类比的条件因地而异，存在着主观性。经过长期的研究，边坡稳定性分析方法有极限平衡法和强度折减法等多种方法。随着有限元数值方法在边坡稳定性分析中的应用，对强度折减法的研究也日益深入，许多学者们对其做了大量的研究。肖锐铧[1-3]等人利用强度折减法，对非匀质边坡、多级边坡进行了分析，对非匀质边坡的不同土层结合情况进行了强度折减，得到各级的滑动面。薛雷[4]等人用两层土层模型，通过改变上、下土层的粘聚比，发现不同粘聚比下整体折减和局部折减的适用性。杨光华[5]等人利用折减不同区域土体，得到局部土体的滑动面。强度折减法具有计算方便和模型简单等优点而被广泛应用[6-8]。

本研究拟利用强度折减法，对广东省潮州至惠州高速公路中TJ8合同段K104+247～K104+396段的路堑高边坡滑坡机理进行分析，得到多层土体路堑边坡的滑动面和稳定性系数。针对该地区边坡的滑坡原因和类型，采用卸载结合锚杆加固的措施，对该边坡进行处治，为潮惠地区同类型边坡的滑坡处理提供参考。

1 工程概况

根据现场调查，公路线路区域内地层以沉积岩和岩浆岩为主。沉积岩的岩性为页岩、砂岩和泥岩；岩浆岩体的岩性为燕山早期花岗岩和零星分布的喜山期辉绿岩。根据设计图、区域地质资料及工程地质调查成果，其中，有一条断裂(F1船埔头断裂)相交于该标段K109+500附近，角度近90°，但未发现地层被错动移位现象，该断裂属非全新活动断裂，场地地壳较为稳定。该滑坡区K104+247～K104+396段左侧深挖路堑立面设计如图1所示。

图1 深挖路堑立面设计(单位：m)Fig.1 Layout plans for the deep excavation of cut facades(unit:m)

该标段区域属残丘台地，道路的大部分区域主要通过坡麓地带，地形起伏大，边坡高度在40～182 m左右，坡度20°～45°，从上至下土层可分为上覆地层为粉质粘土、中层强风化泥质粉砂岩及最下层的中风化泥质粉砂岩，K104+247～K104+396段边坡典型地质横剖面如图2所示。

图2 边坡典型地质横剖面Fig.2 Typical geological profile of slopes

2 滑坡原因与分析

滑坡山体中上层粉质粘土的厚度约为8 m，且山体的滑动带岩层为遇水会出现软化的泥质粉砂岩构成。由于构成滑动带中层岩层的强风化泥质粉砂岩的节理发育异常，因此，雨水可由其内部的节理裂隙自由进出。对山体进行开挖时，边坡面的受力遭受破坏，上层粉质粘土被去掉了，地表水更易通过已破坏的岩体渗透到滑动带，使滑动带岩体的抗剪强度降低、位移增加，并形成蠕滑。边坡的蠕滑使边坡上层土体出现沉降和滑动。当滑动带岩体的抗剪强度进一步衰减时，边坡岩体出现了一条宽 30～50 cm 的贯通拉裂缝。雨水从坡顶拉裂缝入渗到岩体中，大量地表水聚集在软弱滑动带，形成一定的静水压力和上浮力，使得滑动带的抗剪强度急剧下降、边坡滑动速率增加。表明：边坡发生滑坡是由内部滑动带和发育节理以及开挖时破坏了山体原有的平衡状态造成的。

3 边坡计算与分析

3.1 边坡计算剖面的选取

根据《公路路基设计规范(JTG D30-2015)》，选定抗滑安全系数为 1.25～1.30。

根据滑坡地形图，在发生滑坡的边坡区域，选择了6 个断面进行计算。选取K104+300典型断面进行了分析。该断面高约40 m，从上至下可分为3层土体：上层粉质粘土平均深度6 m，最大深度为8 m；中层强分化泥质粉砂岩厚度约16 m；最底层为中风化泥质粉砂岩。本研究将该边坡简化为二维平面来考虑其稳定性。结合Mohr-Coulomb模型和线弹性模型来赋予边坡土体材料属性，运用非关联的流动法则进行分析。选择自由划分技术对网格进行划分，单元类型选为4节点平面应变单元。边坡岩土参数见表1。

