西北山区公路红砂岩与黏土混合泥石堆积层稳定性分析

石峰勇 刘博洋 王鑫 乌日娜

（1.内蒙古阿拉善盟交通运输事业发展中心，内蒙古 阿拉善盟 750300；2.内蒙古阿拉盟交通运输工程质量和农村公路服务中心，内蒙古 阿拉善盟 750300）

红砂岩与黏土混合泥石堆积层滑坡在我国西北地区较为常见，其土体稳定性受多种因素影响，且土体滑移条件较为复杂。公路建设工程项目在线路布设控制点的制约因素下，在穿越不良地质路段时，对红黏土砂砾堆积层切坡开挖后，切坡侧土体的稳定性极易受到外界因素扰动及雨雪天气影响，引起破内剪应力，进而产生坡面及破内剪切破坏，最终诱发沿路切坡土体的曲面滑坡。

一、红砂岩与黏土混合泥石堆积层特性

内蒙古自治区阿拉善左旗敖伦布拉格境内穿越大坝山盘山路段的滑坡体为红砂岩与黏土混合泥石堆积层，呈泥状胶结结构，强度及结构稳定性受外界自然环境的影响较为明显，经调查发现其物理特性有易风化、遇水胀解性、高透水性、强保水性等。具体表现为该地堆积层孔隙率较大，经过日照及风蚀及雨水的反复作用下，易崩解成小碎块，且体积略有增加，膨胀率约为1.3%～4.8%，崩解后遇水易软化，崩解后土体的整体性及板块性较差，且土体强度下降较快，物理结构发生变化后其强度表现具有不可逆转性。由于该对基层中黏土混合泥石占比较高，因此堆积层土体稳定的情况下，其强度相对松散破碎状态下较高，发生土体滑移时内部土体常表现出较为明显的剪应力突变。

二、红砂岩与黏土混合泥石堆积层稳定性分析

（一）强度折减理论

根据目前主流研究成果来看，土体稳定性分析中广泛采用的数值分析方法是有限元法，而强度折减法则是有限元分析中最为常用的分析方法，它能够模拟复杂地貌和地质构成的土体稳定性问题计算机分析。强度折减法主要思路是将切坡侧土体的强度参数（抗拉强度、黏聚力c、内摩擦角Ф）同时除以一个折减系数（记作“F”），通过强度折减的反复迭代计算，不断将新得到的c′和Ф′作为新的计算参数，直至切坡侧土体达到极限平衡状态并发生剪切破坏为止。土体强度参数值与极限破坏时得到的强度参数值之比，就是要计算的稳定安全系数。计算中，考虑切坡侧土体的重力加速度为常数、边坡荷载作用不变，计算收敛过程中切坡侧土体达到极限状态后，土体内部发生剪切破坏，可得到切坡侧土体的最小稳定安全系数，之后根据土体弹塑性计算结果便可以得到切坡侧土体的滑移破坏面位置所在。由于强度折减法不但可以满足切坡侧土体的非线性应力-应变分析计算，还可以用于应变相容、静力平衡条件下的切坡侧土体稳定性分析，因此该方法的适用范围较为广泛。

寻找切坡侧土体失稳的临界状态，需要对土体的强度参数黏聚力c和内摩擦角Ф进行折减计算：

根据摩尔库仑准则，折减因数表示切坡侧土体的实际抗剪强度与极限平衡状态时抗剪强度之比。在此，切坡侧土体稳定性安全系数在有限元强度折减法中同样可以定义为：切坡侧土体到达极限破坏状态时，对切坡侧土体的抗剪强度指标（c黏聚力、内摩擦角）进行折减的程度，岩土体的实际抗剪强度与折减后临界破坏（极限破坏）时的剪切强度的比值为安全系数。

通过对切坡土体的抗剪强度参数黏聚力cF和内摩擦角φF进行折减后，方可对切坡侧土体的稳定性进行数值运算分析，迭代运算后得到切坡侧土体处于极限平衡临界破坏状态时的折减系数，就是极限平衡状态下的切坡侧土体的稳定安全系数FS，进而找到切坡侧土体的土体滑坡面位置，并仿真模拟出土体滑坡面的具体形态。

（二）堆积层失稳判定与分析

由上文折减理论阐述，切坡侧土体稳定安全系数通过折减迭代计算，以极限形式存在的一个参数常量。在目前相关研究领域内，基于有限元仿真分析时，切坡侧的土体失稳判定类型有三种。

