山区坡顶建筑荷载作用下顺层粘土边坡稳定性分析

胡庆宝 陈颖辉 欧明喜 赵雨

(昆明理工大学建筑工程学院 昆明 650500)

0 引言

镇雄县位于云南省东北部，山峦起伏、坡陡谷深，人口密集，随处可见修建于边坡上以毛石为基础的民房。随着人民生活水平提高，在坡顶修建房屋楼层越来越高，加剧了边坡的不稳定性，导致坡顶民房的沉降开裂。因此，边坡稳定性关系到坡顶民房的正常使用与人民的生命财产安全。

目前已有众多学者对边坡稳定性进行研究，在MIDAS GTS NX中运用强度折减法[1]很容易得出边坡安全系数，为判断边坡稳定性提供参考。孙伟[2]、MUKHLISIN M等[3]研究了强度折减法分析土坡稳定问题的适用性。韦立德[4]、周波等[5]探讨抗滑桩在边坡加固中的作用，其中韦立德比较了增大抗滑桩密度与增大桩径对边坡稳定性的效果。许明[6]、袁方[7]、吕庆等[8]对边坡采用锚索框格梁的稳定性进行了分析，其中许明认为边坡采用锚索框格梁可以分担所承受的荷载，改善边坡稳定性。张海娜等[9]发现坡顶荷载对边坡岩层的破坏模式影响不大。王俊杰等[10]提出了下卧反倾岩层潜在整体破坏面的理论计算方法。

然而，对顺层粘土边坡在不断建筑加载下稳定性研究较少，为此本文以镇雄县某顺层粘土边坡支护加固为研究背景，采用SRM法建立三维有限元数值模型，对不同加固阶段进行模拟对比，研究边坡与坡顶民房稳定性，为今后镇雄县滑坡隐患区域应急抢险治理提供参考。

1 边坡工程概况

1.1 场地条件

该项目区位于镇雄县某乡集镇西侧，地处坡脚河流东岸谷坡，属强侵蚀中山峡谷地貌区，总体下部陡峻，中、上部平缓，地形坡度25°～45°，坡向278°。下部以直线形坡为主，局部浅表坍滑、垮塌，地形低凹，坡度30°～45°，坡脚为047乡道，地形平坦。中上部一带斜坡原始地形坡度25°～30°，由于民房修建开挖、回填及相应支挡工程的实施，坡面多呈台坎状，坎高4.0～8.0 m。项目区地形地貌情况如图1。

图1 项目区地形地貌示意

1.2 工程地质条件

根据项目区勘察钻孔报告，并结合室内试验，选取各岩土层物理力学指标如表1。

表1 土体力学参数

1.3 边坡支护加固情况

2017年4月坡顶一层住房发生开裂现象，故于同年在坡脚修筑砌石挡土墙。由于人民生活水平大幅度提高，在原有一层住房基础上修建为两层房屋，导致坡脚挡土变形过大破坏，坡顶地面出现裂缝。因此，于2018年12月将挡土墙拆除，并于次年4月在坡脚采用抗滑桩+挡土板进行边坡加固。2019年坡顶房屋扩建，由于楼层加高至4层，致使坡顶住宅开裂，故于2020年在原有抗滑桩加固的基础上，在坡面上中上部设横向间距为4 m、纵向3排锚索框格梁，梁截面均为0.45 m×0.55 m，均采用C25砼，锚索采用3φS15.24钢绞线，锚索长度21～28 m，锚固段长度6 m，倾角均为25°，造孔直径均为150 mm，预应力均为300 kN；下部设横向间距3 m、纵向间距2.6 m锚杆框格梁，梁截面均为0.3 m×0.4 m，锚杆均采用一根HRB400D32钢筋，倾角25°，全锚注浆。具体工况如表2。

表2 施工概况

2 边坡模型参数的选取与构建

以边坡工程实际为基础，并假设各土层厚度、性质均匀，对边坡岩土体与支护结构分别采用摩尔库伦本构模型与弹性模型进行模拟，并未考虑降雨、地下水等因素对土体与支护结构的影响。选取坡顶房屋开裂最为严重的一段作为代表，建立模型进行分析。其支护结构剖面如图2。

