粉质黏土隧道边坡稳定性影响因素及处治技术研究

邵珠山，崔枫，李成龙，丁保新

粉质黏土隧道边坡稳定性影响因素及处治技术研究

邵珠山1, 2，崔枫1, 2，李成龙1, 2，丁保新1, 2

(1. 西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055；2. 陕西省岩土与地下空间工程重点实验室，陕西 西安 710055)

边坡稳定性分析对于边坡灾害预防及治理加固意义重大。以贵州剑榕高速南稍Ⅳ号隧道的边坡为工程背景，采用有限元软件ABAQUS分析了不同坡角、降雨入渗以及隧道开挖对边坡稳定性的影响，探讨不同支护措施的加固效果。研究结果表明：安全系数与坡角对数、土体含水率具有线性关系；在自然条件下进行隧道开挖，隧道覆盖层土体厚度为2.5倍洞径左右时，边坡塑性区开始出现向隧道部位发展的趋势，小于1.5倍洞径时，塑性区将通过隧道轮廓面。隧道拱顶沉降量达到19.5~20.4 mm时，边坡将达到失稳破坏临界状态；采用抗滑桩或锚杆单一支护方式不能满足边坡加固要求时，采用抗滑桩和锚杆联合支护的方式不仅能更有效地提高边坡的安全系数，同时也能减小塑性区的发展范围。结合现场实测数据验证了理论模型的合理性，为相关边坡工程的设计、施工、治理提供理论依据。

边坡；隧道；粉质黏土；稳定性；加固措施

对边坡稳定性影响因素和加固效果的研究是公路建设过程中面临的一个急需解决的问题。边坡的稳定性情况事关工程建设的成败，对整个工程的可行性、安全性及经济性都起着至关重要的作用，并在很大程度上影响着工程建设的投资及其使用效益，如果处理不当，可能导致边坡失稳，形成滑坡和崩滑，后果不堪设想。边坡在自然状态下的稳定性是由其自身的物理力学性质及地质情况决定的，有关学者[1−3]结合理论和数值计算发现，泊松比只对塑性区分布范围有影响；弹性模量在一定取值范围内，对边坡的变形和位移的大小有影响，但对安全系数没有影响。王元战等[4−5]通过数值方法分析了降雨条件下边坡的稳定情况，结果表明强降雨会使浅层土体发生塑性破坏，土体渗透性对于岸坡稳定性的影响需同降雨强度结合起来考虑。其次，人为的隧道开挖是影响边坡稳定性的重要因素。柴红保等[6−8]通过室内实验和数值模拟分析了隧道的开挖和尺寸对边坡稳定性的影响规律。因此，在施工中如何对边坡进行加固以达到最大的加固效果就显得极为迫切和重要。陈冲等[9]提出一种复合单元抗滑桩模型，通过数值方法分析得到抗滑桩布置在边坡中部时加固效果最佳。黎慧珊等[10−11]结合工程实例和数值模拟对预应力锚杆在边坡加固的应用展开了深入研究，研究发现不同预应力会影响到滑坡推力在桩身背后的分布。但是，以上研究成果中关于坡角与安全系数之间的关系却没有进行定量的阐述，也没有考虑到隧道开挖位置和隧道变形对于边坡稳定性的影响，有关抗滑桩和锚杆加固效果的定量讨论分析也涉及较少。基于以上结论，本文以贵州剑榕高速公路南稍Ⅳ号隧道为依托对边坡稳定性进行了分析。由于自然条件下的边坡坡角在45°左右，接近于边坡失稳的临界状态，故对影响其稳定性因素的分析显得尤为重要。边坡洞口段主要分布第四系残破积层含碎石粉质黏土，碎石含量约14%，厚15.0~25.0 m，遇水或长期暴露在空气中其强度会迅速降低。而该地区又属亚热带湿润季风气候，降雨量充沛，地表受雨水侵蚀、剥蚀作用强烈，严重影响了边坡自然状态下的稳定性。受公路展线限制，山体下穿隧道成为公路建设的必然选择，而隧道开挖对边坡稳定性的影响不可忽略。为保证工程建设的顺利进行，本文基于强度折减法，数值模拟分析了坡角、降雨入渗和隧道开挖对边坡稳定性的影响，提出了相应的处治技术措施。并通过现场实测数据验证了数值模型的可靠性，为现场施工提供了指导。

