某場地中部斜坡崩滑堆積體穩定性分析與評價①

李和志， 林麗萍， 段艷平， 葛 莎， 賀建清

（1.湖南城建職業技術學院，湖南 湘潭 411104； 2.湖南省自然資源調查所，湖南 婁底 417099； 3.湖南科技大學，湖南 湘潭 411201）

工程建設經常會遇到大型邊坡開挖，邊坡穩定性關系到工程建設的安危，對大型邊坡穩定性的研究具有十分重要的意義。 近年來，許多學者用不同的方法研究邊坡的穩定性問題，取得了豐碩成果［1-5］。 極限平衡法是邊坡穩定性分析中常用的分析方法，該方法建立在極限平衡理論基礎上，以安全系數為度量標準，與目前勘探、試驗所得原始數據的精度相匹配，方法簡便易行［6］。

某場地中部斜坡地帶分布較厚的崩滑堆積體，邊坡開挖易誘發堆積體失穩，形成不穩定斜坡。 本文通過室內試驗、反演分析確定崩滑堆積體的物理力學參數；根據場地環境條件及巖土層分布特征，利用軟件分析了斜坡在不同工況下的整體和局部穩定性及變形特征，綜合評價了場地中部斜坡的穩定性和發展趨勢；基于斜坡的穩定性分析和評價結果，提出了相應的防治建議。

1 工程地質特征

擬建場地原始地貌為剝蝕丘陵地貌。 場地由高丘及低谷組成，整體特征呈北西、西南面高，中部向北東傾斜的凹陷地形；北西邊界地形標高約450 m，南邊界地形標高約350 m，南西面為一崗地（最高海拔446.26 m），東側為水庫（水面標高約335.2 m）；場地北部由北西向南東傾斜，地形坡度約35°；場地南部由南西高崗向東傾斜，傾斜方向約50°，地形由陡坡至緩坡。 地形坡度18°～36°［7］。

場地中部斜坡地帶分布較厚的崩滑堆積體。 崩滑堆積體平面分布范圍較為清晰，分界特征突出，后緣南西側沿地形陡緩坡交接線延伸，至北西側與斷層F1 相交，北西側以斷層F1 為界，前緣以4＃、5＃、6＃樓西南側為界。 崩滑堆積體平面中心長約460 m，最大寬度約170 m，厚度2.5 ～19.0 m。 現場場地地形受近代農林活動及本次工程場地土石方挖填影響較大，場地中部斜坡地帶開挖形成2～3 級臺階，一級臺階標高383.8 m，二級臺階標高417 m，三級臺階標高438 m，一、二級臺階開挖坡率接近1 ∶1，三級臺階開挖坡率約1 ∶3.5。

崩滑堆積體物質由含碎石粉質黏土、泥質粉砂巖塊石、細砂巖塊石組成，土質結構松散，力學性能差，大氣降水作用下易接近飽水狀態，坡體已產生失穩現象。

2 巖土體力學參數選取

巖土體強度參數的變化對邊坡穩定性有重要影響［8］。 通過室內試驗、反演分析確定崩滑堆積體的物理力學參數。

2.1 混合土重度

根據勘察結果，場地分布的混合土主要由碎石土和細砂巖塊石、泥質粉砂巖塊石組成，所占比重為5 ∶3 ∶2，依據大重度試驗及室內試驗結果，混合土重度取值詳見表1。 混合土天然重度為23.55 kN／m3、飽和重度為24.47 kN／m3。

表1 混合土重度取值

2.2 混合土抗剪強度c、φ 值

2.2.1 室內試驗

為查明混合土物理力學特征，共取粉質黏土試樣9 件進行物理力學試驗，土樣測試嚴格按《土工試驗方法標準》（GB／T 50123—2019）［9］執行。 試驗數據按《巖土 工 程 勘 察 規 范（2009 年 版）》 （GB 50021—2001）［10］有關規定進行統計，物理力學指標統計情況詳見表2。

表2 含碎石粉質黏土物理力學指標統計表

2.2.2 參數的反演分析

5＃樓、6＃樓場地整平開挖山體，受持續降雨的影響，斜坡前緣邊坡發生變形破壞，主要表現為邊坡中部平臺出現拉張裂縫，為防止邊坡發生進一步滑移，建設方采取了應急處理措施（反壓），至勘察期未發現邊坡變形進一步擴大，因此根據裂縫分布位置對剖面建立模型進行反演分析。 勘察期為雨季，土體達到近飽和狀態，因此采用飽和狀態來擬合持續降雨工況，邊坡處于相對平衡狀態（欠穩定），穩定系數Fs取1.005，選取此時混合土對應的c、φ值（即c＝10.73 kPa，φ＝19.50°）作為混合土飽和狀態下抗剪強度參數反演值。 天然狀態下，邊坡處于基本穩定狀態，穩定系數Fs取1.15，選取此時混合土對應的c、φ值（即c＝13.28 kPa，φ＝21.0°）作為混合土天然狀態下抗剪強度參數反演值。 反演分析結果見表3～4。

