某深厚填土边坡变形特征及防治分析

张 健 张立伟

(1.中国电建集团河北省电力勘测设计研究院有限公司,河北石家庄 050031；2.河北建设勘察研究院有限公司,河北石家庄 050031)

0 引言

山区的工程建设中，为满足场地建设条件，通常须进行深挖高填，形成高度几米至数十米的填方边坡，由于填方体本身具有不均匀性，并且土体力学性质较差、自重固结尚未完成，坡顶加载导致坡顶产生张应力，岩土体受到反复的降雨、加载条件影响，岩土强度进一步降低，导致边坡内部产生软弱结构面，发展为滑坡；当填方本身处于欠固结状态，在自重及其荷载的影响下，还会导致填方体本身固结变形，严重影响坡体的安全。因此，填土边坡的变形及稳定性问题已成为山区建设的一个难题[1-5]。

本文通过勘探及物探查明了边坡填土分布，根据边坡变形情况，选择了适当的边坡岩土体参数，并通过力学计算及数值分析对该填土边坡的稳定性及其发展趋势进行了评价。结合后期监测数据验证了边坡评价的结论，对于相同或类似工程具有重要的借鉴意义。

1 工程概况

研究区填方边坡高度约30～40 m，延展情况为“L”型边坡，边坡西侧高约30 m，坡比1∶1.35～1∶1.85，北侧高33～40 m，坡比1∶1.35～1∶1.5(见图1)。坡顶厂区运行约1年后，在边坡坡顶道路及建(构)筑物中发现一系列的裂缝，道路开裂、墙体裂缝十分明显，给厂区的安全运营带来很大的威胁(1)河北建设勘察研究院有限公司.原料边坡地质灾害项目[R].2018.。

图1 边坡卫星图

2 填土边坡变形基本特征

2.1 地层结构及填土分布

根据钻探结果，场区揭露地层主要为夯实填土、②层黄土状粉土及③层第四系卵石，填土主要为①层填土、①1层夯实填土(碎石)、①2层夯实填土(黄土)，坡体典型的地层结构为①—①1—①2—③型、①—①1—③型、①—①1—②型，见图2—图4。

图2 ①—①1—①2—③型

图3 ①—①1—③型

图4 ①—①1—②型

2.2 水文地质条件

地下水主要分布于原料边坡北侧坡脚处，比较连续，根据场地钻孔内水位测量结果，坡脚处地下水稳定水位埋深为1.2～3.7 m，地下水类型属潜水，勘察范围坡体无地下水。

3 边坡变形特征及机理分析

3.1 边坡的变形特征

结合现场调查结果分析，考虑地层组合及地形地貌的影响，边坡变形存在沉降、拉裂和剪切变形作用，经分析存在3个不稳定边坡，分别为1#、2#、3#不稳定边坡。

1#不稳定边坡位于边坡东北侧，地质结构属于①—①1—②型，边坡走向约262°，边坡倾向352°，边坡整体坡角34°～36°，沿坡向水平最大距离78 m，宽117.5 m，相对高差27.3～29.0 m，坡顶发育一系列拉张裂缝及下错裂缝，整体来看，裂缝长度43～72 m不等，裂缝宽1.5～4.5 cm，局部裂缝有下错现象，下错高度一般0.5～3.0 cm，裂缝走向基本上与边坡走向平行，有下错现象，距坡顶4～30 m，见图5。

图5 1#不稳定边坡裂缝

2#不稳定边坡位于边坡西北角，地层结构属于①—①1—①2—③型，两侧临空，边坡北侧走向约262°，西侧走向约180°，边坡整体坡角34°～37°，相对高差31.8～32 m，北侧裂缝显示，坡体向北位移2 cm，西侧裂缝显示坡体中部向西错动4.5 cm，坡顶西侧挡墙出现大面积裂缝，见图6。

3#异常区位于边坡西侧，地质结构属于①—①1—②型，在原地形低洼处填方形成，边坡走向约180°，边坡整体坡角约30°，相对高差29.6～30 m，两侧拉裂缝均位于填土与原土的边界处，典型裂缝见图7，呈羽状排列，沉降变形后形成凹型坡面，路面发生弯曲变形。

图6 2#不稳定边坡裂缝

图7 3#不稳定边坡裂缝

3.2 边坡变形的分布

根据钻探及物探结果，结合原始地形，采用surfer软件生成原地貌形态见图8，填方后地貌见图9。通过形成三维的变形分区图及三维填方模型，对比变形区及填方区的分布，结果表明变形区空间分布与深厚的填方体中，两者具有明显的相关性，深度大、平面分布面积大的填方区域，边坡变形及建筑病害愈严重。

图8 填方前地貌图

图9 填方后深厚填土分布图

3.3 边坡变形发展机理

1#及2#不稳定边坡区域原地貌为深切沟谷，坡体填方物质由强风化和中等风化岩块及黄土状粉土组成，为机械回填并经夯实处理，碎石土颗粒较粗，分选差，其纵向均匀性差别较大，而且透水性较强，易于大气降雨渗入，利于边坡在重力作用下持续变形，在车辆荷载的反复加卸载作用及自身重力的作用下，产生较大的沉降变形；两侧填土与原土接触面较陡，加上高陡地形及临空面，在无侧限的条件下，引起坡顶应力的重分布和应力集中现象，坡顶产生了较明显的水平位移，边坡的变形破坏模式为推移式变形，且具有多级次变形破坏迹象[6]，见图10。

图10 1#不稳定边坡潜在破裂面分析

3#不稳定边坡持力层一侧为夯实填土，另一侧为原土，由于夯实填土年代较近，坡体内存在①层填土，该土层压缩性中等，②层黄土状粉土，中等湿陷，在遇水及荷载作用下产生不同程度的不均匀沉降，导致边坡变形。