1.以土体位移收敛性为判定依据

一般以土体剪切强度折减计算中，剪应力或滑坡土体位移不收敛为失稳的判定依据；在迭代运算时，仿真模型土体的位移增量、位移变形量、荷载增量三种曲线均存在收敛点（极值点）。

2.以系统能量守恒为判定依据

一般根据功能原理，仿真模型土体的内部机械能和收到的外部应力对研究土体的外力做功相等，当切坡侧土体的强度折减到一定程度时（表现为达到极限平衡状态），外力做功高于土体的内部机械能时，其多余能量将被释放，继而引发切坡侧土体失稳滑移；在仿真运算时，计算结果一般可能存在一定的计算偏差。

3.以复杂系统突变性为判定依据

一般通过切坡侧土体坡脚到坡顶的贯穿裂缝为判定依据，此时表现为位移突变量或者塑性应变增加量，随着强度的不断折减，产生自上而下的贯穿位移（土体裂缝）；切坡侧土体的极限平衡状态突变为极限破坏状态，当塑性区域整体贯穿即发生土体滑移，此时可以根据位移突变点具体位置、塑性应变增加量计算得到相对应的强度折减系数，却具有相对较高的安全性系数。

三、建模与ANSYS仿真分析

调取内蒙古大坝山乌力吉至大坝山（巴阿界）公路的地勘数据，并对研究路段的切坡侧土体进行土工试验，得到相关岩土参数如表1所示。

表1 切坡侧土体材料参数

通过对研究路段现场踏勘发现，坡顶存在最大宽度为25cm的延坡横向裂缝。

图1 最大裂缝位置平面图

图2 最大裂位置缝横断面图

根据研究路段的现场地形踏勘、地勘及土工试验数据，基于ANSYS建立有限元平面应变数值计算模型。

图3 最大裂位移处滑动面仿真

综上所述，通过折减理论对山区公路切坡侧红砂岩与黏土混合泥石堆积层土体的受力及计算分析，结合土体失稳条件判定和分析，利用ANSYS仿真建模有效证明了该路段切坡侧土体存在潜在滑移风险，为该路段的地质灾害隐患处置提供了有利理论依据。

四、红砂岩与黏土混合泥石堆积层土体滑移处置措施

公路切坡侧土体滑移处置的一般原则是在保证措施安全可靠的前提下，工程施工便捷且工程造价经济合理。通常情况下，可采用修筑混凝土抗滑桩、修筑挡土墙、土体内喷射锚固混凝土、滑体刷坡这四类处置措施。但是，结合大坝山乌力吉至大坝山（巴阿界）公路山区红黏土砂砾高切坡路段的地质材料类型和仿真滑移面测算情况来看，由于切坡侧滑体高度达12m、滑体侧向土压力较大，修筑混凝土抗滑桩或挡土墙的混凝土用量较大，考虑材料运距及混凝土价格等工程经济制约性因素来看，这两种处治方式经济可行性较低。

因此，在处治方案比选中，优先推荐刷坡或喷射混凝土锚固滑体两种方式。对切坡失稳土体刷坡时，在确定经济刷坡坡脚后，优先对滑体整体性较差的部分进行台阶开挖，然后充分利用滑体后方土体及下方岩体的稳定性和承载力，从坡体中上部位开始配合向土体内喷射混凝土进行上部锚固，以增强土体的整体性和稳定性。对切坡侧土体处治完毕后，还需要做好相应的防护及监测：在坡顶需要做好排水措施，避免雨季积水下渗对后方土体的整体性和稳定性造成不良影响；二是在切坡土体刷坡后的下方土体表面辅以抗冲刷防护材料铺筑；三是在坡顶对已存在、新发生的裂缝进行监测，对其宽度、长度进行现场标记并作记录，定期通过记录数据对隐患部位进行滑动预测。

五、结语

本文以西北山区公路常见的土体滑坡类型为研究对象，通过理论分析及仿真分析发现：红砂岩与黏土混合泥石堆积层的弹性模量较低，其稳定安全系数随土体整体性下降成正相关关系，其内摩擦角对土体稳定系数影响程度较大；在土体稳定系数下降至土体极限破坏平衡状态前，塑性区域能够保持较破坏区域较高的稳定性，这位该地区滑坡地质灾害路段的处治提供了思路。因此，对破坏区域的滑体进行先行刷坡处治，后辅以辅助加固及防护措施较为经济可行，在后期土体监测过程中，必要的仿真分析对于安全、经济、高效指导施工尤为重要。