呂梁地區高速公路沿線邊坡穩定性分析

雒 昕 宇

(山西交通控股集團有限公司呂梁南高速公路分公司，山西 呂梁 033100)

0 引言

近年來隨著經濟的發展，呂梁山區大部分地區已建成大量的高速公路，為當地的經濟發展提供了有力的交通保障。但是呂梁山地屬黃土高原，地質條件多為松軟巖土，山區邊坡容易發生垮塌、滑坡等地質災害，而滑坡等是影響高速公路安全運營和修建的主要威脅之一[1]。尤其在降雨、地震等條件下滑坡發生的幾率更大，因此依據呂梁山的地質及氣象特征研究土質邊坡滑坡的影響因素[1,2]，探索滑坡發生的機理特征，可為高速公路安全運營及建設提供理論依據。

針對呂梁高速沿線發生的滑坡災害已有較多的記錄[3]。呂梁高速沿線邊坡地質條件、水文條件決定了其滑坡類型及誘發滑坡的因素。根據現有的研究結果發現，滑坡主要發生在降雨后或者是大型施工的擾動過程中。基于上述現象，可以認為呂梁地區的滑坡主要是由于水壓力的作用、巖土結構內部的力學參數軟化以及局部地域擾動造成邊坡內部應力重新分布導致的滑坡。針對滑坡機理的研究主要是基于其穩定性、滑動面探索，滑坡量的計算。其中計算穩定性及安全系數時采用的最主要方法是sarma法及瑞典圓弧法[4,5]，利用上述兩種方法可以較為精確的得到邊坡的滑動面和安全系數。目前利用上述幾種方法分析呂梁高速邊坡的穩定特性及滑坡發生的機理特征較少[6]。

基于上述問題本文將針對呂梁高速公路沿線的邊坡結構，基于真實的地質條件，水文條件，利用sarma法和瑞典圓弧法探索分析該區域發生滑坡的誘發因素。利用分析結果進一步分析防護措施對阻止滑坡和減少滑坡量的影響作用。

1 基本理論

1.1 穩定性分析方法

任何一個穩定的邊坡結構體，在受到外界擾動，結構內部的應力會重新分布，當結構體內部的某一結構面上出現較大剪切力并超過抗剪強度時就會出現結構面的滑動。而邊坡穩定性的求解就是分析抗剪切強度與剪切力之間的關系。目前較為常用的sarma法，是巖土邊坡穩定性分析的最主要方法之一，該方法的基本原理是基于剛體極限平衡方法，利用迭代方法求解抗剪切強度與剪切力之間的比值關系N，相應的關系式為：

其中，σn為滑動面法向應力；φ為滑動面摩擦角；τ為滑動面剪應力。

在給定某一邊坡的結構下，根據上述方法即可得到該結構的穩定性安全系數，安全系數小于1，即可認為抗剪強度小于剪切力，此處的結構面就會發生滑動。根據規范要求可知一般的工程邊坡穩定性系數為1.05～1.5。

1.2 邊坡滑動面

通常情況下認為邊坡發生滑動時，最危險的滑裂面位于巖土結構的深處，在進行平面應變問題分析時，滑裂面可以近似為一個圓弧面。因此可以基于極限平衡原理，假設邊坡會沿著某一圓弧面進行滑動，將圓弧面劃分為多個條塊，忽略條塊間的作用力，然后計算圓弧面處的安全系數，通過不斷調整圓弧面的位置，可以得到安全系數最小的滑動面，該面即為該邊坡的最可能滑動面，通過該方法即可得到邊坡結構體的滑裂面和滑坡量大小，如圖1所示為某邊坡計算后的圓弧滑動面顯示。

2 高速公路邊坡穩定性分析

本文將根據sarma法和瑞典圓弧法分析高速公路沿線的邊坡穩定性及特殊水文地質條件改變對邊坡穩定性的影響。根據呂梁山區邊坡構造特性[7]，高速公路所處的邊坡類型從地型特征，地質構造等方面基本一致，因此本文建立如圖2所示的計算模型，圖中包括了高速公路，擋土墻等構造，其中巖土邊坡的巖性類型從上到下依次為①可塑黃土、②稍密硬塑黃土、③堅硬狀亞粘土和⑤硬巖帶。

根據圖2選取合理的力學參數進行計算分析，其中主要力學參數如表1所示。

表1 模型計算參數

3 穩定性分析

根據已有文獻可知，呂梁山區降雨量較大，而且夏季多雨濕潤。依據上述水文條件，本文的主要研究內容分三部分：1)無擋土墻時邊坡結構的穩定性；2)建立擋土墻時邊坡結構的穩定；3)考慮降雨時邊坡結構穩定性。

分析結果如下：1)無擋土墻時，整個邊坡結構體處于自然狀態，對于無擋土墻狀態的邊坡更容易發生滑坡事件，根據分析可知，此時上述模型的穩定性系數比較小，只有1.10左右，而且安全系數最小的滑裂面位于邊坡的深處，如果有特殊情況的擾動發生，有可能發生深層滑坡情況，而且滑坡量比較大，分析結果如圖3a)所示。

2)建立擋土墻的邊坡結構，由于擋土墻的建立阻止了深層滑坡的向下運動軌跡，利用圓弧法重新搜索結構體的可能滑裂面，通過分析結果可以看出，當增加擋土墻后滑裂面出現明顯改變，此時通過計算發現邊坡的穩定性系數為1.30左右，而且滑裂面位于結構體的表層，因此如若出現滑坡，滑坡量較小，如圖3b)所示。

3)考慮降雨時邊坡的穩定性，通過計算發現，在有擋土墻的情況下，發生降雨時安全系數會降低滑坡量會增加。主要原因是發生降雨時，由于邊坡頂部會存有一定的水量，隨著水的滲透作用，邊坡深層內會受到孔隙水壓力的作用，孔隙水壓力將會降低結構體的粘聚力和法向應力，從而降低了整體的安全系數，因此當增加水壓力作用時邊坡的安全系數會降低，滑坡量會增加，分析結果如圖3c)所示。

4 結語

本文基于sarma法和瑞典圓弧法分析了呂梁高速公路沿線邊坡的穩定特性，根據分析結果可以得出以下結論：1)呂梁高速多修建于山區地帶，該地區黃土覆蓋較厚，加上多雨性氣象條件，邊坡較為陡峭，穩定系數小，該地區較為容易發生深層性滑坡。2)高速公路增加擋土墻可以增加邊坡結構體的安全系數和減小滑坡量，但是在雨季時，由于孔隙水壓力的作用，邊坡體有可能會發生安全系數降低，滑坡量增大的風險，因此在雨季時增加防護和應急措施。