1 自然边坡稳定性影响因素分析

1.1 坡角对边坡稳定性的影响

以隧道洞口段边坡(图1)土体的物理力学指标作为研究参数，研究边坡在自然状态下的稳定性。建立如图2所示的计算模型，基于强度折减法，即在数值模拟过程中通过折减土体的内摩擦角值和黏聚强度实现边坡从稳定到破坏状态，以特征部位的位移拐点作为评价标准，分析了坡角不同时边坡的稳定性，具体数值见表1。计算模型边界条件：边坡底部约束=0，=0，即约束底部的水平位移和竖向位移；边坡左右两侧边界约束=0，即约束侧向的水平位移。以边坡安全系数s作为评价边坡稳定性的指标，其物理意义为土体的抗滑力与滑动力的比值，即s<1表示边坡已发生失稳破坏。

图1 隧道洞口段边坡

表1 边坡土体计算参数

图2 边坡计算模型

1.2 降雨入渗对边坡稳定性的影响

边坡所处地区降雨量丰富，对地表剥蚀作用强烈，因而分析降雨入渗对边坡稳定的影响显得尤为重要。考虑到洞口段边坡高度较小，雨水入渗较快，因此用土体含水率来表示降雨入渗对于边坡稳定性的影响。首先对现场取得的土样初筛选，然后放在烘箱中进行烘干，持续24 h，烘箱温度调到105 ℃。其次制备不同含水率的试样并测得其含水率，其中饱和状态下土体含水率为44.19%，再通过剪切试验测得其抗剪强度指标，试验结果见表2。试验结果表明随着含水量的增加，土体抗剪强度降低，黏聚强度和内摩擦角均下降。以试验结果所得的土体抗剪强度值为模型参数，研究在不同坡角下，含水率对边坡稳定性的影响。

图3 安全系数Fs与坡角α对数的关系曲线

图4 整体滑动弧面

不同坡角情况下，含水率与边坡安全系数的关系曲线如图7所示。同一坡角下，安全系数随含水率的增加近似线性减小，即降雨强度越大，边坡越容易发生失稳破坏；不同坡角时边坡达到临界破坏状态的含水率不尽相同：坡角越大，临界破坏状态的含水率越小，30°，45°和60°坡角边坡临界破坏状态的含水率分别为27%~31%，16%~19%和9%~12%。实际边坡的坡角在45°附近，稳定性较差，因而需采取合理的防雨排水措施能够使得土体含水率控制在16%~19%以内，以提高边坡的稳定性。

图5 土体含水率试验

图6 土体剪切试验

由图3和图7可以看出，安全系数与坡角对数、土体含水率呈近似线性关系，不同工况下的拟合结果见表3。结果表明，安全系数与坡角、土体含水率呈线性负相关，即坡角和含水率的值越大，安全系数越小，边坡稳定性越差；此外，线性拟合后相关系数的绝对值均在0.95以上，这说明用一次函数可以很好地拟合出边坡自然状态下的安全系数与坡角对数值、土体含水率之间的关系。

图7 不同坡角下安全系数Fs与含水率ω的关系曲线

表3 安全系数与物理力学指标统计关系

注：0.05为临界值，若|ρ,Y|>0.05，即表明与之间具有线性相关关系的概率达到了95%。

2 隧道开挖对边坡稳定影响分析

在自然坡角和天然含水率(16%~19%)条件下的边坡安全系数为1.032，接近于临界破坏状态，分析在该条件下隧道开挖对边坡稳定性的影响。根据南稍Ⅳ号隧道实际开挖的位置及尺寸，隧道半径为4.5 m，初次衬砌厚度为26 cm，混凝土强度等级为C30，将钢拱架等效为混凝土衬砌后的弹性模量为33 GPa，泊松比为0.2，建立图8所示的模型。

图8 隧道开挖后的边坡计算模型

图9 隧道开挖后的安全系数变化趋势

(a) 未开挖30°；(b) 已开挖30°；(c) 未开挖50°；(d) 已开挖50°；(e) 未开挖70°；(f) 已开挖70°

2.1 隧道开挖位置对边坡安全系数的影响

隧道开挖后的边坡安全系数随坡角的变化趋势如图9所示。坡角小于60°时，隧道土体开挖后的边坡安全系数要略高于未开挖情况下的安全系数。产生这种现象的原因主要是在数值模拟中，隧道土体开挖后，就立即施作初期支护并封闭成环，减小了围岩扰动。此外，初期支护混凝土的弹性模量远大于周围土体的弹性模量，从而减小了坡体的沉降变形，在一定程度上提高了边坡的稳定性。坡角达到60°之后，隧道开挖后的边坡安全系数明显要小于未开挖情况下的安全系数。这是由于隧道土体开挖使得塑性区向边坡内部发展且宽度变大(图10)。在坡角较小时，隧道距离坡面较远，对于边坡稳定性的影响较小。随着坡角的增大，隧道表层土体覆盖层厚度变小，塑性区大约在覆盖层土体厚度为2.5倍洞径时开始出现向隧道部位发展，边坡稳定性下降。在60°~70°之间，即覆盖层土体厚度在1.5倍洞径以内时，塑性区将通过隧道轮廓面，这种情况下隧道支护结构将无法承载滑坡体的下滑力而产生破坏。由此可见，隧道位置会影响坡体塑性区的发展：隧道距离坡面越近，即表层土体覆盖层厚度越小，塑性区越容易向隧道部位发展，边坡及隧道的稳定性越差。

