某市政邊坡失穩模式分析及加固設計

肖登峰

(福建省建筑設計研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

隨著我國城鎮化的推進，城鎮建設逐漸向郊區輻射，市政道路建設成了市政工程的重要內容之一，但市政道路建設引發沿線邊坡滑塌事件時有發生[1]，邊坡穩定性成了市政道路修建中不可忽視的問題。因此，在實際工程中需要對邊坡采取經濟有效的加固防護。

邊坡設計需要建立在對邊坡坡體結構和失穩模式分析的基礎上[2]，失穩模式分析通常采用極限平衡法和有限元法。極限平衡法建立在多種假定條件下，對邊坡的失穩模式分析與真實邊坡存在較多差異。基于應力應變關系的有限元分析法則更為靈活方便，在分析復雜邊坡的失穩模式上更有優勢[3]。本文以某市政邊坡作為研究對象，選取兩個典型剖面分析其失穩模式，基于該邊坡失穩模式選取加固防護措施，并結合有限元和極限平衡法評估該邊坡加固后的穩定情況。

1 工程概況

該邊坡為土質挖方邊坡，長度約225m，高度7m，坡度20°～40°，走向北東，傾向南東。邊坡坡腳距道路5m～6m，坡腳為道路及隧道工程；坡頂為林地，周邊無建構造物。該邊坡屬于永久性邊坡，邊坡安全等級為二級，邊坡主體結構設計使用年限為50年。根據相關規范，該邊坡在一般工況的穩定安全系數需達到1.30，在地震工況時應達到1.10，如表1所示。

表1 邊坡穩定安全系數Fs

2 工程地質條件

2.1 地層巖性

該邊坡由殘積土和風化基巖組成，從上到下分為5個地層，分別是素填土、矽線云母片巖殘積粘性土、全風化矽線云母片巖、砂土狀強風化矽線云母片巖和碎塊狀強風化矽線云母片巖。根據前期鉆探資料，該邊坡劃分為15個剖面，如圖1所示，部分剖面的鉆孔資料未揭示碎塊狀強風化層。

2.2 巖土工程物理力學參數

根據現場取樣和土工試驗獲取的數據，結合地區經驗，確定該邊坡巖土體的物理力學參數，如表2所示。

表2 巖土體物理力學參數表

圖1 某市政邊坡概況

3 基于有限元的邊坡失穩模式分析

探究邊坡失穩模式是邊坡加固設計的重要一步，其目的在于：針對邊坡失穩模式，采取經濟有效的加固措施達到穩固邊坡的效果。邊坡失穩模式的分析方法以極限平衡法和有限元法為主。極限平衡法通過預先假定滑動面計算最小安全系數，滑動面形狀和依附界面與地層巖性、坡面形狀和坡度等多種因素有關，因此基于極限平衡法分析邊坡失穩模式有失偏頗。有限元法則是通過巖土體應力應變關系分析邊坡滑動面，更接近實際邊坡的失穩模式。故本文以二維有限元法分析該市政邊坡失穩模式。

二維有限元即通過選取安全系數最小的典型剖面進行穩定性分析。初期的穩定性計算結果顯示，以8-8剖面和10-10剖面最為不穩定。

3.1 建立數值模型

基于前期勘察鉆孔揭示的坡體結構，建立有限元數值模型，選取Mohr-Coulomb本構模型，采用三角形網格將8-8剖面計算模型劃分為4233個單元，10-10剖面的計算單元分為4172單元。兩個數值模型如圖2～圖3所示。

