某含淤泥层边坡失稳机制及治理措施

尹长权

（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222；2.港口岩土工程技术交通行业重点实验室，天津 300222；3.天津市港口岩土工程技术重点实验室，天津 300222；4.中交第一航务工程局有限公司，天津 300461）

0 引言

近百年来，许多研究者致力于边坡稳定问题的研究，得到了大量研究成果[1-7]。而对于含软黏土层的边坡，考虑土的灵敏性的稳定性分析则很少。实践证明，若对土的灵敏性重视不足，往往会对工程造成严重后果[8-10]。

某废料填埋坑的边坡工程，在边坡开挖过程中发生了大规模的边坡失稳，整个失稳过程历时约2 h。经调研，发现在边坡中部存在淤泥层，在开挖施工至该软弱层时，由坡底外漏面逐渐挤出，逐步向坡身延伸，至整个边坡失稳。滑坡体长约80 m，宽25 m。边坡失稳后，立即采取应对措施，停止坡底机械施工，并迅速撤离，坡顶设置防护标识，禁止通行，由于失稳边坡滑移缓慢，使现场有足够的时间应对，因此，并未发生设备损失和人员伤亡。

本文详细介绍了边坡的失稳过程，分析了软黏土层对边坡稳定的影响，阐述了后期边坡处理过程的成败经验。

1 工程简介

1.1 地质条件

边坡土体主要为河相沉积物，表层5.5 m分布着强度较高的粉质黏土层，以下为淤泥层、粉质黏土层直至粉土层，未进行过任何地基的加固处理。

土体物理力学性能指标如表1所示，从表1可以看出，淤泥层具有含水率高、强度极低、压缩性很高的特点。

表1 土体物理力学性能指标Table 1 Physical properties of soil

1.2 设计开挖断面

设计开挖边坡坡比如图1所示，顶部和中部坡比1∶3.5，底部坡比为1∶4。淤泥软弱层在中部边坡内。

图1 设计边坡坡比Fig.1 Design slope dimensions

2 边坡失稳过程分析

2.1 现场调研

当边坡开挖至标高-3 m时，出现滑坡现象。+2.5 m平台坡顶地表分布着波纹状陡坎和坡台，底部边坡内有着明显的滑坡舌、滑坡鼓丘现象。失稳是一个渐进发展过程，如图2所示。

图2 失稳的边坡图Fig.2 View of slope failure

待边坡稳定后，进行了补充勘察，以判断滑动层位置。滑坡区和附近未滑坡区域进行原位十字板试验，沿滑坡断面设置3孔，S1、S2、S3分别位于滑坡舌区域、滑坡台区和坡顶未扰动区，并分别进行了重塑土强度试验。

十字板强度对比图如图3所示，以此为依据并结合现场情况，初步评判的土体扰动断面分布图如图4所示。

图3 十字板强度对比图Fig.3 Contrast figure of field vane shear strength

图4 土体主要扰动区分布图Fig.4 Distribution of main disturbances of soil

滑坡的土体扰动区主要处于淤泥层，标高-6～-2 m层厚位置，十字板强度发生明显降低，表明整个淤泥层基本都处于扰动状态，强度介于重塑土强度和原状土强度之间，更接近于重塑土强度。通过未扰动区S3孔的比较，可以看出S2孔和S3孔标高-2 m以上的十字板强度边坡失稳前后变化量很小，可以判定为未扰动区。

通过未扰动区S3孔原位十字板试验测得的淤泥的灵敏度系数大于3，失稳前位于边坡底部1台挖掘机水平理坡开挖，临时便道上多辆运土车往返运土，由于软黏土层的灵敏度系数较大，施工机械震动和开挖致使底部的淤泥受到扰动，使淤泥的强度显著降低，从而导致局部失稳至整个边坡渐进式失稳。在失稳初期，软弱淤泥层外漏面土体达到极限状态，开始侧向挤出，这一过程逐渐向淤泥层内部和上部土体传递，使失稳面和规模逐渐扩大。随着滑坡前沿前移和隆起，坡顶逐渐平移和下沉，直至失稳滑坡重新形成新的平衡状态，边坡逐渐趋于稳定，失稳慢慢终止。

2.2 稳定观测

根据基坑监测结果的反馈，边坡失稳前的水平位移征兆明显。土体侧向水平位移速率一般大于5 mm/d，甚至100 mm/d以上，致使测斜仪损坏无法继续测量，且地表多伴有裂缝出现，裂缝由小逐渐变大，范围逐渐扩展，直至边坡失稳，失稳过程主要表现为淤泥以上土层水平位移逐步加大，淤泥层为滑动层。

3 数值分析

为研究边坡失稳的原因以及解决方法，采用有限元软件PLAXIS3D对此次失稳过程进行三维有限元模拟分析，为消除边界效应，模型长设定为200 m，宽度设定为20 m，高度设定为30 m。分步开挖边坡，具体情况如图5所示。