图11 安全系数Fs与拱顶沉降s关系曲线

2.2 隧道变形对边坡稳定性的影响

为了研究隧道变形对边坡稳定性的影响程度，通过设置初次衬砌不同强度等级(C10~C60)、厚度(15~75 cm)等参数来控制隧道的拱顶沉降变形，建立坡角为45°，天然含水率(16%~19%)条件下隧道开挖的边坡模型，边坡安全系数s随隧道拱顶沉降的变化规律如图11所示。由图11可知，边坡安全系数值随隧道拱顶沉降值的增大而减小，即隧道变形越大，边坡的稳定性越差。当拱顶沉降量达到19.5~20.4 mm时，边坡将达到临界状态，一旦超过该限值，边坡将发生失稳破坏。因此，在隧道实际施工过程中，一方面要及时支护减小隧道的沉降变形，另一方面要加强支护结构强度保证隧道变形量低于19.5~20.4 mm这一限值，避免发生滑坡破坏。

3 边坡加固处治技术

在自然坡角和天然含水率条件下的边坡接近临界破坏状态，已然不满足《建筑边坡工程技术规范》中的永久性边坡安全系数大于1.25的要求，分析在不同加固措施下边坡的稳定情况，并给出合理的加固方案。

根据对称性，取一段边坡土体进行分析，建立在不同加固参数下的边坡模型(图12)，抗滑桩为桩径=2 m的圆形截面桩，水平间距为5 m，锚杆为非预应力全长黏结锚杆，材料为普通螺纹钢筋，向下倾斜20°，分别研究桩长和锚杆锚固段长度为9.5，10.5，11.5，12.5和13.5 m不同组合情况下的边坡加固效果，计算分析后的安全系数如图13所示。边坡在自然状态下的安全系数为1.032，处于临界失稳状态，稍加扰动即可能发生破坏。由图13可知，边坡安全系数均随抗滑桩和锚杆长度值的增加而增大，若只采用抗滑桩进行边坡加固，安全系数最大提升至1.239。若只采用锚杆进行边坡加固，安全系数最大提升至1.248，均不到规范值。若采用单一的加固方式对边坡加固使其满足规范要求，可采取增大桩径、桩深，提高锚杆的布置密度、横截面积等措施，但势必将带来工程成本的提高且不利于边坡的变形控制。综合以上因素考虑，采用抗滑桩和锚杆进行联合加固更为经济合理。当桩长和锚杆长度达到11.5 m时，边坡安全系数为1.288，满足规范值。

图12 抗滑桩＋锚杆单元示意图

为研究不同加固方案下边坡失稳时塑性区的空间演化规律，考虑长度=11.5，13.5 m的抗滑桩、锚杆和抗滑桩＋锚杆联合加固情况下塑性区的分布情况。由图14可知，加固方式对塑性区的发展有显著影响，采用抗滑桩进行加固时塑性区的发展范围最大，而抗滑桩＋锚杆联合加固时塑性区的发展范围最小；同一加固方式不同长度时塑性区的发展范围也有明显区别，长度越长，塑性区的发展范围越小。因此采用抗滑桩＋锚杆联合加固不仅能显著提高边坡安全系数，同时也能够减小塑性区的发展范围。

图13 不同加固方案的边坡稳定安全系数

(a) 抗滑桩L=11.5 m；(b) 锚杆L=11.5 m；(c) 抗滑桩＋锚杆L=11.5 m；(d) 抗滑桩L=13.5 m；(e) 锚杆L=13.5 m；(f) 抗滑桩＋锚杆L=13.5 m

4 数值模拟结果验证

现场采用抗滑桩＋锚杆加固方案对边坡进行加固治理后再进行隧道的开挖施工，建立隧道开挖后的边坡数值模型，计算所得的边坡安全系数为1.275，满足规范要求，将计算结果与现场监测数据进行对比分析。

现场布设边坡体内部位移监测孔来监测边坡的变形，以横坐标为位移量，纵坐标为孔深，将监测数据整理后绘制孔深−位移曲线，如图15所示。由图可知，孔A和B 2个方向(A方向162°南、B方向252°西)的变形特征位置均位于孔口处，再将孔口处的累计位移量、变形速率整理绘制如图16(a)和16(b)所示。滑坡体两方向的累计位移增量均不断增加，最大值达到了65 mm左右。从变形速率−时间变化图中可知，经加固治理施工后的边坡，位移均呈减小趋势，整体变形速率最终处于较低值，因此抗滑桩和锚杆的联合加固对提高边坡稳定性的效果显著。

