边坡稳定性反演分析的简易方法

袁晓波 李东亮 蔡曙周

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 概述

在地质选线过程中,需要科学地评价斜坡的稳定性,并给出相对合理的评估结果[13]。 地质选线是以绕避、防范铁路建设及运营期间可能发生的地质环境灾害,降低、减小铁路工程建设及营运安全风险为目的的过程[4,5]。

在山区选线过程中,需要对线路附近边坡的状态进行分析。 受限于选线工作的时间要求,若逐一对线路附近边坡进行勘探、取样、测试、分析、评定等工作,其工程量太大,不切合工作实际[69]。 通过参数反演分析,可高效地解决上述问题。

杨令强等[10]通过统计理论反演岩土体参数,分析抗滑桩受力并进行边坡可靠度分析;蔡影[11]基于强度折减系数,采用有限元及MATLAB 等软件进行拟合分析,反演出较准确的抗剪参数;易念平等[12]假定土体较均匀,考虑空间、荷载、渗流效应,编制程序对边坡进行反演分析;王家臣等[13]对软弱地基边坡的稳定性进行了三维反演分析;安关峰等[14]将遗传算法与有限元数值分析方法相结合,反演岩土参数。

从现场调查分析出发,定性分析斜坡所处的稳定状态,并结合物探成果,利用Janbu 条分法对斜坡的物理力学参数进行反演分析。

2 工程概况

地形地貌:工点位于九寨沟县漳扎镇白水河左岸,地貌单元属构造侵蚀中高山峡谷,沟谷切割较深,斜坡山体陡峻,坡度约43°,坡面顺直。

地层岩性:斜坡地层主要为第四系堆积体,岩性为碎石土,成份为碎石夹粉土。 岩性杂乱,主要为灰岩、板岩碎块,偶见千枚岩、粗粒砂岩,分选性差,颗粒最大约500 mm,最小约3 mm,主要为次棱角状,少量颗粒具有磨圆度。

工程地质:工程场地位于川青块体、甘南块体的交界部位,断裂构造发育。 河谷发育塔藏断裂,为块体边界断裂(东昆仑断裂)的东段,断裂带产状200 ～210°∠70 ～80°。 受断裂影响,白水河两侧出露的基岩破碎,崩塌滑坡发育,受地震、断裂构造、地质灾害影响较大,工程地质条件复杂。

水文地质:地表水主要为白水河,河面宽约12 m,坡面未见地下水及泉点出露,坡顶后方2 ～5 m 处可见截水沟。 地下水主要补给来源为大气降雨及白水河入渗,以泉点及地下径流的方式排泄;地表水主要补给来源为大气降雨及雪水融化,排泄方式为地表径流及入渗地下水。

不良地质:陡坎坡面存在浅层崩塌现象,山坡坡面局部存在表层的溜塌现象。

3 斜坡稳定性分析

3.1 斜坡形态分析

斜坡前缘位于九环公路,九环公路为连接九寨沟县城与九寨沟景区的唯一通道。 九环公路修建过程中,对斜坡前缘进行了削坡,人为造成边坡坡脚变陡,在斜坡前缘形成了高陡的临空面。 据实测资料,斜坡前缘临空面高28.5 ～40 m,坡度约72°,斜坡坡脚有矮墙,坡面无防护(见图1)。

斜坡形态为后缘窄、前缘宽,总体走向呈南西向。前缘高程为2 052 m,后缘高程为2 280 m,相对高差约228 m。 横向宽度约500 m,轴长约330 m,斜坡面积约114 730 m2,平均坡度约43°。 从斜坡纵断面形态上看,斜坡无中间缓坡平台,基本上为“一坡到顶”。

3.2 物探解译

图1 斜坡坡脚

选线期间,为评估斜坡稳定性,对斜坡进行了高密度电法物理探测,主要目的为探测覆盖层厚度,以及潜在滑动面、岩性界线、构造(断层、破碎带)位置。

测线总长456 m,测深至完整基岩下20 m,一般地段电极间距为10 m,异常地段加密至5 m。 坡脚岩性主要为碎石土,临空面高度28.5 m。 物探显示,近地表反演电阻率等值线较杂乱,电阻率高低阻相间,推断为近地表差异风化所致,厚度范围为5 ～30 m,最大深度为30 m。 根据现场调查,坡脚处岩性较均匀,故将解译的滑坡最低点与坡脚相连,作为本次斜坡的潜在滑面进行深层滑动计算(如图2 所示)。

图2 斜坡物探成果

3.3 斜坡稳定性分析

根据调查分析,斜坡后缘未发现强变形,且近50 年未发生大规模滑动,天然状态下稳定性较好。 根据物探显示,斜坡电阻率变化不大,前缘未发现电阻率异常点,说明斜坡前缘土体较为均匀,可假设斜坡土体整体力学性质差异不大,采用综合力学参数进行反演分析。 根据调查分析,斜坡前缘出露为碎石土,碎石含量为70% ～80%,其间充填粉土,胶结较好。

