某含淤泥層邊坡失穩(wěn)機制及治理措施

尹長權

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.港口巖土工程技術交通行業(yè)重點實驗室，天津 300222；3.天津市港口巖土工程技術重點實驗室，天津 300222；4.中交第一航務工程局有限公司，天津 300461）

0 引言

近百年來，許多研究者致力于邊坡穩(wěn)定問題的研究，得到了大量研究成果[1-7]。而對于含軟黏土層的邊坡，考慮土的靈敏性的穩(wěn)定性分析則很少。實踐證明，若對土的靈敏性重視不足，往往會對工程造成嚴重后果[8-10]。

某廢料填埋坑的邊坡工程，在邊坡開挖過程中發(fā)生了大規(guī)模的邊坡失穩(wěn)，整個失穩(wěn)過程歷時約2 h。經調研，發(fā)現在邊坡中部存在淤泥層，在開挖施工至該軟弱層時，由坡底外漏面逐漸擠出，逐步向坡身延伸，至整個邊坡失穩(wěn)?；麦w長約80 m，寬25 m。邊坡失穩(wěn)后，立即采取應對措施，停止坡底機械施工，并迅速撤離，坡頂設置防護標識，禁止通行，由于失穩(wěn)邊坡滑移緩慢，使現場有足夠的時間應對，因此，并未發(fā)生設備損失和人員傷亡。

本文詳細介紹了邊坡的失穩(wěn)過程，分析了軟黏土層對邊坡穩(wěn)定的影響，闡述了后期邊坡處理過程的成敗經驗。

1 工程簡介

1.1 地質條件

邊坡土體主要為河相沉積物，表層5.5 m分布著強度較高的粉質黏土層，以下為淤泥層、粉質黏土層直至粉土層，未進行過任何地基的加固處理。

土體物理力學性能指標如表1所示，從表1可以看出，淤泥層具有含水率高、強度極低、壓縮性很高的特點。

表1 土體物理力學性能指標Table 1 Physical properties of soil

1.2 設計開挖斷面

設計開挖邊坡坡比如圖1所示，頂部和中部坡比1∶3.5，底部坡比為1∶4。淤泥軟弱層在中部邊坡內。

圖1 設計邊坡坡比Fig.1 Design slope dimensions

2 邊坡失穩(wěn)過程分析

2.1 現場調研

當邊坡開挖至標高-3 m時，出現滑坡現象。+2.5 m平臺坡頂地表分布著波紋狀陡坎和坡臺，底部邊坡內有著明顯的滑坡舌、滑坡鼓丘現象。失穩(wěn)是一個漸進發(fā)展過程，如圖2所示。

圖2 失穩(wěn)的邊坡圖Fig.2 View of slope failure

待邊坡穩(wěn)定后，進行了補充勘察，以判斷滑動層位置?；聟^(qū)和附近未滑坡區(qū)域進行原位十字板試驗，沿滑坡斷面設置3孔，S1、S2、S3分別位于滑坡舌區(qū)域、滑坡臺區(qū)和坡頂未擾動區(qū)，并分別進行了重塑土強度試驗。

十字板強度對比圖如圖3所示，以此為依據并結合現場情況，初步評判的土體擾動斷面分布圖如圖4所示。

圖3 十字板強度對比圖Fig.3 Contrast figure of field vane shear strength

圖4 土體主要擾動區(qū)分布圖Fig.4 Distribution of main disturbances of soil

滑坡的土體擾動區(qū)主要處于淤泥層，標高-6～-2 m層厚位置，十字板強度發(fā)生明顯降低，表明整個淤泥層基本都處于擾動狀態(tài)，強度介于重塑土強度和原狀土強度之間，更接近于重塑土強度。通過未擾動區(qū)S3孔的比較，可以看出S2孔和S3孔標高-2 m以上的十字板強度邊坡失穩(wěn)前后變化量很小，可以判定為未擾動區(qū)。

