强变形阶段边坡的治理效果分析

■王 鸿

（福建省交设工程咨询有限公司，福州 350004）

近年来，地势平坦的沿海地区工程建设已接近饱和，新项目逐渐向山区拓展，因用地需要，在丘陵地区出现了大量的边坡工程。 这些边坡工程在开挖后形成临空面，失去了原有自身坡脚岩土的支挡作用，稳定性系数呈下降趋势，在经历强降雨后产生不利变形，如不及时、合理地进行支护，则可能产生更大变形最终形成滑坡，对坡脚的工程造成各类损失。 以东部沿海地区某工厂内边坡为例，从降雨后边坡出现滑动破坏的早期特征出发，结合该边坡的排水加固措施对其进行数值模拟，从加固前后剪应力、塑性区、位移分布以及排水前后地下水位、孔隙水压力等方面，结合基础理论分析岩土体破坏的根本原因及该边坡的治理效果。

1 工程概况

边坡位于工厂西侧的山坡坡脚， 属丘陵地貌，山顶至工厂地坪高差约85 m，山坡广泛种植桉树。 边坡段落长度60 m，天然山坡开挖后形成2 阶边坡，坡率约1∶1.00，坡顶与坡底高差24～28 m，开挖后坡面以全风化岩地层为主。 受红线所约束，其上部未开挖的范围有较厚的土质地层分布。

1.1 工程地质条件

天然坡度介于35°～42°。 地表坡积层主要为坡积粉质黏土厚度为5～7 m；下伏基岩为燕山期（γπ）花岗斑岩及其风化层，其中全风化岩厚度为10～14 m并夹有15%左右风化不均的碎块，碎块状强风化岩厚度3～5 m， 中风化岩未揭穿。 坡面直径在3～5 m的孤、滚石较发育，属典型的花岗岩地区地质特征。根据区域地质，该边坡区域受北东向为主的构造所切割， 受其影响该边坡发育的构造带主要有2 组，分别为G1：40°∠40°～70°、G2：60°∠70°， 受上述裂隙影响，钻孔岩芯在坡积层或全风化层中可见夹碎块状强风化层的突变特征，并在中风化层中形成节理裂隙密集带。

1.2 水文地质条件

工厂所在地区属亚热带湿润型季风气候，年平均降水量达1 725.5 mm， 主要集中在每年4—7 月的梅雨季节及8—10 月的台风雨季。 边坡附近地表水不发育，坡体内地下水基本源于降水入渗。

该边坡地下水包括坡积层及基岩全-强风化层中的孔隙水以及基岩孔隙水2 类，边坡稳定地下水位在剖面上有起伏较小。 钻孔所揭示的中风化层多为较稳定的隔水层，透水性弱。 而全-强风化带存在区域构造产生的次生节理裂隙密集带为强透水带，水体不易积储。 节理密集带水位较低且具有一定的承压性，一般位于碎块状强风化层中至下部，而节理密集带以外水位则较高，接近于坡积层底部。

勘察期间测得稳定混合地下水位埋深7～12 m，为简化分析，排水前地下水位取稳定混合地下水位，该水位埋藏于坡积层与全风化层交界面附近。

2 滑坡征兆分析

当年4—5 月当地遭遇强降雨， 边坡监测数据显示，在近2 个月的时间内孔内最大横坡向位移约25 mm，地表处裂缝宽度约85 mm，且可以排除是施工扰动或其他人工原因所导致。 针对该异常变化，即对该边坡开挖面及以上坡体进行踏勘。 在踏勘过程中发现， 原坡面仅在局部进行简单的喷砼，坡顶以下6 m 左右接近坡积层与全风化层界面位置表面喷砼出现纵坡向裂缝但尚未贯穿，仰斜式排水孔布置数量偏少且排水孔下没有明显的水痕，说明排水管深度可能未达到足够深度。 在开挖面顶部发现了1 处新产生的裂缝（图1），宽2～8 cm。 开挖面顶部裂缝延伸长度约12 m。