图5 未开挖边坡整体模型示意图Fig.5 Model schematic diagram of unreinforced slope

3.1 边坡失稳过程模拟

对未经加固边坡的稳定性进行了数值模拟分析，具体计算结果见图6所示。

图6 未经加固边坡的圆弧滑动面形状Fig.6 Circular arc shape of unreinforced slope

由图6可知，第2次开挖将导致边坡的安全系数小于1，即发生失稳，模拟结果与现场实际情况一致，说明不采用工程措施的情况下开挖边坡是不安全的。

为防止边坡滑动，设计了3种备选工程措施，分别为自重排水固结法加固、抗滑桩加固和预留放坡肋法，以下分别对3种措施进行数值分析，以研究其可行性。

3.2 排水加固法

第1次开挖后，在开挖后平台处，插打塑料排水板，排水板间距0.8 m，三角形布置，深度8.8 m，范围为第一级边坡坡脚到第二级边坡坡脚，经过1个月的自重排水固结法加固后，土体的强度提高较小。

在第1次开挖边坡时，安全系数仍为1.141，达到稳定状态；第1次边坡开挖完成后，进行自重排水固结法加固，在第2次边坡开挖时，安全系数由原来的0.726提高到0.785；在第3次边坡开挖时，安全系数由原来的0.725提高至0.784。在第2次开挖和第3次开挖时，经过排水固结法加固后的边坡安全系数提高较小，仍小于1，因此边坡仍处于不稳定的状态。可以看出，卸载条件下，排水固结法加固提高边坡稳定性的能力有限，未能达到预想效果。

3.3 抗滑桩加固

为研究经过抗滑桩加固后，开挖边坡时的稳定性。在第1次开挖后，于淤泥层中打入长18.5 m的抗滑桩进行分析，φ800 mm钢管刚性桩，间距2.4 m，工序同上，模型装配图见图7。

图7 抗滑桩加固边坡的模型装配图Fig.7 Model schematic diagram of reinforced slope by anti-slide pile

对经抗滑桩加固后边坡的稳定性问题进行了数值模拟分析，在第1次开挖边坡时，安全系数为1.141，达到稳定状态；第1次边坡开挖完成后，施打抗滑桩，在第2次边坡开挖时，安全系数由原来的0.726提高到1.032；在第3次边坡开挖时，安全系数由原来的0.725提高至1.029。可以看出，抗滑桩的确可以提高边坡稳定性。

3.4 预留放坡肋

为研究边坡经过预留放坡肋后，开挖边坡时的稳定性。在第1次开挖后，第2次和第3次边坡开挖时设置预留放坡肋，进行相应分析，工序同上，模型装配图见图8。

图8 预留放坡肋边坡模型装配图Fig.8 Model schematic diagram of reinforced slope by reserved sloping rid

对经预留放坡肋后边坡的稳定性问题进行了数值模拟分析。

可以得到，在第1次边坡开挖时，安全系数为1.141，达到稳定状态；第2次开挖边坡时，设置预留放坡肋，安全系数由原来的0.726提高到1.047；在第3次开挖边坡时，安全系数由原来的0.725提高至1.026。可以看出，预留放坡肋的确可以提高边坡稳定性。

综上所述，抗滑桩和预留放坡肋方法均可以在一定程度上提高边坡的稳定性，且均能达到预期效果。抗滑桩和预留放坡肋效果相似，考虑到抗滑桩的桩底嵌入深度较大，经济费用较高，所以预留放坡肋法应作为第二方案进行尝试，最后考虑抗滑桩加固方案。

4 边坡治理试验

4.1 排水固结法

在高程-1.5 m平台上，打设塑料排水板，进行自重排水固结，现场进行了30 m的试验验证施工，经过近20 d的固结，淤泥层的强度指标改善不明显。分析其原因，尽管淤泥为欠固结土，但-1.5 m平台存在近4 m多的卸荷，土体的应力状态主要表现为卸荷状态，排水固结缓慢，强度提高不明显，试验结果失败。说明卸荷状态时，不宜采用排水固结法进行淤泥的加固。

4.2 抗滑桩

考虑木桩、竹排、钢板桩做抗滑桩，桩底要有足够的嵌入深度，由于经济费用相对较高，现场未做尝试，只作为后期备选方案。

4.3 预留放坡肋

在-1.5 m标高以下设置预留放坡肋，相邻放坡肋轴线间距为40 m，垂直开挖边线方向长度为10 m，三侧采取放坡，放坡比例为1∶4，侧面可依据现场地质条件调整，顶宽3 m。各施工区设置放坡肋完毕后，放坡肋之间区域按原有设计进行土方开挖及边坡修理。设置的放坡肋保留至放坡肋之间区域回填料填至现有放坡肋标高时，对现有放坡肋进行开挖、外运处理，开挖外运完毕后，立即回填填料。现场实施效果良好。如图9所示。

图9 预留放坡肋边坡断面图Fig.9 Profile of reserved sloping rid

5 结语

本文对某软黏土边坡的失稳机制和处理措施过程进行了详细的分析，得出如下结论：

1）失稳边坡中，扰动区主要为淤泥层，十字板强度发生明显降低，强度介于重塑土强度和原状土强度之间，更接近于重塑土强度。

2）卸荷状态时，不宜采用排水板自重固结法对淤泥进行加固。

3）开挖时，设置预留放坡肋，能够有效的提高边坡稳定性。