4 边坡稳定性评价

4.1 参数选取

边坡物质以碎石土和块状碎石土为主，参照现场大重度试验结果，结合土工试验及钻探、物探异常，综合确定岩土参数；基于现场对具体边坡稳定性的定性判断结果，对抗剪强度参数进行反算，最终确定的岩土体抗剪强度参数如表1所示。

表1 岩土体抗剪强度参数表

4.2 极限平衡法

由于异常区主要沿碎石填土内部呈圆弧滑动，参照《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330—2013)规定，采用毕肖普法进行稳定性评价，边坡安全等级为一级。

1#：在天然工况下，稳定系数Fs=1.183～1.447，基本稳定—稳定；暴雨工况下，稳定系数Fs=1.058～1.305，基本稳定—稳定；地震工况下，稳定系数Fs=1.060～1.180，基本稳定—稳定。

2#：在天然工况下，稳定系数Fs=1.344～1.497，基本稳定—稳定；暴雨工况下，稳定系数Fs=1.158～1.199，基本稳定—稳定；地震工况下，稳定系数Fs=1.129～1.196，基本稳定—稳定。

3#：在天然工况下，稳定系数Fs=1.405～1.753，稳定；暴雨工况下，稳定系数Fs=1.228，基本稳定；地震工况下，稳定系数Fs=1.237，稳定。

综上，1#不稳定边坡及2#不稳定边坡，在天然工况、暴雨工况及地震工况，基本稳定—稳定，3#不稳定边坡，现状整体稳定性满足要求[7-8]。

4.3 有限元法

采用Midas GTS NX有限元数值模拟软件，分别建立1#、2#、3#异常区三维模型，基于软件内置的边坡有限元强度折减法(SRM)，模拟边坡的变形、塑性区与应力场。各岩土层采用一般弹塑性行为分析的摩尔-库仑模型。

(1) 1#不稳定边坡

在原填方沟谷区域即1#不稳定边坡，坡体发生变形量为数厘米(见图11)。

图11 1#不稳定边坡总位移分布图

由于自重及车辆荷载的作用，坡顶及坡面位移的分布表现为近坡面处位移最大，远离坡顶区域位移逐渐减小，坡顶位移分布主要集中在坡顶区域及平台区域，该处地势较为平坦，自重应力分布较为均匀，产生在自重及车辆荷载作用下的竖向变形。由于自重及车辆荷载的作用，坡顶及坡面位移主要分布在填方沟谷区，位移的大小与填方体相关性密切，受填方体厚度影响较大。

(2) 2#不稳定边坡

2#不稳定边坡位移的分布表现为变形的侧向临空变形(见图12)。边坡受其坡体结构及临空面的影响，表现为两个变形区，变形较为明显。

图12 2#不稳定边坡总位移分布图

5 防治方案建议及监测

5.1 防治方案建议

根据现场定性分析及稳定性数值分析，边坡现状基本稳定—稳定，边坡稳定性不满足规范要求，但有一定的安全储备，可不立即进行边坡治理，但边坡变形仍存在继续发展的迹象，应立即对边坡的变形和位移进行监测，当监测数据超出预警值，应立即开展治理工作。

5.2 边坡监测

边坡监测时间始于2017年7月，监测资料至2018年7月。分别对坡顶水平及竖向位移、裂缝位移进行了监测。

(1)坡顶水平及竖向位移监测

坡顶水平及竖向位移监测曲线见图13、图14。从曲线可以得出，坡顶各监测点位移变化规律基本相同，主要特征有：

图13 坡顶水平位移监测曲线

图14 坡顶竖向位移监测曲线

①各竖直位移监测点最大累计变化量均以下降为主，变化范围为12.4～29.4 mm。

②各水平位移监测点变化均为向坡外位移，变化范围为8.4～26.8 mm。

③在整个监测过程中，变形在2017年10月以后趋于稳定，变化率较大的时间集中在7月—10月。

④雨季变形较大，建议继续观测。

(2)裂缝位移监测

各裂缝位移监测点的详细变形见图15。

裂缝位移变化规律基本相同，主要特征有：

①位移测点最终变化均以拉开为主，范围为8.0～23.4 mm。

②在整个监测过程中各点虽然出现上下波动现象，但各点均未出现报警。

③变形在10月以后于稳定。

④建议继续观测。

图15 裂缝位移监测曲线

6 结论

本工程采用了系统、综合的勘察手段评价了边坡变形特征及破坏机理，采用多种定性、定量的方法评价了边坡的稳定性，从监测结果上看边坡变形较为稳定。

(1)通过综合的勘察手段，查明了填土主要分布在边坡的西北侧、北侧中部及东北侧。

(2)通过地质过程分析，从裂缝形成演变的角度结合边坡的地质结构，分析了病害形成主要因素为高陡的地形、较厚的填方体、不利的地层接触关系及持续的车辆荷载；边坡变形主要表现为多滑面的推动式变形及建筑物的不均匀沉降，坡体处于蠕动变形阶段。

(3)通过定性、定量评价的方法，建立三维地质模型，基于可靠的岩土参数，结合边坡破坏的基本模式，采用极限平衡法和数值模拟，进行了变形区稳定性评价，得出1#、2#不稳定边坡基本稳定，3#不稳定边坡表现为不均匀沉降的结论。

(4)基于边坡变形特征及稳定性评价结果，提出了边坡应加强监测，根据监测结果采取进一步的治理，根据近一年的监测数据，边坡变形趋势减缓，各项指标均显示正常，为厂区的生产提供了科学的防治建议。