表3 飽和狀態下抗剪強度參數反演分析表

表4 天然狀態下抗剪強度參數反演分析表

從表3 ～4 看出，天然狀態和飽和狀態下，崩滑堆積體穩定性對內摩擦角φ的靈敏度均比對黏聚力c的靈敏度更高。

2.2.3 抗剪強度參數的確定

根據現場調查情況，斜坡前緣邊坡主要受大氣降水和坡腳開挖的影響而發生滑移，未形成滑動帶，因此混合土抗剪強度參數c、φ值按試驗值、反演值、土石比及地區經驗綜合取值。 混合土抗剪強度參數取值詳見表5。

表5 混合土抗剪強度參數取值表

3 穩定性分析與評價

3.1 計算工況與模型

3.1.1 計算工況

鑒于中部斜坡崩滑堆積體所處地理位置、場地整體規劃存在的邊坡類型和高度及發生變形破壞后的危害程度，確定邊坡工程安全等級為一級，大氣降水是影響崩滑堆積體穩定性的主要因素，根據《建筑邊坡工程技術規范》（GB 50330—2013）［11］，采用兩種工況進行計算，工況1（天然工況）為自重工況，工況2（飽和工況）為自重＋持續降雨或暴雨工況。

3.1.2 計算模型

為系統模擬分析崩滑堆積體的穩定性狀況，根據場地環境條件及巖土層分布特征，由北向南選取4 個工程地質剖面（1-1′、2-2′、3-3′、4-4′）建立計算模型。圖1 為各剖面位置示意圖，圖2 為工程地質剖面2-2′計算模型。

圖1 各剖面位置示意圖

圖2 剖面2-2′計算模型

3.2 穩定性評價標準

根據《建筑邊坡工程技術規范》 （GB 50330—2013）［11］，崩滑堆積體的穩定狀態按照邊坡穩定性系數進行判定，見表6。

表6 穩定性狀態判定表

中部斜坡為永久邊坡，安全等級按一級考慮，工況1和工況2 屬于一般工況，根據《建筑邊坡工程技術規范》（GB 50330—2013）［11］，Fst取1.35。

3.3 穩定性計算與評價

利用SLOPE／W 軟件對斜坡崩滑堆積體進行整體和局部穩定性分析。

3.3.1 整體穩定性計算

根據場地巖土層分布特征及崩滑堆積體分布厚度，為系統模擬斜坡崩滑堆積體整體穩定性，假定滑動面為土巖接觸面，滑動面呈折線形，整體穩定性計算方法采用不平衡推力傳遞系數法。

整體穩定性計算結果詳見表7。 圖3 為兩種工況下剖面2-2′整體穩定性計算結果。

表7 斜坡崩滑堆積體整體穩定系數計算結果

根據斜坡崩滑堆積體整體穩定性計算結果，天然工況下，坡體基本處于穩定狀態，局部堆積體厚度較大且分布范圍集中在坡體前緣地段（3-3′），穩定性稍差，處于基本穩定狀態；飽和工況下，平面上主要表現為：坡體兩側處于穩定狀態，中部處于基本穩定狀態，且場地北側較南側穩定性更好；剖面上表現為：前緣堆積體厚度較大且坡度較大、斜坡相對高差較大的區域穩定性更差，同時整體穩定性受前緣臨空狀態控制。

3.3.2 局部穩定性計算

崩滑堆積體主要由混合土組成，土中所含塊石以不規則狀相互疊加，塊石孔隙間充填含碎石粉質黏土，整體呈碎裂結構，因此坡體局部穩定性按圓弧形滑面計算，計算方法采用簡化畢肖普（Bishop）法，搜索斜坡危險滑動面，并計算其穩定系數。

采用自動搜索法計算坡體局部穩定性小于穩定性評價標準規定值分布區域，有效評價在不利工況下坡體局部失穩的可能性，并計算不利滑面的穩定性系數。各剖面計算結果見表8，圖4 為剖面2-2′局部穩定性計算結果。