圖2 8-8剖面數值分析模型

圖3 10-10剖面數值分析模型

3.2 邊坡失穩模式分析

圖4 8-8剖面總位移變形圖

該邊坡類型為土質邊坡，邊坡所在區域降雨充沛，地下水主要賦存于坡體底部的碎塊狀強風化矽線云母片巖和中風化矽線云母片巖中，全風化矽線云母片巖和殘積土層具遇水易軟化、崩解的工程性能，在強降雨和地下水等影響下容易誘發邊坡發生沿接觸帶近似圓弧面滑動的失穩模式。結合有限元強度折減法對8-8剖面和10-10剖面進行安全系數計算，8-8剖面計算的位移剖面圖如圖4所示。計算結果顯示，在一般工況條件下，未進行支護的邊坡安全系數達到1.354，且變形區域集中于殘積土層并呈圓弧狀，變形厚度約5m；8-8剖面的最大剪切應變圖如圖5所示，滑動面依附于殘積土層底層，在坡腳處剪出，并有逐步向深部地層發展趨勢。10-10剖面計算結果顯示，在一般工況條件下該斷面的安全系數為1.19，低于規范要求的1.30安全系數儲備。圖6的位移變形云圖揭示了該剖面的主要變形區域集中于殘積土層，呈圓弧狀；變形區域厚度達5.4m，變形區域距坡頂9.2m。圖7揭示了潛在滑動面整體依附于殘積土層，有逐漸貫通的趨勢。

結合8-8剖面和10-10剖面的計算結果，該市政邊坡的失穩模式主要是依附于矽線云母片巖殘積土層和全風化矽線云母片巖的接觸界面的圓弧狀滑動，于坡腳處剪出；整個滑動體的厚度約5m，滑動體后緣距坡頂臨空面約7～9m。兩個剖面的計算結果顯示在一般工況條件下，8-8剖面滿足規范要求，但10-10剖面的安全系數儲備低于規范要求，需要考慮對其進行加固。

圖5 8-8剖面最大剪切應變圖

圖6 10-10剖面總位移變形圖

圖7 10-10剖面最大剪切應變圖

4 市政邊坡加固設計

4.1 加固設計方案

基于前文對該市政邊坡的失穩模式分析，針對該邊坡潛在滑動面依附在殘積土層，且滑動面深度較淺，考慮經濟和場地情況，采用全粘結錨桿加固是較為經濟有效的加固手段，即在坡面布設泄水孔，坡腳設置水渠，減少長期降雨引起邊坡失穩的可能。具體設計方案如圖8～圖9所示。

圖8 8-8剖面邊坡加固設計方案

圖9 10-10剖面邊坡加固設計方案

4.2 邊坡加固后穩定性分析

在采取以錨固為主的加固措施后，錨桿類型為全粘結錨桿，對該市政邊坡進行加固后邊坡穩定性計算，所采用錨桿的物理力學參數如表3所示。

表3 錨桿物理力學參數

數值模擬得到在一般工況條件下8-8剖面的安全系數為1.452，8-8剖面的位移圖和最大剪切變形圖如圖10～圖11所示；10-10剖面的安全系數為1.34，10-10剖面的位移圖和最大剪切變形圖如圖12～圖13所示；兩個剖面均達到規范的安全系數儲備要求。

圖10 8-8剖面加固后邊坡總位移云圖

圖12 10-10剖面加固后邊坡總位移云圖

圖13 10-10剖面加固后邊坡最大剪切應變云圖

4.3 邊坡加固后的失穩模式

經過錨桿加固處理后，兩個剖面的失穩模式都發生了變化。圖10顯示，8-8剖面在采取全粘結錨桿支護后的變形區域集中于全風化層，從淺層局部變形轉變為整體滑動變形。圖11顯示，該邊坡的主要滑動面仍然依附于殘積土層，但全風化矽線云母片巖層也有部分區域有剪切應力集中，滑動面呈現淺部為主、深部發展貫通的趨勢，并在坡腳處剪出。

10-10剖面在經過錨桿加固處理后表現出與8-8剖面不同的失穩模式，變形區域主要集中于上層兩個臺階區域并依附于殘積土層底部界面，變形范圍減少。圖13顯示剪應變主要分布在殘積土層，但滑動面有向全風化層發展的趨勢。

5 結論

本研究通過對選取的兩個典型剖面進行失穩模式分析，采取全粘結錨桿進行邊坡加固，并基于有限元法分析邊坡加固效果，得到以下兩個結論。

(1)綜合工程地質條件和數值模擬方法，該邊坡的失穩模式是依附于矽線云母片巖殘積土層底部接觸界面的圓弧狀滑動。

(2)采用全粘結錨桿加固方案，該邊坡穩定性大大提高，潛在滑動面從加固前的坡腳處剪出，轉變為以上一臺階為剪出口，使邊坡從整體性滑動轉為局部小區域的滑動。