图1 边坡开挖面顶部裂缝

根据监测及踏勘结果，受近一段时间降雨影响，边坡已在坡表出现张拉裂缝，开挖面也出现鼓胀裂缝，说明边坡正处于强变形阶段[1]，根据开挖面裂缝位置确定滑动面处于坡积层与全风化层交界处附近，且具有向全风化层发展的可能性[2-3]。 原开挖面基本没有采取支护和排水措施，加之临近东部沿海8—10 月台风频发，经过讨论决定立即对处于强变形阶段的边坡采取包括增设截水沟、仰斜式排水孔、预应力锚索、抗滑桩的多种手段进行排水加固处理，以确保坡脚工厂建筑物的安全。

3 治理效果分析

根据勘察报告提供的地层及节理密集带的物理力学指标，采用软件对该边坡典型断面进行数值模拟，对排水加固前后的地下水位、剪应力、塑性区、位移分布及稳定性系数进行计算和对比，进而分析滑坡发生机理并评价加固效果。 岩土体物理力学参数见表1，数值模型见图2。

表1 岩土体物理力学参数

图2 边坡典型断面数值模型

3.1 地下水位与剪应力分析

排水加固前后的地下水位及剪应力分布云图见图3～4。 边坡从稳定状态至发生变形最终发展成为滑坡的过程，往往是在经历了大量降雨，因岩土体的重度上升，黏聚力及抗剪强度下降，同时受到顺坡向渗流产生的渗透力影响，最终导致了下滑力的增加及抗滑力的减少而发生失稳。

图3 排水加固前滑坡地下水位与剪应力云图

图4 排水加固后滑坡地下水位与剪应力云图

当降雨入渗无法避免时，则需通过截水、排水措施，减少入渗量或提高排泄速率的方法，以尽可能减少水对边坡岩土体的不利影响。 在排水前，监测数据显示近坡脚处地下水位埋深0.5 m；并适当提高坡体内地下水位埋深作为不利工况进行模拟，边坡中上部地下水位埋深取全风化层顶面。 设置截水沟、仰斜式排水20 d 后，监测所得地下水位在边坡各高程与前者相比有明显的下降，近坡脚处的地下水位埋深为3 m，边坡中上部地下水位埋深由全风化层顶面降至碎块状强风化层中，不仅降低了渗透力作用，也降低了表层的岩土体重度，减少了抗滑力，同时其物理力学性能得到了明显改善。

从剪应力角度而言，引起滑坡的根本原因在于土体内部某个面上的剪应力达到了其抗剪强度，并在剪出口产生应力集中，直至稳定平衡态受到破坏。剪应力达到抗剪强度的原因有2 种，一是剪应力的增加，对于该边坡，主要体现在降雨使岩土体重度增加；二是降雨导致物理力学性能降低造成有效抗剪强度降低。 在经过预应力锚索、抗滑桩治理后岩土体的松散结构得到改善，大主应力上升，抗剪强度提高，同时使边坡岩土体中的剪应力分布与大小得到改善。 边坡剪应力分布在坡脚一带的剪出口产生集中。 加固前坡面、 坡脚的最大剪应力为270、340 kPa，加固后为110、150 kPa；排水前坡脚处的孔隙水压力为190 kPa，排水后基本消散。剪应力和孔隙水压力均有了显著的下降，且排水加固后的剪应力集中程度明显改善。

3.2 塑性区分析

治理前后的塑性区分布图见图5～6。 在土力学及数值模拟分析中，常将天然状态下的岩土体假设为弹塑性体。 岩土体变形的初始阶段属于弹性变形，发展到一定程度后岩土体则开始发生塑性屈服，这部分塑性变形为不可逆变形。 岩土体发生塑性变形的区域为塑性区，塑性区的产生或在局部或为整体，其位置往往预示着边坡可能发生滑坡的区域，塑性区贯通性越好表明该部位稳定性越差，当塑性区域完全贯通时，边坡即可能出现滑动破坏[4]，其底面即为底滑面。