天然状态下坡面稳定性:根据郑颖人[15,16]《边坡与滑坡工程治理》以及《有限元极限分析法及其在边坡中的应用》中的有关内容来确定反演分析的安全系数,从地质变形、位移速率监测和坡体稳定性定量分析三个方面,提出滑坡的四阶段演化过程,分别为稳定状态、弱变形状态、强变形状态和临滑状态。

坡面临空较陡,不时有石块从临空面掉落,表明实测断面小里程端有坡面处于溜坍状态,部分已经溜坍完毕,如图3 所示。 根据状态分级指标表,坡面处于蠕动变形阶段(等速变形至加速变形之间)。 由此建议反演分析时,天然状态下安全系数k 取1.04。

图3 斜坡坡面处于极限平衡状态

地震情况下整体稳定性分析:区内受地震影响频繁,根据中国地震区划图,场区属Ⅷ度区。

根据中国地震局2017 年8 月12 日发布的《四川九寨沟7.0 级地震烈度图》,该斜坡地震烈度达到Ⅸ度,地震后,斜坡发生了浅层溜塌,坍塌点距路面高约20 m,宽约12 m,地震后斜坡如图4 所示。 由此建议在地震条件下进行反演分析时,取边坡整体稳定系数k为1,坡面稳定系数k 为0.99。

图4 斜坡震后坡面崩塌

4 反演分析

本次计算采用试算法,通过三种工况反演分析斜坡的力学参数。 第一种工况为前缘临空面处于即将失稳状态,利用理正岩土软件,采用折线滑面简化Janbu条分法进行滑面搜索。

物探显示,前缘电阻率差别不大,现场调查岩性差别亦不大,将岩土体概化为均质滑坡,反演得到滑坡的综合强度参数[8](如表1 所示)。

表1 天然状态下坡面参数反演值

自动搜索坡面最危险滑面(如图5 所示),通过固定c 值,调整φ 值,使计算的k=1.04,即可得到土层参数c-φ 曲线(如图6 所示)。

图5 自动搜索的坡面最危险滑面

图6 天然坡面稳定性系数k=1.04 曲线

第二种工况为根据地震状态下坡面崩塌处于极限稳定状态,k=0.99,采用折线条分法进行反演分析计算(如表2、图7 所示)。

表2 地震状态下坡面参数反演值

图7 地震条件下坡面稳定系数(k=0.99)曲线

第三种工况为历史地震最大烈度取Ⅸ度,边坡处于极限稳定状态,k=1,采用折线条分法进行反演分析计算(如表3 所示)。

表3 地震状态下斜坡整体参数反演值

滑坡计算中,采用物探解译滑面,如图8 所示。

图8 整体稳定性计算

地震条件下整体稳定性系数曲线如图9 所示。

图9 地震条件下整体稳定性系数(k=1)曲线

反演分析汇总分析:将不同状态反演分析得到的数值汇总,如图10 所示。

图10 反演结果汇总

根据边坡目前所处状态,边坡力学参数取值位于图10 的阴影区时,才能满足前述的三种工况。

由图10 可以看出,斜坡坡面稳定系数中,c-φ 曲线斜率较大;斜坡整体稳定系数中,c-φ 曲线斜率较小。 因此,c 值对坡面稳定性影响较大,φ 值对斜坡整体稳定性影响较大。 在实际工程处理中,表层的溜塌可以通过坡面削坡、坡面防护进行处理;深层滑动安全系数一般决定着线性工程是否可以从附近通过。 因此,在地质选线过程中,滑坡最不利位置宜选取阴影区中底部边界,即φ 值较小的区域。

将图10 阴影区底部参数带入计算,计算结果如表4 所示。

表4 天然状态下边坡整体稳定系数

根据《铁路路基支挡结构设计规范》(TB 10025—2006),天然状态下,k≥1.2;地震作用下,k≥1.15。 根据中国地震区划图,该场地烈度为Ⅷ度,地震动峰值加速度为0.2g,在地震作用下,稳定系数k=1.15 时,下滑推力为460 kN/m。

通过计算的滑坡推力可以看出,线路从该滑坡通过存在的地质风险较小。

5 结束语

山区地质选线中,线路通过不良地质体时,对施工及后期运营安全有极大的威胁,极端状态下,可能造成线路方案不成立。 因此,在地质灾害发育地区,地质选线尤为重要。

通过物探解译推测斜坡潜在滑面,采用Janbu 条分法并结合物探成果,判定线路从斜坡经过的可行性。根据边坡实际状况及地震状态情况,反演计算斜坡的物理力学参数,分析斜坡的稳定性,得到斜坡在天然状态下稳定系数为1.2,地震工况下滑坡推力为460 kN/m。 由此可以认为,线路可以从斜坡经过。

在反演过程中,对边坡的参数进行有限元分析,再与现场试验进行对比分析,可以更好地反映边坡土体的实际状态,为后期进行边坡支挡设计提供可靠的力学参数。