通過未擾動區(qū)S3孔原位十字板試驗測得的淤泥的靈敏度系數大于3，失穩(wěn)前位于邊坡底部1臺挖掘機水平理坡開挖，臨時便道上多輛運土車往返運土，由于軟黏土層的靈敏度系數較大，施工機械震動和開挖致使底部的淤泥受到擾動，使淤泥的強度顯著降低，從而導致局部失穩(wěn)至整個邊坡漸進式失穩(wěn)。在失穩(wěn)初期，軟弱淤泥層外漏面土體達到極限狀態(tài)，開始側向擠出，這一過程逐漸向淤泥層內部和上部土體傳遞，使失穩(wěn)面和規(guī)模逐漸擴大。隨著滑坡前沿前移和隆起，坡頂逐漸平移和下沉，直至失穩(wěn)滑坡重新形成新的平衡狀態(tài)，邊坡逐漸趨于穩(wěn)定，失穩(wěn)慢慢終止。

2.2 穩(wěn)定觀測

根據基坑監(jiān)測結果的反饋，邊坡失穩(wěn)前的水平位移征兆明顯。土體側向水平位移速率一般大于5 mm/d，甚至100 mm/d以上，致使測斜儀損壞無法繼續(xù)測量，且地表多伴有裂縫出現，裂縫由小逐漸變大，范圍逐漸擴展，直至邊坡失穩(wěn)，失穩(wěn)過程主要表現為淤泥以上土層水平位移逐步加大，淤泥層為滑動層。

3 數值分析

為研究邊坡失穩(wěn)的原因以及解決方法，采用有限元軟件PLAXIS3D對此次失穩(wěn)過程進行三維有限元模擬分析，為消除邊界效應，模型長設定為200 m，寬度設定為20 m，高度設定為30 m。分步開挖邊坡，具體情況如圖5所示。

圖5 未開挖邊坡整體模型示意圖Fig.5 Model schematic diagram of unreinforced slope

3.1 邊坡失穩(wěn)過程模擬

對未經加固邊坡的穩(wěn)定性進行了數值模擬分析，具體計算結果見圖6所示。

圖6 未經加固邊坡的圓弧滑動面形狀Fig.6 Circular arc shape of unreinforced slope

由圖6可知，第2次開挖將導致邊坡的安全系數小于1，即發(fā)生失穩(wěn)，模擬結果與現場實際情況一致，說明不采用工程措施的情況下開挖邊坡是不安全的。

為防止邊坡滑動，設計了3種備選工程措施，分別為自重排水固結法加固、抗滑樁加固和預留放坡肋法，以下分別對3種措施進行數值分析，以研究其可行性。

3.2 排水加固法

第1次開挖后，在開挖后平臺處，插打塑料排水板，排水板間距0.8 m，三角形布置，深度8.8 m，范圍為第一級邊坡坡腳到第二級邊坡坡腳，經過1個月的自重排水固結法加固后，土體的強度提高較小。

在第1次開挖邊坡時，安全系數仍為1.141，達到穩(wěn)定狀態(tài)；第1次邊坡開挖完成后，進行自重排水固結法加固，在第2次邊坡開挖時，安全系數由原來的0.726提高到0.785；在第3次邊坡開挖時，安全系數由原來的0.725提高至0.784。在第2次開挖和第3次開挖時，經過排水固結法加固后的邊坡安全系數提高較小，仍小于1，因此邊坡仍處于不穩(wěn)定的狀態(tài)?？梢钥闯?，卸載條件下，排水固結法加固提高邊坡穩(wěn)定性的能力有限，未能達到預想效果。

3.3 抗滑樁加固

為研究經過抗滑樁加固后，開挖邊坡時的穩(wěn)定性。在第1次開挖后，于淤泥層中打入長18.5 m的抗滑樁進行分析，φ800 mm鋼管剛性樁，間距2.4 m，工序同上，模型裝配圖見圖7。