表1 边坡岩土参数Table 1 Geotechnical parameters of the slope

3.2 结果与分析

采取局部场变量强度折减法，对选取的边坡进行计算。其基本原理是将边坡土体中的参数粘聚力c和内摩擦角φ进行折减，得到一组折减后的cm和φm，然后再将折减后的cm和φm代入模型进行计算。当计算至边坡达到极限状态时，对应的折减系数就是边坡的稳定安全系数。其计算式为：

cm=fc。

(1)

tanφm=ftanφ。

(2)

式中：f为折减系数；c和cm分别为折减前、后的粘聚力；φ和φm分别为折减前、后的内摩擦角。

滑坡计算结果如图3所示。在边坡分析中，将边坡整体划分为3个区域，即粉质粘土层、强风化层及中风化层。其局部组合分为边坡整体、粉质粘土层、强风化层、中风化层、粉质粘土层和强风化层组合及强风化层和中风化层组6种组合方式。参照监测数据，本研究选取边坡整体强度折减对边坡进行了分析。从图3(a)中可以看到该模型各部位的尺寸，得到稳定性系数(1.1)。采用Slide软件，由简化Bishop条分法计算得到该边坡稳定性系数(1.13)。2种方法对比可知：利用局部场变量强度折减法得到的边坡稳定性系数(1.1)是合理的。从图3(b)中可以看到用强度折减法模拟得到的滑动面。从图3(c)中可以看出，边坡水平(X方向)位移大多位于78～193 mm之间，最大位移为193 mm；从图3(d)中可以看出，垂直(Y方向)位移中的最大位移为-406 mm。

图3 滑坡计算结果Fig.3 The result of the landslide calculation

4 滑坡治理方案选取

由式(1)，(2)计算可知，若不采用任何加固措施，边坡会出现一定的滑移，以致发生破坏。由工程地质情况可知，边坡的山体由泥质粉砂岩构成，其结构稳定性较差。因此，对该区段由下至上，将边坡坡面依次由第一级至第五级坡度由原先的1∶1均改为为1∶1.25，坡高均为8 m，第一、二级平台为10 m，其他平台为2 m，该区段削坡总体积为11 872.26 m3。在第一、二级边坡坡面，每间隔3 m修建一纵向排水沟，且在底部用浆砌块石修建宽3.0 m、埋深 2.0 m的护墙。利用细碎石和混凝土对坡顶的张裂缝进行填封，再在填充的混凝土上盖2层土工布进行防水并覆盖上夯实的土层。对于第三至第五级边坡坡面，需在网格内植草或植树，以便对上部土体进行保护。对第一、二级边坡进行长锚杆加固(锚杆间距3 m)，并在其坡面浇注尺寸为 10 m×10 m×0.4 m的C30钢筋混凝土板，两板结合处需预留伸缩缝，其中，混凝土所用钢筋为φ10Ⅱ级，钢筋网格尺寸为 0.3 m×0.3 m，保护层 0.1 m。每级施加3根长16.3 m的锚杆 ，锚杆孔径为 80 mm，孔洞垂直于坡面，具体设计如图4所示。

图4 滑坡部分治理措施(单位：m)Fig.4 Control measures for landslides(unit:m)

按初步治理方案进行削坡和加固后，再进行计算。计算结果表明：边坡的稳定性会大幅增加，稳定性系数增至1.5～1.6。经过治理后，边坡的岩体受力状态得到了改善；滑坡产生的裂缝被封堵，并在拱形骨架内植草，能对边坡进行很好的保护，地表水也不能入渗到软弱滑动带；采用锚杆加固的方式，对第一、二级坡面进行护坡，并在坡面修建排水暗沟，能顺畅地排出滑动带内的滞水，使边坡岩体的抗剪性能保持稳定。

5 结论

本研究利用有限元分析软件ABAQUS并结合强度折减法，对潮惠高速公路K104+247～K104+396段的路堑高边坡滑坡机理进行了稳定性分析，得到的结论为：

1) 构成山体滑坡的内因是由于该段山体滑动带的中层岩层的强风化泥质粉砂岩的节理发育异常，并且该段路堑开挖后，地表水沿节理裂隙入渗到软弱岩层，使软岩的抗剪强度下降，从而诱发了该路堑边坡滑动。

2) 边坡在加固前、后的稳定系数和变形发生较为显著的变化。研究结果表明：采取合理的加固治理措施后，其稳定性会显著地提高，边坡的安全系数会增加，位移会明显地减小。

3) 边坡治理时，仅采用卸载的方式并不能很好地提高边坡的稳定性，还需结合其他加固措施。同时，需修建必要的排水和防水措施，才能够保证边坡的长期稳定。

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