基于强度折减法的滑坡支护设计方法

刘少波 肖文栋

(中航勘察设计研究院有限公司，北京 100098)

1 概述

随着城市建设的快速发展，土地资源越来越紧张，尤其是在以低山丘陵地貌为主的郴州地区显得尤为突出。伴随着城市的不断扩张，大量的丘陵山地被开发。而山区地形条件的复杂多变，使得保证边坡的安全稳定成为复杂且急需解决的技术难题。肆意开挖往往会导致山体的变形破坏，如果支护不当，其稳定性必将严重制约城市的发展建设，甚至引发滑坡、崩塌、泥石流等重大灾害事故，危及人民的生命财产安全。正确评价边坡稳定性，采用合理有效的防护措施是减小滑坡地质灾害，保证城市发展建设、土地资源合理开发利用的关键。

本文通过对郴州市某住宅小区滑坡稳定性问题进行的现场调查及勘察，对该滑坡的变形破坏机理进行了深入分析，利用MIDAS GTS NX软件进行了数值分析研究，并根据模拟结果和工程地质特点对滑坡的治理方案进行了比选。

2 工程概况

2.1 滑坡现状

该滑坡位于某在建住宅小区西北侧，坡脚位置紧邻一条东西向主干道，滑坡原始地貌为低山丘陵坡地，滑坡走向为南西—北东，滑坡范围内坡底高程182.38 m～198.29 m，坡顶高程201.29 m～223.95 m，滑坡长约200.0 m。滑坡体呈近圆弧形，坡高约18.0 m～25.0 m，坡面规则，起伏较大，如图1所示。该滑坡对正在施工的住宅小区、交通通行以及人员生命财产安全已造成重大威胁。

据现场调查及勘察，勘察范围滑坡横向长度约200.0 m，目前已发生滑动的滑坡体土方量约15万m3，滑坡后缘壁高度差异较大，约1.5 m～8.0 m，水平滑距相对较大，局部地段可达2.0 m～3.0 m，滑坡体上普遍可见拉张裂缝，局部地段在滑坡体后壁以外发现有新的拉张裂缝，裂缝宽度约0.3 m～0.8 m，滑坡体中上部出现大量的滑坡台阶及滑坡裂缝，坡脚出现多处地下水出露点。滑体并没有完全剪出，滑坡处于暂时稳定状态。图2为该滑坡现状情况。

2.2 工程地质条件

根据现场地质调查、钻探揭露以及区域地质资料，勘察区主要地层自上而下依次为：第四系坡积含砾粉质黏土层和黏土层、石炭系中风化石灰岩。

①含砾粉质黏土：褐红、褐黄、灰褐色，含较多石灰岩角砾，手可捏碎，干强度中等，韧性中等，表层结构较松散，下部呈可塑～硬塑状态，具有膨胀性。

②黏土：褐黄、灰白、褐灰、紫红色，干强度高，韧性高，土体中不均匀含有石灰岩风化岩块，岩芯断面可见光滑裂隙面，裂隙面被泥质充填，局部灰白色高岭土含量较高。具有膨胀性，自由膨胀率10%～70%，属中等胀缩土。呈可塑～硬塑状态，近石灰岩交界面附近多呈软塑状态。

③中风化石灰岩：青灰、灰黑色，含一定的泥质组分，晶粒结构，致密块状构造，发育有少量闭合裂隙，裂隙多被钙质或方解石填充，多在基岩顶部沿裂隙见有岩溶发育，表现为岩石表面发育有溶槽、溶沟、石芽、溶蚀小孔，中上部发育有溶洞，溶洞深度0.1 m～4.6 m，多为黏土充填，钻孔见洞率为37%，中下部岩石新鲜、坚硬，敲击声脆，岩芯多呈长柱状，少量为短柱状及块状。局部炭质含量较高，岩质较坚硬，易沿裂隙敲碎，岩芯较破碎。

场地内地下水主要为孔隙水和裂隙水，主要接受大气降水的补给，赋存于各类岩土层的孔隙和裂隙中，随西北高东南低地势径流，地下水排泄通畅。勘察期间正遇季节性降雨，雨水入渗岩土层后沿黏土裂隙、基岩中的溶蚀裂隙及溶洞由高向低渗出，在地势低凹处形成积水洼地，雨季过后，不再有地下水渗出。由此可见，季节性雨季时，地表水渗入黏土裂隙、溶蚀裂隙及溶洞，深部黏土、上部基岩中会赋存少量地下水，但坡体地层本身地下水并不丰富。

3 边坡滑动机理分析

从钻探结果可知，该边坡为土石二元边坡，滑动面呈圆弧状，且存在多条潜在滑动带，如图3所示。

分析认为该边坡的变形破坏是内外因素综合作用的结果[1,2]。

1)工程地质因素。

坡脚施工开挖段局部基岩出露，通过现场勘察，基岩顶面产状与边坡倾向基本一致，具顺坡土—岩二元结构的特征。

本场地含砾粉质黏土和黏土具有如下特性：a.裂隙性：土体中发育有大量裂隙，裂面光滑，裂隙将土体分割为大块、碎块状，大大降低了土体的完整性；b.胀缩性：土体反复吸水膨胀形成侧向推移及失水收缩拉裂，加剧了土体原有裂隙的连通性及裂隙宽度，同时也产生了许多新的裂缝，致使土体透水性大大增加；c.不均匀性：土体呈上硬下软，且在基岩交界面存在一定厚度软弱层。

