某场地中部斜坡崩滑堆积体稳定性分析与评价①

李和志， 林丽萍， 段艳平， 葛 莎， 贺建清

（1.湖南城建职业技术学院，湖南 湘潭 411104； 2.湖南省自然资源调查所，湖南 娄底 417099； 3.湖南科技大学，湖南 湘潭 411201）

工程建设经常会遇到大型边坡开挖，边坡稳定性关系到工程建设的安危，对大型边坡稳定性的研究具有十分重要的意义。 近年来，许多学者用不同的方法研究边坡的稳定性问题，取得了丰硕成果［1-5］。 极限平衡法是边坡稳定性分析中常用的分析方法，该方法建立在极限平衡理论基础上，以安全系数为度量标准，与目前勘探、试验所得原始数据的精度相匹配，方法简便易行［6］。

某场地中部斜坡地带分布较厚的崩滑堆积体，边坡开挖易诱发堆积体失稳，形成不稳定斜坡。 本文通过室内试验、反演分析确定崩滑堆积体的物理力学参数；根据场地环境条件及岩土层分布特征，利用软件分析了斜坡在不同工况下的整体和局部稳定性及变形特征，综合评价了场地中部斜坡的稳定性和发展趋势；基于斜坡的稳定性分析和评价结果，提出了相应的防治建议。

1 工程地质特征

拟建场地原始地貌为剥蚀丘陵地貌。 场地由高丘及低谷组成，整体特征呈北西、西南面高，中部向北东倾斜的凹陷地形；北西边界地形标高约450 m，南边界地形标高约350 m，南西面为一岗地（最高海拔446.26 m），东侧为水库（水面标高约335.2 m）；场地北部由北西向南东倾斜，地形坡度约35°；场地南部由南西高岗向东倾斜，倾斜方向约50°，地形由陡坡至缓坡。 地形坡度18°～36°［7］。

场地中部斜坡地带分布较厚的崩滑堆积体。 崩滑堆积体平面分布范围较为清晰，分界特征突出，后缘南西侧沿地形陡缓坡交接线延伸，至北西侧与断层F1 相交，北西侧以断层F1 为界，前缘以4＃、5＃、6＃楼西南侧为界。 崩滑堆积体平面中心长约460 m，最大宽度约170 m，厚度2.5 ～19.0 m。 现场场地地形受近代农林活动及本次工程场地土石方挖填影响较大，场地中部斜坡地带开挖形成2～3 级台阶，一级台阶标高383.8 m，二级台阶标高417 m，三级台阶标高438 m，一、二级台阶开挖坡率接近1 ∶1，三级台阶开挖坡率约1 ∶3.5。

崩滑堆积体物质由含碎石粉质黏土、泥质粉砂岩块石、细砂岩块石组成，土质结构松散，力学性能差，大气降水作用下易接近饱水状态，坡体已产生失稳现象。

2 岩土体力学参数选取

岩土体强度参数的变化对边坡稳定性有重要影响［8］。 通过室内试验、反演分析确定崩滑堆积体的物理力学参数。

2.1 混合土重度

根据勘察结果，场地分布的混合土主要由碎石土和细砂岩块石、泥质粉砂岩块石组成，所占比重为5 ∶3 ∶2，依据大重度试验及室内试验结果，混合土重度取值详见表1。 混合土天然重度为23.55 kN／m3、饱和重度为24.47 kN／m3。

表1 混合土重度取值

2.2 混合土抗剪强度c、φ 值

2.2.1 室内试验

为查明混合土物理力学特征，共取粉质黏土试样9 件进行物理力学试验，土样测试严格按《土工试验方法标准》（GB／T 50123—2019）［9］执行。 试验数据按《岩土 工 程 勘 察 规 范（2009 年 版）》 （GB 50021—2001）［10］有关规定进行统计，物理力学指标统计情况详见表2。

表2 含碎石粉质黏土物理力学指标统计表

2.2.2 参数的反演分析

5＃楼、6＃楼场地整平开挖山体，受持续降雨的影响，斜坡前缘边坡发生变形破坏，主要表现为边坡中部平台出现拉张裂缝，为防止边坡发生进一步滑移，建设方采取了应急处理措施（反压），至勘察期未发现边坡变形进一步扩大，因此根据裂缝分布位置对剖面建立模型进行反演分析。 勘察期为雨季，土体达到近饱和状态，因此采用饱和状态来拟合持续降雨工况，边坡处于相对平衡状态（欠稳定），稳定系数Fs取1.005，选取此时混合土对应的c、φ值（即c＝10.73 kPa，φ＝19.50°）作为混合土饱和状态下抗剪强度参数反演值。 天然状态下，边坡处于基本稳定状态，稳定系数Fs取1.15，选取此时混合土对应的c、φ值（即c＝13.28 kPa，φ＝21.0°）作为混合土天然状态下抗剪强度参数反演值。 反演分析结果见表3～4。