图15 孔深−位移曲线

(a) 累计位移增量变化；(b) 变形速率变化

将现场监控量测隧道拱顶沉降的数据与模拟结果进行对比。如图17所示，现场实测值和模拟值累计沉降分别达到了190 mm和170 mm左右。二者的总体趋势大致相同，均为前20 d以较快速率增长，20 d以后速率减缓，大约在40 d后保持稳定。现场监测沉降值较大原因是围岩受到施工扰动影响较大，现场的复杂工况在模拟中并未考虑到。而在现场监测初期8 d左右拱顶累计沉降变化不大的原因可能是施工初期支护，也存在部分监测误差，理想状态下近似线性增加，而数值模拟结果接近理想状态结果。典型断面的数值模拟与现场实测对比结果显示，二者在趋势上相同，数值上接近，从而可以说明数值模拟的合理性，也能在一定程度上对后续模拟以及类似工程提供指导和建议。

图17 隧道拱顶竖向位移

5 结论

1) 边坡稳定性与坡角具有明显的负相关性，且安全系数与坡角对数呈线性函数关系，因此在选线方面应尽量选择坡角较小的边坡进行施工开挖。降雨量的增加将提高土体的含水率，减小土体的抗剪强度，边坡稳定性将变差，且边坡安全系数与粉质黏土的含水率近似线性函数关系。施工现场应加强边坡的防排水措施，增加土体的抗剪强度，提高边坡稳定性。

2) 隧道开挖位置与坡面距离越远，对边坡的扰动越小，边坡越稳定。当隧道表层土体的覆盖层厚度在2.5倍洞径时，塑性区将向隧道轮廓面发展；覆盖层厚度小于1.5倍洞径时，滑坡体将侵入隧道轮廓面，支护结构无法承载过大的下滑力而失稳破坏。粉质黏土边坡稳定性与隧道变形关系密切，在天然含水率(16%~19%)条件下，隧道拱顶沉降量超过19.5~20.4 mm时，边坡将发生失稳破坏。

3) 边坡在隧道开挖后，支护结构及时的封闭成环对边坡的稳定性是有利的，能显著提高边坡稳定系数的大小。当抗滑桩或锚杆单一支护方式不能满足稳定性的要求时，采用抗滑桩＋锚杆联合作用不仅能大大提高边坡的安全系数，有利于边坡的稳定性，同时也能够减小塑性区的发展范围。

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Research on influencing factors and treatment technology of stability of silt clay tunnel slope

SHAO Zhushan1, 2, CUI Feng1, 2, LI Chenglong1, 2, DING Baoxin1, 2

(1. School of Civil Engineering, Xi’an University of Architecture & Technology, Xi’an 710055, China;2. Shaanxi Key Lab of Geotechnical and Underground Space Engineering, Xi’an 710055, China)

Slope stability analysis is of great significance for slope disaster prevention and treatment reinforcement. Taking the slope of Nanshao IV tunnel of Jianrong Expressway in Guizhou as the engineering background, the influence of different slope angles, rainfall infiltration and tunnel excavation on the slope stability was analyzed by finite element software ABAQUS, and the reinforcement effect of different support measures were discussed. The results show that: 1) Safety factor has a linear relationship with the soil moisture content and the logarithm of the slope angle; 2) Tunnel excavation under natural conditions, the plastic zone of the slope has a tendency to develop towards the tunnel site as the soil thickness of the tunnel cover layer is about 2.5 times the hole diameter. When the diameter is less than 1.5 times, the plastic zone will pass through the tunnel profile. If the settlement of the tunnel vault reaches 19.5~20.4 mm, the slope will reach the critical state of instability and failure; 3) When the anti-slide pile or anchor cable single support method can’t meet the requirements of slope reinforcement, the combination of anti-slide pile and anchor cable can not only improve the safety factor of the slope effectively, but also reduce the development range of the plastic zone. The rationality of the theoretical model is verified by the field measured data, which provides a theoretical basis for the design, construction and treatment of the relevant slope engineering.

slope; tunnel; silty clay; stability; reinforcement measures

U411

A

1672 − 7029(2020)08 − 2055 − 10

10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20190962

2019−10−31

国家自然科学基金面上资助项目(11872287)；陕西省重点研发计划资助项目(2019ZDLGY01-10)

邵珠山(1968−)，男，山东滕州人，教授，博士，从事地下工程防灾减灾与数值方法及其工程应用研究；E−mail：shaozhushan@xauat.edu.cn

(编辑 蒋学东)