岩土体的特殊地质特性及物理力学性质不良是边坡发生变形破坏的内在因素。

2)水文气象因素。

郴州位于南岭北麓，湘江上游，处于南北气候影响区的交汇点，属亚热带季风湿润气候。这使得郴州不仅容易受到东南沿海的台风、热带气旋的影响，也容易受到从北南下的冷空气的影响。所以郴州地区一年四季降雨量丰富，同时干湿交替也特别频繁。春季气温低，阴雨连绵；夏季高温湿热，暴雨集中，洪旱交错；秋季干旱少雨，台风入侵频繁，时有山洪暴发；冬季低温干燥，雨量较少，但寒期短。

在连续不断的雨水作用下，由于岩土体上述特性，致使雨水能够沿裂隙渗入土体深部，对软弱面上部土体产生显著的侧向推力，使得下滑力增大；同时，深部土体吸水饱和，使得软弱面厚度不断增加，也形成了相对透水性差的“隔水层”，进一步降低了土体和裂隙面的强度。雨水使得岩土体天然密度接近饱和密度，坡体内地下水位显著升高，坡体自重不断增加，进一步增大了下滑力。

3)工程建设因素。

早年在修建坡脚主干道时，斜坡坡脚土体已出现部分松垮，局部有位移产生，因当时周边并无重要建筑物及居民区，且斜坡处于暂时稳定状态，并未采取治理措施。

后因住宅小区施工建设，坡脚开挖形成多级人工边坡，且并未采取有效支护措施，使得坡脚部位存在临空面，应力集中，致使坡脚稳定性差。

降雨和坡体的开挖是边坡变形破坏的外在因素，持续降雨加速了该边坡下滑的速度。

由于滑坡后缘可见约1.0 m～2.0 m竖向滑裂缝，且滑体中下部有隆起现象，具有推移式滑移破坏特征，同时，坡体前缘首先形成滑坡，继而带动中后部岩土体滑移，具有牵引式滑移破坏特征，结合分析可以确定本滑坡为牵引—推移式滑坡，滑动面位于岩土交界面。

4 边坡稳定性数值分析

4.1 计算模型

根据典型工程地质剖面A—A′，建立二维计算模型，见图4。

4.2 计算参数选取

岩土体均采用摩尔—库仑本构模型。由于边坡已经发生滑动，含砾粉质黏土层和黏土层采用饱和重复剪切确定其黏聚力c、内摩擦角φ。相关的岩土体物理力学参数详见表1。

表1 岩土体物理力学计算参数表

4.3 计算方法

计算模型所采用的计算方法为强度折减法[3-5]。强度折减法的求解过程与传统方法的原理是相同的，只是方法不同。计算采用严格的理想弹塑性指数解法，进行数值计算过程中，通过不断的降低材料的强度(按同一比例降低岩土黏聚力c和内摩擦角tanφ)或增大荷载，使其在数值计算中最终达到破坏状态，此时破坏面自动生成。

该方法不需要事先假定破坏面，直到某一点计算不收敛为止，即认为该点处于破坏状态，最大强度折减率即为最小安全系数。

4.4 计算结果分析

根据已有调查和勘察资料，本滑坡目前暂时处于基本稳定状态，但仍存在潜在滑动面，仍具有继续下滑的趋势。随着施工和短时间强降雨等不利因素的发生，潜在滑动面将会成为主滑动面。针对现状已发生滑动的边坡，采用强度折减法分别计算了在目前自然状态下和暴雨状态下的边坡安全系数。计算结果如图5,图6所示。

计算表明，在目前自然状态下，边坡的安全系数为1.23，潜在滑动面尚未完全贯通，边坡处于基本稳定状态；在暴雨状态下，边坡的安全系数为0.89，潜在滑动面已经全部贯通，该边坡将再次发生滑动。计算所得的滑动面与现场实际调查发现的潜在滑动面位置基本一致，数值模拟结果与现场情况较为吻合。

综合考虑该边坡的稳定性现状，发展趋势、工程地质条件以及支护空间限制，以尽可能的减少对建设用地的占用，拟采用在滑坡底部设置单排抗滑桩进行支护。抗滑桩尺寸2.0 m×2.0 m，桩长以进入中风化灰岩4.0 m控制，桩间距4.0 m。图7为支护方案示意图。

计算结果如图8所示。抗滑桩支护体系在极端工况(暴雨状态)下的安全系数为1.04，根据GB 50330—2013建筑边坡工程技术规范第5.3.1条[6]，边坡稳定状态属于欠稳定。同时边坡出现了新的潜在滑动面，可能从抗滑桩顶发生剪出。

针对上述潜在危险，拟在滑坡中部增加一排预应力锚索，锚索自由段长18.0 m，锚固段长10.0 m，倾角35°，施加预应力300 kN，间距4.0 m，计算结果如图9所示。抗滑桩+预应力锚索支护体系在极端工况(暴雨状态)下的安全系数为1.16，边坡稳定性达到基本稳定状态。

综合以上计算和分析，最终采用抗滑桩+预应力锚索支护作为设计方案。施工完成后，边坡变形得到控制，在经历了多场大暴雨以及多个雨季后，均未发生再次滑动，为住宅小区的施工建设提供了安全保障。

5 结语

通过对郴州市某住宅小区滑坡的分析，得出以下结论：

1)边坡变形破坏是内外因素综合作用的结果。岩土体的特殊地质特性及物理力学性质不良是边坡发生变形破坏的内在因素。降雨和坡体的开挖是边坡变形破坏的外在因素，持续降雨加速了该边坡下滑的速度。降雨是诱发边坡发生滑动的主要因素。

2)基于强度折减法，对岩土计算参数合理性进行了验算，以使计算结果与现场实际变形相吻合；并以此为基础对拟选择支护型式进行验算和优化，形成最终支护设计方案。