图2 支护结构剖面图

根据《地震灾区建筑垃圾处理技术导则》选取该边坡坡顶建筑荷载为10 kN/m2。结合现场工程实际情况，将建筑采用均布荷载的方式进行坡顶加载。各土层力学参数参照表1，抗滑桩与挡土板物理参数参照C30混凝土，框格梁物理参数参照C25混凝土。

模型尺寸参照工程实际进行设置，其边界尺寸为40 m×65 m，建立边坡在上述4种不同工况状态下的三维有限元模型。

3 不同阶段数值模拟稳定性分析

3.1 天然状态下稳定性分析

2015年7月当地居民对边坡坡脚进行适当削坡处理，坡顶为一层民房，于2016年10月坡脚土体发生部分滑移，结合现场实际情况，建立模型进行分析，其变形云图如图3。整体、水平向与竖向最大变形均发生在坡脚，其中整体变形为18.27 cm，水平向位移为17.93 cm，竖向位移为5.29 cm，安全系数为1.069。根据GB 50330—2013《建筑边坡工程技术规范》[11]，该边坡为三级边坡，安全系数应大于1.25，故该边坡应进行一定加固处理方能保证其稳定性需求。

图3 天然削坡状态坡顶1层建筑变形云图

3.2 砌石挡土墙加固情况下稳定性分析

2017年4月对坡脚修筑砌石挡土墙进行加固，2018年坡顶居民修建房屋，同年10月修建至第2层时，坡脚挡土墙发生开裂最大变形为24.47 cm，且部分垮塌，坡顶民房有开裂现象，故停止房屋修建，并于12月将挡土墙拆除。对该情况进行模拟，变形云图如图4，最大变形26.70 cm位于挡土墙处，为实际监测数据的1.09倍，其滑动面与图2中标注的原工程治理滑动面相近，模拟结果与实际情况基本相符，因此该模型具有一定的可靠性。将该模拟结果与同种情况下天然状态模拟结果(图5)进行对比。结果表明：在工况1与工况2中，坡顶建筑为两层时，边坡安全系数分别为1.051与1.057，边坡变形、滑动面位置与形状几乎相同。换言之，该边坡进行砌石挡土墙加固意义不大，其原因是：该挡土墙整体处于边坡滑动面内，对边坡加固并未起到预期作用。

图4 砌石挡土墙加固坡顶2层建筑变形云图

图5 天然状态下坡顶2层建筑变形云图

3.3 抗滑桩+挡土板加固情况下稳定性分析

2019年对该边坡采用抗滑桩+挡土板进行加固，在该种加固方式下，边坡及坡顶民房并未产生明显的持续变形与开裂现象，因此坡顶居民未听取相关建议停止修建房屋，并在同年年底将房屋修建至4层。2020年2月图2中L1处地面出现4～6 cm不均匀裂痕，民房内局部出现5～7 cm裂痕，并有持续增大现象。对该种工况进行模拟，其变形云图如图6，抗滑桩整体最大位移为4.67 cm，最大变形发生在坡顶建筑处8.40 cm，为民房内实际最大裂痕1.2倍，坡顶地面裂痕L1处变形6.92 cm，为地面实际最大裂痕1.15倍，安全系数为1.184，仍低于规范要求1.25。且其滑动面、滑坡影响区皆与图2中采用理正计算得出结果接近，故而该模型具有一定可靠性。结果表明：抗滑桩嵌固于原有滑动面底下的岩土体中，从而很好的限制了边坡下层土体变形，因此该抗滑桩对边坡下部土体治理起到较好作用，但对控制坡顶建筑变形的效果不甚理想。