表3 饱和状态下抗剪强度参数反演分析表

表4 天然状态下抗剪强度参数反演分析表

从表3 ～4 看出，天然状态和饱和状态下，崩滑堆积体稳定性对内摩擦角φ的灵敏度均比对黏聚力c的灵敏度更高。

2.2.3 抗剪强度参数的确定

根据现场调查情况，斜坡前缘边坡主要受大气降水和坡脚开挖的影响而发生滑移，未形成滑动带，因此混合土抗剪强度参数c、φ值按试验值、反演值、土石比及地区经验综合取值。 混合土抗剪强度参数取值详见表5。

表5 混合土抗剪强度参数取值表

3 稳定性分析与评价

3.1 计算工况与模型

3.1.1 计算工况

鉴于中部斜坡崩滑堆积体所处地理位置、场地整体规划存在的边坡类型和高度及发生变形破坏后的危害程度，确定边坡工程安全等级为一级，大气降水是影响崩滑堆积体稳定性的主要因素，根据《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2013）［11］，采用两种工况进行计算，工况1（天然工况）为自重工况，工况2（饱和工况）为自重＋持续降雨或暴雨工况。

3.1.2 计算模型

为系统模拟分析崩滑堆积体的稳定性状况，根据场地环境条件及岩土层分布特征，由北向南选取4 个工程地质剖面（1-1′、2-2′、3-3′、4-4′）建立计算模型。图1 为各剖面位置示意图，图2 为工程地质剖面2-2′计算模型。

图1 各剖面位置示意图

图2 剖面2-2′计算模型

3.2 稳定性评价标准

根据《建筑边坡工程技术规范》 （GB 50330—2013）［11］，崩滑堆积体的稳定状态按照边坡稳定性系数进行判定，见表6。

表6 稳定性状态判定表

中部斜坡为永久边坡，安全等级按一级考虑，工况1和工况2 属于一般工况，根据《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2013）［11］，Fst取1.35。

3.3 稳定性计算与评价

利用SLOPE／W 软件对斜坡崩滑堆积体进行整体和局部稳定性分析。

3.3.1 整体稳定性计算

根据场地岩土层分布特征及崩滑堆积体分布厚度，为系统模拟斜坡崩滑堆积体整体稳定性，假定滑动面为土岩接触面，滑动面呈折线形，整体稳定性计算方法采用不平衡推力传递系数法。

整体稳定性计算结果详见表7。 图3 为两种工况下剖面2-2′整体稳定性计算结果。

表7 斜坡崩滑堆积体整体稳定系数计算结果

根据斜坡崩滑堆积体整体稳定性计算结果，天然工况下，坡体基本处于稳定状态，局部堆积体厚度较大且分布范围集中在坡体前缘地段（3-3′），稳定性稍差，处于基本稳定状态；饱和工况下，平面上主要表现为：坡体两侧处于稳定状态，中部处于基本稳定状态，且场地北侧较南侧稳定性更好；剖面上表现为：前缘堆积体厚度较大且坡度较大、斜坡相对高差较大的区域稳定性更差，同时整体稳定性受前缘临空状态控制。

3.3.2 局部稳定性计算

崩滑堆积体主要由混合土组成，土中所含块石以不规则状相互叠加，块石孔隙间充填含碎石粉质黏土，整体呈碎裂结构，因此坡体局部稳定性按圆弧形滑面计算，计算方法采用简化毕肖普（Bishop）法，搜索斜坡危险滑动面，并计算其稳定系数。

采用自动搜索法计算坡体局部稳定性小于稳定性评价标准规定值分布区域，有效评价在不利工况下坡体局部失稳的可能性，并计算不利滑面的稳定性系数。各剖面计算结果见表8，图4 为剖面2-2′局部稳定性计算结果。