圖7 抗滑樁加固邊坡的模型裝配圖Fig.7 Model schematic diagram of reinforced slope by anti-slide pile

對經抗滑樁加固后邊坡的穩(wěn)定性問題進行了數值模擬分析，在第1次開挖邊坡時，安全系數為1.141，達到穩(wěn)定狀態(tài)；第1次邊坡開挖完成后，施打抗滑樁，在第2次邊坡開挖時，安全系數由原來的0.726提高到1.032；在第3次邊坡開挖時，安全系數由原來的0.725提高至1.029。可以看出，抗滑樁的確可以提高邊坡穩(wěn)定性。

3.4 預留放坡肋

為研究邊坡經過預留放坡肋后，開挖邊坡時的穩(wěn)定性。在第1次開挖后，第2次和第3次邊坡開挖時設置預留放坡肋，進行相應分析，工序同上，模型裝配圖見圖8。

圖8 預留放坡肋邊坡模型裝配圖Fig.8 Model schematic diagram of reinforced slope by reserved sloping rid

對經預留放坡肋后邊坡的穩(wěn)定性問題進行了數值模擬分析。

可以得到，在第1次邊坡開挖時，安全系數為1.141，達到穩(wěn)定狀態(tài)；第2次開挖邊坡時，設置預留放坡肋，安全系數由原來的0.726提高到1.047；在第3次開挖邊坡時，安全系數由原來的0.725提高至1.026?？梢钥闯觯A留放坡肋的確可以提高邊坡穩(wěn)定性。

綜上所述，抗滑樁和預留放坡肋方法均可以在一定程度上提高邊坡的穩(wěn)定性，且均能達到預期效果。抗滑樁和預留放坡肋效果相似，考慮到抗滑樁的樁底嵌入深度較大，經濟費用較高，所以預留放坡肋法應作為第二方案進行嘗試，最后考慮抗滑樁加固方案。

4 邊坡治理試驗

4.1 排水固結法

在高程-1.5 m平臺上，打設塑料排水板，進行自重排水固結，現場進行了30 m的試驗驗證施工，經過近20 d的固結，淤泥層的強度指標改善不明顯。分析其原因，盡管淤泥為欠固結土，但-1.5 m平臺存在近4 m多的卸荷，土體的應力狀態(tài)主要表現為卸荷狀態(tài)，排水固結緩慢，強度提高不明顯，試驗結果失敗。說明卸荷狀態(tài)時，不宜采用排水固結法進行淤泥的加固。

4.2 抗滑樁

考慮木樁、竹排、鋼板樁做抗滑樁，樁底要有足夠的嵌入深度，由于經濟費用相對較高，現場未做嘗試，只作為后期備選方案。

4.3 預留放坡肋

在-1.5 m標高以下設置預留放坡肋，相鄰放坡肋軸線間距為40 m，垂直開挖邊線方向長度為10 m，三側采取放坡，放坡比例為1∶4，側面可依據現場地質條件調整，頂寬3 m。各施工區(qū)設置放坡肋完畢后，放坡肋之間區(qū)域按原有設計進行土方開挖及邊坡修理。設置的放坡肋保留至放坡肋之間區(qū)域回填料填至現有放坡肋標高時，對現有放坡肋進行開挖、外運處理，開挖外運完畢后，立即回填填料?，F場實施效果良好。如圖9所示。

圖9 預留放坡肋邊坡斷面圖Fig.9 Profile of reserved sloping rid

5 結語

本文對某軟黏土邊坡的失穩(wěn)機制和處理措施過程進行了詳細的分析，得出如下結論：

1）失穩(wěn)邊坡中，擾動區(qū)主要為淤泥層，十字板強度發(fā)生明顯降低，強度介于重塑土強度和原狀土強度之間，更接近于重塑土強度。

2）卸荷狀態(tài)時，不宜采用排水板自重固結法對淤泥進行加固。

3）開挖時，設置預留放坡肋，能夠有效的提高邊坡穩(wěn)定性。