圖4 剖面2-2′局部穩定性計算結果

表8 斜坡崩滑堆積體局部穩定系數計算結果

根據斜坡崩滑堆積體局部穩定性計算結果，天然工況下，坡體處于欠穩定-穩定狀態，危險滑面穩定系數Fs＝1.007～1.384；飽和工況下，坡體處于基本穩定-不穩定狀態，危險滑面穩定系數Fs＝0.885 ～1.161。 不利滑面主要集中分布于一級臺階（設計地坪標高383.8 m）東側邊坡，其次為一級臺階西側邊坡。 斜坡崩滑堆積體穩定性表現為中部向兩側逐步趨向于穩定。 持續降雨或暴雨是影響坡體穩定性的主要因素，同時還受崩滑堆積體厚度、切方邊坡坡度及高度等因素控制。 計算結果表明，剖面3-3′穩定性最差，天然工況下處于欠穩定狀態，其次為剖面2-2′。 計算結果與現場實際變形情況一致。

3.3.3 位移場、應變場計算

采用有限元強度折減法對崩滑堆積體進行位移場計算，是在理想彈塑性有限元計算中將巖土體抗剪強度參數逐漸降低直到其達到破壞為止，可根據彈塑性計算結果得到塑性應變和位移突變的地帶，同時得到斜坡強度儲備安全系數。

選擇有代表性的2-2′剖面建立有限元計算模型，初始狀態采用天然狀態下的計算參數，計算結果詳見圖5 和表9。

圖5 2-2′剖面位移場計算結果

表9 有限元法位移場、應變場計算結果

根據有限元計算結果，隨著崩滑堆積層（混合土）抗剪強度逐漸減小，首先一級臺階東側邊坡出現變形，表現為：折減系數為1.15 時，最大位移量為0.074 m，坡體出現塑性變形區，呈臨界穩定狀態；折減系數為1.16 時，發生塑性應變和位移突變，形成滑移面，最大位移量達到0.600 m，斜坡一級臺階東側邊坡失穩，同時一級臺階西側邊坡出現位移；折減系數為1.18 時，最大位移量繼續增大，但主滑面位置不變；折減系數達到1.25 時，受坡體前緣變形破壞的影響，新的剪出口形成，在持續降雨或暴雨及自重加大的情況下，后緣坡體發生滑移。 綜上，剖面2-2′坡體穩定性安全儲備系數為1.15，與前述計算結果相符。

3.3.4 穩定性評價及發展趨勢

通過對崩滑堆積體穩定性和位移場計算，在兩種計算工況下，斜坡整體處于基本穩定-穩定狀態，受前緣剪出口邊坡坡度、坡高及堆積體厚度的影響，由坡體中部向兩側，坡體穩定性逐步增強。 坡體穩定性主要表現為局部變形的特征，天然工況下，一級臺階東側邊坡處于欠穩定-基本穩定狀態，一級臺階西側邊坡處于基本穩定-穩定狀態，受大氣降水的影響，巖土體含水率增大，自重加大，坡體局部將出現滑移，當土體達到近飽和狀態時，一級臺階東側邊坡失穩，一級臺階西側邊坡處于臨界狀態，變形區域向兩側及后緣擴展。 依據場地整體規劃，建議采用分級、分區支擋和防護的治理措施。

4 防治方案建議

根據斜坡崩滑堆積體的分布范圍、變形特征、影響因素、穩定現狀、小區整體規劃等，結合考慮對象及施工條件，建議采用以下防治方案：

1） 截排水工程：水是影響坡體穩定性的主要因素，在坡體周邊設置截排水溝，與場地規劃排水系統連成一體，形成綜合排水系統，同時做好地表防水措施。

2） 支擋工程：根據崩滑堆積體的分布特征及斜坡穩定性計算結果，在一級臺階（383.80 m）東側邊坡布置抗滑樁板墻，具體位置可根據現場地形變化情況及整體規劃情況進行調整，建議布置于邊坡坡腳。 必要時可采用錨拉式樁板墻。 重力式擋土墻布置于二級及三級臺階邊坡坡腳及擬建小區道路內側。

3） 護坡工程：考慮大氣降水對坡體沖刷的影響，可采用格構錨桿擋墻對規劃形成的邊坡坡面進行防護，框格間種植植被。

5 結 論

1） 通過室內試驗、反演分析確定了斜坡巖土體的物理力學參數。

2） 場地中部斜坡整體處于基本穩定-穩定狀態，由坡體中部向兩側，坡體穩定性逐步增強。 坡體局部穩定性表現為：自然狀態下，受大氣降水的影響，坡體局部出現滑移；土體達到近飽和狀態時，一級臺階東側邊坡失穩，一級臺階西側邊坡處于臨界狀態，變形區域向兩側及后緣擴展。

3） 基于崩滑堆積體的穩定性分析與評價結果，提出了相應的防治方案建議：截排水、分級分區支擋和護坡等。