图4 剖面2-2′局部稳定性计算结果

表8 斜坡崩滑堆积体局部稳定系数计算结果

根据斜坡崩滑堆积体局部稳定性计算结果，天然工况下，坡体处于欠稳定-稳定状态，危险滑面稳定系数Fs＝1.007～1.384；饱和工况下，坡体处于基本稳定-不稳定状态，危险滑面稳定系数Fs＝0.885 ～1.161。 不利滑面主要集中分布于一级台阶（设计地坪标高383.8 m）东侧边坡，其次为一级台阶西侧边坡。 斜坡崩滑堆积体稳定性表现为中部向两侧逐步趋向于稳定。 持续降雨或暴雨是影响坡体稳定性的主要因素，同时还受崩滑堆积体厚度、切方边坡坡度及高度等因素控制。 计算结果表明，剖面3-3′稳定性最差，天然工况下处于欠稳定状态，其次为剖面2-2′。 计算结果与现场实际变形情况一致。

3.3.3 位移场、应变场计算

采用有限元强度折减法对崩滑堆积体进行位移场计算，是在理想弹塑性有限元计算中将岩土体抗剪强度参数逐渐降低直到其达到破坏为止，可根据弹塑性计算结果得到塑性应变和位移突变的地带，同时得到斜坡强度储备安全系数。

选择有代表性的2-2′剖面建立有限元计算模型，初始状态采用天然状态下的计算参数，计算结果详见图5 和表9。

图5 2-2′剖面位移场计算结果

表9 有限元法位移场、应变场计算结果

根据有限元计算结果，随着崩滑堆积层（混合土）抗剪强度逐渐减小，首先一级台阶东侧边坡出现变形，表现为：折减系数为1.15 时，最大位移量为0.074 m，坡体出现塑性变形区，呈临界稳定状态；折减系数为1.16 时，发生塑性应变和位移突变，形成滑移面，最大位移量达到0.600 m，斜坡一级台阶东侧边坡失稳，同时一级台阶西侧边坡出现位移；折减系数为1.18 时，最大位移量继续增大，但主滑面位置不变；折减系数达到1.25 时，受坡体前缘变形破坏的影响，新的剪出口形成，在持续降雨或暴雨及自重加大的情况下，后缘坡体发生滑移。 综上，剖面2-2′坡体稳定性安全储备系数为1.15，与前述计算结果相符。

3.3.4 稳定性评价及发展趋势

通过对崩滑堆积体稳定性和位移场计算，在两种计算工况下，斜坡整体处于基本稳定-稳定状态，受前缘剪出口边坡坡度、坡高及堆积体厚度的影响，由坡体中部向两侧，坡体稳定性逐步增强。 坡体稳定性主要表现为局部变形的特征，天然工况下，一级台阶东侧边坡处于欠稳定-基本稳定状态，一级台阶西侧边坡处于基本稳定-稳定状态，受大气降水的影响，岩土体含水率增大，自重加大，坡体局部将出现滑移，当土体达到近饱和状态时，一级台阶东侧边坡失稳，一级台阶西侧边坡处于临界状态，变形区域向两侧及后缘扩展。 依据场地整体规划，建议采用分级、分区支挡和防护的治理措施。

4 防治方案建议

根据斜坡崩滑堆积体的分布范围、变形特征、影响因素、稳定现状、小区整体规划等，结合考虑对象及施工条件，建议采用以下防治方案：

1） 截排水工程：水是影响坡体稳定性的主要因素，在坡体周边设置截排水沟，与场地规划排水系统连成一体，形成综合排水系统，同时做好地表防水措施。

2） 支挡工程：根据崩滑堆积体的分布特征及斜坡稳定性计算结果，在一级台阶（383.80 m）东侧边坡布置抗滑桩板墙，具体位置可根据现场地形变化情况及整体规划情况进行调整，建议布置于边坡坡脚。 必要时可采用锚拉式桩板墙。 重力式挡土墙布置于二级及三级台阶边坡坡脚及拟建小区道路内侧。

3） 护坡工程：考虑大气降水对坡体冲刷的影响，可采用格构锚杆挡墙对规划形成的边坡坡面进行防护，框格间种植植被。

5 结 论

1） 通过室内试验、反演分析确定了斜坡岩土体的物理力学参数。

2） 场地中部斜坡整体处于基本稳定-稳定状态，由坡体中部向两侧，坡体稳定性逐步增强。 坡体局部稳定性表现为：自然状态下，受大气降水的影响，坡体局部出现滑移；土体达到近饱和状态时，一级台阶东侧边坡失稳，一级台阶西侧边坡处于临界状态，变形区域向两侧及后缘扩展。

3） 基于崩滑堆积体的稳定性分析与评价结果，提出了相应的防治方案建议：截排水、分级分区支挡和护坡等。