图5 排水加固前滑坡塑性区

由图5 可知，未经加固时塑性区由坡积层延伸至工厂地坪，贯穿整个坡积层并部分深入至全风化层中上部，贯通性强，说明边坡在该部位发生变形破坏的可能性很大，或已发生变形破坏；由图6 可知，在经过加固之后，坡积层和全风化层中上部的塑性区范围有了明显的缩小，大多集中在开挖面以上因红线约束而无法进行加固的坡积层中。 此外，尽管塑性区具有向全风化层底面发展的趋势，但该处塑性区域不具有贯通性，尤其在锚索及抗滑桩附近塑性区基本消失，说明了边坡加固措施的有效性。

图6 排水加固后滑坡塑性区

3.3 位移分析

加固前后边坡的位移云图见图7～8。 由图7 可知，排水加固前，岩土体位移范围集中于开挖面顶部以上约25 m 至开挖面顶部以下16 m 范围，呈近似圆弧状“剪出”形，剪出口位于坡脚，与3.1 节剪应力集中位置一致，最大位移发生在开挖面顶部以下6 m处，与前述开挖面鼓张裂缝位置相符，主要表现为坡积层的滑移破坏，计算得合位移最大值为90 mm。

图7 排水加固前边坡位移云图

在对边坡进行排水加固后，坡表欠稳定区域岩土体完整性受到一定程度上的加强，整体力学强度得到了提高，原先存在的潜在滑面被加固。 然而这可能导致经过锚固的区域形成一更大的滑体，沿着地层深处形成的新滑动面产生滑移破坏。 因此支护的布置是关键因素，要做到既能加固不稳定岩土体，又不使边坡深部在加固后产生新的滑动面。 因此，本次支护方案中预应力锚索长度32～36 m，确保锚固段处于相对稳定的碎块状强风化层中；抗滑桩嵌入稳定的中风化层中。

由图8 可知，加固后最大位移依然出现在坡积层表面，但位移量由加固前的90 mm 降低至30 mm，全风化层中下部直至其底面也出现了微量位移，说明经过加固后，虽然滑移面有向全风化层底部转移的趋势，但其合位移量仅为3 mm。 结合3.2 节中塑性区的分析结果，尽管边坡在加固后的整体位移存在由坡积层向全风化层发展的情况，但其值极小，不会形成新的深层滑移，说明治理方案是合理有效的。

图8 排水加固后边坡位移云图

3.4 稳定性系数

该边坡为永久边坡， 以坡积土及全风化岩为主，岩体类型属IV 类，高度大于15 m，小于30 m，破坏后果很严重，因已出现滑坡征兆，故为I 级边坡，边坡稳定安全系数Fst为1.35。计算结果见图9～图10 和表2。

表2 边坡稳定安全系数

图9 排水加固前边坡最不利滑动区

图10 排水加固后边坡最不利滑动区

由表2 可知，排水加固前边坡最不利滑动区的剪出口位于开挖面顶部的坡积层底部附近，处于欠稳定状态，与观察到的实际开裂情况相符。 而采取增设预应力锚索、抗滑桩、截水沟及仰斜式排水孔等多方面措施进行排水加固后， 边坡处于稳定状态，达到了预定的加固效果。

4 结论

通过踏勘，发现边坡因长时间降雨，出现了坡顶张拉裂缝、开挖面鼓胀裂缝，表明边坡正处于强变形阶段，进而采用包括增设仰斜式排水孔、截水沟、预应力锚索、坡底设置抗滑桩等多方面措施进行治理。 总体而言，滑坡之所以产生，主要是因为降雨使岩土体重度增加、下滑力增大，物理力学强度指标下降、抗滑力减小所造成。 而对内在的应力应变进行数值模拟分析可以发现，剪应力的集中程度、塑性区的贯通性均是边坡的稳定性以及滑面位置的控制因素[5]。 在经过排水加固后，坡脚的孔隙水压力值、剪应力值与剪应力集中程度明显减小，塑性区的贯通性也得到明显改善，计算得稳定性系数满足要求，说明了排水加固措施的有效性。 经过治理的边坡已处于稳定状态，但安全富余度并不充分。 鉴于长期安全性考虑，已建议工厂向相关部门申请扩大部分用地红线，适当对开挖面以上天然坡面放缓坡率并采取相应的支挡措施，同时加强植被保护并改植利于水土保持的树种，禁止乱砍滥伐，防止因开挖面以上坡体产生滑动而影响工厂安全。