图6 抗滑桩加固坡顶4层建筑变形云图

3.4 锚杆锚索框格梁加固情况下稳定性分析

由于坡顶裂缝存在增大现象，有一定的安全隐患，故于2020年10月在原有支护条件下对该边坡采用锚杆锚索框格梁进行再次加固。对该工况进行模拟，其变形云图如图7。云图表明坡顶建筑最大变形为4.92 cm，抗滑桩最大变形3.26 cm，坡顶裂缝处最大变形4.67 cm，比工况3分别缩小41.4%、30.2%与32.5%。安全系数提高到1.622，满足边坡稳定性要求，此时边坡安全系数相对工况3提高40.0%，因此该种方式对边坡加固起到有效作用。

图7 锚杆锚索框格梁加固坡顶4层建筑变形云图

4 4种工况对比分析

图8为在坡顶不同楼层荷载作用下4种工况的边坡安全系数变化曲线。由图可知随着楼层增加安全系数呈下降趋势，其中工况4安全系数最大，对边坡加固作用最为有效。当楼层为1层时工况4与工况2的安全系数分别为1.672与1.069，相对提高约57.1%，然而工况1相比工况2略大一些，即采用砌石挡土墙对边坡的加固作用略小于天然削坡工况。

图8 楼层层数与安全系数曲线

图9—图10分别为在坡顶不同楼层荷载作用下4种工况的坡脚与坡顶建筑沉降最大变形曲线。在图9中工况3与工况4在相同建筑荷载作用下坡脚抗滑桩位移变化相近，最大变形为4.67 cm与3.28 cm。图10中工况3相对工况4对控制坡顶建筑变形治理效果较差，最大沉降分别为-8.39 cm与-4.92 cm，控制沉降效果提高了41.4%。说明后期所采用的锚杆锚索框格梁主要对边坡上部土体与坡顶建筑起到加固作用，而对边坡下部土体加固作用较小。图9与图10中，工况1与工况2最大位移均随楼层层数增大而显著增大，且变化速率呈递增趋势，两种工况在1层与2层情况下，其变形相接近，而当楼层为3层与4层时，工况1与工况2方式下的坡顶民房变形远超其所能承受变形范围。且工况2的变形显著大于工况1，再次说明天然削坡比砌石挡土墙对边坡稳定性更有效，其原因是：砌石挡土墙改变了边坡原有的应力状态，其嵌固段处于边坡潜在滑坡体内，对边坡加固不起作用。

图9 楼层层数与坡脚最大位移曲线

图10 楼层层数与坡顶建筑最大沉降曲线

5 结论

在实际变形数据验证模型可靠性的基础上，对天然状态、砌石挡土墙加固、抗滑桩+挡土板加固、锚杆锚索框格梁加固4种工况在不同楼层荷载作用下边坡变形与稳定性分析，得出以下结论：

(1)MIDAS GTS NX对该边坡的模拟结果与实际变形监测数据相差不大，故可利用该软件对镇雄县类似边坡进行有限元分析，分析边坡采用不同加固方式的稳定性，为镇雄县边坡防灾抢险工作起到积极作用。

(2)该边坡在天然削坡状态下安全性略大于砌石挡土墙加固状态，当坡顶建筑超过2层时，砌石挡土墙对边坡的加固作用明显弱于天然削坡状态；且当坡顶建筑为1层时，安全系数均低于1.07，存在安全隐患，故而建议在类似边坡修建浅基础建筑时，应对边坡进行一定的加固处理，保证坡顶建筑的安全性。

(3)采用抗滑桩加固边坡时，改善坡脚土体的潜在滑动趋势，对坡顶建筑的安全性起到一定作用，此时边坡安全系数为1.184，坡顶建筑仍存在安全隐患。

(4)采用锚杆锚索框格梁对边坡加固时，坡顶建筑与抗滑桩最大变形分别为4.92 cm、3.26 cm，相比抗滑桩加固缩小41.4%与30.2%；安全系数为1.622，相对抗滑桩加固提高40.0%，此时边坡处于安全状态。

(5)随着坡顶楼层的增加，边坡稳定性呈下降趋势，故应限制类似边坡坡顶建筑层数。